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5G注定要颠覆网络边缘

时间:2019-03-01 作者:Larry Desjardin 阅读:
现在我们都已熟悉5G所承诺达到的数据速率,峰值速率超过10Gbps。这通常被称为eMBB(增强移动宽带),包括常见的互联网服务,如电子邮件、网页浏览和视频流等。但是,5G还远不止这些,有线网络也必须做出调整,以应对日益增加的流量和低延迟需求。

现在我们都已熟悉5G所承诺达到的数据速率,峰值速率超过10Gbps。这通常被称为eMBB(增强移动宽带),包括常见的互联网服务,如电子邮件、网页浏览和视频流等。但是,5G还远不止这些,有线网络也必须做出调整,以应对日益增加的流量和低延迟需求。

5G包括海量机器类通信(mMTC)。这类服务专注于遥感设备的有限带宽访问,例如天然气、供水和供电仪表等。还有一种服务叫超可靠低延迟通信(URLLC)。URLLC可以提供对低延迟要求极高的新服务,比如远程手术、自动驾驶、工厂自动化和各种各样的触觉应用。URLLC将会颠覆网络边缘,改变我们所熟悉的互联网服务基础网络拓扑结构。

要了解网络拓扑将如何变化,就需要了解现今的互联网服务的网络拓扑结构。为了便于说明,图1给出了Comcast的高级网络示意图,Comcast是美国最大的互联网服务提供商之一。

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图1:Comcast互联网服务覆盖区域的高级示意图。(来源:Comcast)

当我们通过互联网观看电影或访问电子邮件时,所接受的流量将被传送到某个互联网服务提供商(ISP),其处于某个被称为互联网交换中心(IXP)的特定交换节点处。这些节点在图1的Comcast地图中用白色钻石来标记,并给出了城市名称。数据通过网络层次结构进行路由,一直到达家庭或企业。对于上传的数据,则沿反方向路由,直到数据从IXP发送到目的地。

这种通过ISP网络传输数据的方式,一直是网络中立性争论的焦点。现已废除的网络中立性法规要求,无论是什么内容、来源或应用,ISP都要对流经其网络的流量一视同仁。这些法规不适用于连接到IXP的互联网网络,例如Netflix或Apple TV等提供商或者在ISP之间提供长距离互联网数据传输的Cogent或Level 3等一级互联网提供商提供的专有内容分发网络(CDN)。本文无意涉及网络中立性讨论,只是为了说明ISP的标准模式是多么根深蒂固,直到最后一英里的数据交付。这种模式现在面临被颠覆的危险——5G URLLC和类似有线服务可提供更好的低延迟服务。

低延迟与高带宽

在评估视频流等高带宽服务的网络时,我们通常会想到用Mbps或Gbps来衡量网络速度,这是测量带宽的有用参数。视频现已占据全球所有下载互联网流量的大部分。在高峰时段,Netflix和YouTube加起来可能占据美国所有网络流量的一半以上。从某种意义上说,每天晚上美国互联网都变成了全国范围的有线电视系统。这一事实促使ISP设立专为视频流应用而优化的网络。

在这些应用中,内容分发延迟不是那么重要。这些应用对整个网络的总延迟非常不敏感,只要它们可以缓冲端点附近的数据并且通道的总带宽足够就可以。一般来说,很少有人关心他们在Apple TV上下载的电影是否会有一两秒延迟播放。其他服务也是如此,例如电子邮件、文件传输或数据备份等。

然而,有许多新的服务对延迟十分敏感。研究表明,对于触觉反馈应用(例如播放乐器或进行远程手术)的用户来说,延迟要求减少到大约一毫秒,才能感觉应用是同时发生。

这对某些控制回路需要严格计时的工厂自动化应用来说也是如此。几种应用的大致延迟时间如图2所示。

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图2:几种延迟敏感型应用的端到端延迟和可靠性要求。(来源:爱立信)

5G URLLC设计了一种编码和调度协议,可确保用户与5G基站之间的最大延迟小于1毫秒。它还能确保非常可靠的传输,但我们可能忽略此点而只专注于延迟。

无论5G URLLC空中链路的性能如何,网络拓扑本身都是一个障碍。看一下Comcast地图,可以看出IXP节点之间的距离很远。我住在科罗拉多州西北部的一个山城,大约在丹佛和盐湖城中间。距离本身受光速限制,这就是一个障碍。光在光纤中的速度大约是其自由空间速度的2/3,即大约200,000km/s。考虑一毫秒的端到端延迟要求,这相当于往返200km,或约120英里。这会使IXP单程服务区域降低到60英里。这还没有考虑多个交换机和路由器引导流量通过网络层次结构所引起的网络设备延迟,这也不容忽视。在某个地方还必须有应用服务器。总而言之,这迫使整个应用要尽可能靠近网络边缘。从IXP到用户通过ISP网络进行数据传输的标准模式受到颠覆。需要一种能够将客户设备嵌入到网络边缘的新模式。

其他一些因素

5G URLLC和类似的低延迟分发服务并不是颠覆网络边缘的唯一因素。最早的5G应用之一是固定无线接入,即以无线的方式将互联网服务提供给家庭。Verizon已宣布为萨克拉门托、休斯顿、印第安纳波利斯和洛杉矶部署此类网络。这项服务是DSL(数字用户线路)或有线互联网服务的直接竞争对手,对美国许多地方事实上的双头垄断发起了挑战。竞争的加剧将改变网络提供商、消费者和监管机构对网络的看法。

标准模式的开始从来都不是单纯的。Comcast由于将自己的内部网络扩建进区域网络,应该被视为美国的一级提供商和ISP。Comcast因此获得了与其他一级供应商的免费对接(settlement-free peering),从而降低了其互联网接入成本。

从20世纪90年代开始的互联网彻底改变了长途通信。而网络边缘,虽然速度越来越快,但仍保持着相同的拓扑和功能。由于5G和低延迟应用的冲击,边缘也将很快被颠覆。

本文为《电子技术设计》20193月刊杂志文章。

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Larry Desjardin
Larry Desjardin是Modular Methods LLC公司总裁,这是一家专注于快速增长的模块化仪器行业的咨询公司。Larry 曾任职于惠普(现为Agilent Technologies),担任多个研发和执行管理职位。作为研发经理,Larry 获得了John Fluke Sr. Memorial Award,以表彰他对VXI总线的创建所做的贡献。在2011年退休前,他担任了安捷伦模块化产品运营的总经理。Larry 拥有加州理工学院的工程学士学位和斯坦福大学的电气工程硕士学位。Larry 还为“测试与测量世界(Test and Measurement World)”写了一列“他山之石”专栏。
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