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Multi-Access Edge Computing: o facilitador de padrões 5G

Multi-Access Edge Computing: o facilitador de padrões 5G

Talvez você já tenha ouvido a frase “sem latência, experiência gigabit” como um breve anúncio do que o 5G nos entregará. Porém, as suas capacidades se estendem para muito além do aprimoramento de performance que você obterá utilizando o seu celular.

Elas também povoarão cidades inteligentes com IoTs de alta densidade e baixo consumo de energia, que podem ser utilizados para melhorar a segurança pública e conservar recursos, e viabilizarão casos de uso de missão crítica, como cirurgia remota, onde uma conexão de rede ininterrupta de alta velocidade é, literalmente, questão de vida ou morte.

Mas para isso acontecer, redes 5G, dispositivos e aplicações precisarão atender a requisitos severos de performance para densidade, disponibilidade, latência e eficiência. Este blog post examinará os padrões 5G: o que eles são, como eles são desenvolvidos e como Multi-Access Edge Computing (MEC) ajudará aplicações e dispositivos a atingirem esses padrões.

Padrões: o que são e por que precisamos deles?

Conforme surgem ideias para novas tecnologias, duas coisas importantes devem acontecer para que as ideias sejam colocadas em prática. Primeiro, devemos definir o que a tecnologia fará, determinando os benchmarks de desempenho que ela terá de cumprir. Em seguida, os engenheiros devem determinar os protocolos e arquiteturas subjacentes que cumprirão com esses benchmarks.

Por outras palavras, eles precisam de uma definição (ou padrão) para a tecnologia e um plano (ou especificação) para atingir esse padrão. Nos últimos anos, organizações e membros do mundo inteiro convergiram para criar os padrões e especificações necessários para tornar o 5G realidade.

Os padrões foram definidos pela União Internacional de Telecomunicações (International Telecommunications Union - ITU), uma agência da ONU que aloca espectro de rádio global e garante que as redes em todo o mundo possam se conectar. Já as especificações são criadas pelo Third Generation Partnership Project (3GPP), que foi formado para criação de protocolos para redes 3G e tem sido integrado ao desenvolvimento de tecnologia wireless desde então.

Como os padrões 5G são criados

Para desenvolver as especificações, a 3GPP dividiu o seu trabalho entre áreas especializadas. Dezesseis grupos de trabalho diferentes foram criados a partir de três categorias distintas: especificações de RAN, Aspectos e Serviços de Sistema (responsável pela arquitetura geral, requisitos de serviço e coordenação do projeto) e rede principal e terminais.

Enquanto trabalham em vários recursos, os grupos obtêm contribuições de diversos parceiros de mercado, como GSMA, uma organização global de operadores de telefonia móvel, ou CTIA, que representa a indústria de comunicações wireless nos Estados Unidos.

Quando os requisitos de serviços, a arquitetura subjacente e o protocolo para implementar essa arquitetura foram definidos para um recurso específico, como New Radio (NR), o 3GPP lançou uma versão desse recurso. O NR foi incluído no 15º lançamento do 3GPP e concluiu a Fase 1 de seu trabalho em 5G, que se concentrava principalmente no aprimoramento da banda larga móvel – essencialmente, viabilizando smartphones e dispositivos pessoais de melhor desempenho.

O 16º e mais recente lançamento do 3GPP, que saiu em julho de 2020, abre caminho para casos de uso industriais e corporativos que dependem de grandes números de aparelhos IoTs interconectados e comunicação de baixa latência ultraconfiável. Uma vez que o 3GPP realiza um lançamento, as especificações são transpostas em resultados por seus parceiros organizacionais (órgãos de padronização, como o ETSI), os quais são submetidos à aprovação da ITU.

IMT-2020: o padrão global para 5G

Em 2017, a ITU estabeleceu os benchmarks globais para implantações 5G comerciais no IMT-2020. Estes foram baseados nas necessidades de vários casos de uso do 5G, que abrangem três categorias amplas:

  • uso de internet móvel pessoal (banda larga extrema ou eMBB);
  • implantação em larga escala de IoTs com eficiência energética (massive machine-type communication ou mMTC); e
  • IoTs críticos, que fornecem comunicação ultraconfiável e de baixa latência (ultra-reliable, low-latency communication - URLLC).

A fim de atender às várias necessidades de cada uma dessas categorias, o IMT-2020 divide os benchmarks de performance mínima em uma gama de requisitos técnicos. Isso inclui taxas de dados, eficiência de energia de rede, eficiência espectral, capacidade, latência, densidade de conexão, mobilidade, confiabilidade e largura de banda.

Não é preciso dizer que há muito o que desempacotar aqui; então, para os propósitos deste post, mencionaremos alguns destaques. No entanto, se você quiser todos os detalhes essenciais, a ITU tem a lista completa de requisitos mínimos do IMT-2020.

  • Largura de banda: pelo menos 100 MHz, ou acima de 1 GHz em bandas de frequência alta
  • Densidade de conexão: 1,000,000 dispositivos por quilômetro quadrado
  • Taxa de dados: picos de 20 Gbps de downlink e 10 Gbps de uplink
  • Latência: 4ms para eMBB, 1ms para URLLC
  • Mobilidade: acima de 500 km/h para veículos de alta velocidade
  • Eficiência espectral (throughput): picos de 100 Mbps de downlink e 50 Mbps de uplink

Por serem padrões tão ambiciosos, alcançá-los em uma escala massiva exigirá alguma assistência – é aí que o Multi-Access Edge Computing (MEC) entra em jogo. Ao mover o processamento e os dados para mais perto dos usuários finais, o MEC melhora a eficiência de rede, aumenta a sua capacidade (permitindo transmissões de dados mais velocidade e conectividade) e diminui significativamente a latência.

Tais melhorias ajudam o 5G a atingir vários benchmarks de desempenho diferentes, mas hoje examinaremos apenas um deles: a latência.

MEC: ajudando o 5G a quebrar as barreiras de latência

Independentemente das capacidades de uma rede, existem certas limitações acerca da velocidade com a qual os dados podem trafegar por ela. Por exemplo, as ondas de rádio só podem viajar tão rápido quanto a velocidade da luz, cerca de 300 km/ms.

Além disso, a latência aumenta à medida que os dados trafegam dos dispositivos, por meio de torres de rádio, para a rede central e, finalmente, são transmitidos para a nuvem e data centers. Cada etapa da jornada adiciona alguns milissegundos à viagem, criando uma grande barreira para os padrões de latência superbaixa para 5G.

Pensemos no 5G como uma rodovia bastante rápida para transmissão de dados, com faixas amplas e quase sem limite de velocidade. Em uma rodovia como essa, você poderia dirigir muito rápido e enfrentar pouco congestionamento, não importa quantas pessoas estejam compartilhando a estrada.

Mas independentemente de quão rápido você dirija, a viagem nunca será instantânea – especialmente se estiver percorrendo uma longa distância e necessitar de muitos pit stops. Para um tempo de viagem mais próximo possível de zero, você precisa estar incrivelmente perto do destino.

Esse é o princípio básico do MEC: diminuir o tempo que os dados levam para serem processados, diminuindo a distância que eles precisam percorrer. Em vez de transmiti-los de torres de rádio para data centers distantes, o MEC permite que os dados sejam processados e armazenados em servidores, Edge Nodes próximos ou até mesmo na própria estação base.

Por outras palavras, o MEC encurta a viagem e reduz o número de paradas nos boxes. Isso resulta em latência de ponta a ponta amplamente aprimorada, reduzindo a latência de ida e volta nas redes LTE atuais de 70 ms para cerca de 20-30 ms.

Arquitetura MEC: uma visão geral (muito) breve

Agora que discutimos a filosofia subjacente ao MEC – esclarecendo, essencialmente, por que ele funciona –, forneceremos um breve vislumbre da arquitetura para mostrar o seu modus operandi. O elemento-chave da arquitetura MEC é um servidor de aplicações de TI (host) que fornece computação, armazenamento e conectividade.

Cada host tem um gerenciador de virtualização – que inclui o plano de dados e faz o roteamento entre redes, serviços e aplicações – e uma plataforma MEC que direciona o tráfego do usuário para aplicações MEC e, então, fornece a funcionalidade necessária para executá-las.

Um gerenciador de plataforma cuida do gerenciamento do ciclo de vida da aplicação, enquanto o gerenciamento de sistemas é fornecido por um orquestrador, que coordena entre os gerentes de plataforma e seleciona o host certo para as aplicações com base nos recursos disponíveis e requisitos, como latência.

Simplificando, o orquestrador é o cérebro da operação, tomando as decisões que atenderão aos requisitos de desempenho de cada aplicação, e os gerenciadores de plataforma são as mãos que executam essas decisões.

Multi-Access Edge Computing: o facilitador de padrões 5G

Inicialmente, o MEC foi concebido como um sistema self-contained a ser adicionado às redes 4G LTE a fim de melhorar os recursos de desempenho, como latência ou taxa de transferência. No entanto, como o MEC é necessário para atender aos requisitos de latência de aplicações e dispositivos 5G, a arquitetura 5G especificada pelo 3GPP é completamente integrada ao MEC e projetada para fornecer suporte flexível para diferentes implementações baseadas nessa tecnologia.

Azion: suporte ao 5G por meio do MEC

Claramente, o MEC é extremamente importante para o cumprimento dos padrões 5G – tanto é que as especificações têm suporte integrado para o MEC. Além disso, esses padrões foram projetados para permitir mais dispositivos interconectados do que nunca. Na verdade, um novo recurso da mais recente versão do 3GPP é o “slidelinking”, pelo qual veículos conectados ao 5G podem se comunicar diretamente entre si em vez de passar por uma estação base.

Embora tenha sido desenvolvido para V2X, ele poderia, teoricamente, conectar qualquer tipo de dispositivo 5G entre si, viabilizando casos de uso de mMTC industriais como robôs de fábrica. Para facilitar esse tipo de interconexão, aplicações e dispositivos precisam ser projetados com vista na interoperabilidade.

A Azion vem contribuindo para facilitar a implementação do 5G ao garantir facilidade para empresas construírem infraestrutura Edge e fornecer uma plataforma flexível para que desenvolvedores criem, evoluam e executem aplicações nativas de Edge. Com o Edge Orchestrator, nossos clientes podem implementar e gerir Network Function Virtualization (NFVs) de terceiros na Edge. O Azion Edge Orchestrator executa na maioria das arquiteturas de rede e tipos de devices e pode ser implementado manualmente ou com provisionamento zero-touch. Isso permite que empresas implementem e configurem recursos Edge e conectem-se a redes 5G.

Em nossa próxima postagem no blog, daremos uma olhada nos blocos de construção do Edge Computing por meio de uma discussão sobre arquiteturas serverless vs. arquiteturas baseadas em contêiner, e falaremos mais sobre o Azion Cells nesse contexto.