Beheer

Netwerken

Mobiele netwerken onderhouden zichzelf

14 juni 2013

Het mobiele dataverkeer groeit explosief. De verwachting is dat dit wereldwijd de komende vijf jaar met ruim een factor tien zal toenemen. Deze verwachte groei is voor een groot deel het gevolg van het toenemende gebruik van videoapplicaties via persoonlijke apparaten als smartphones en tablets. Maar ook het groeiende aantal mobiele verbindingen tussen apparaten onderling (machine-to-machinecommunicatie) draagt bij aan deze data-explosie. Om de verkeersgroei op te vangen worden steeds weer nieuwe en snellere mobiele-netwerktechnologieën ontwikkeld. Op dit moment wordt in Nederland door diverse operators gewerkt aan de uitrol van de uiterst geavanceerde 4G mobiele-netwerktechnologie LTE (Long Term ­Evolution), waarmee snelheden tot enkele honderden megabits per seconde kunnen worden gehaald.

Om aan de toenemende vraag te voldoen zal de netwerkcapaciteit snel moeten groeien. Dit kan door het aantal cellen/basisstations voortdurend uit te breiden. Dat gebeurt nu ook al in het huidige (3G) UMTS/HSPA-netwerk. LTE voorziet in een gelaagde celstructuur (multi-layer, met macro-, micro-, pico- en femtocellen) waarmee het beschikbare spectrum zeer efficiënt kan worden benut en de netwerkcapaciteit dynamisch kan worden aangepast aan de (variërende) behoefte. Landelijk kan het aantal netwerkcellen op deze manier oplopen tot vele duizenden en zelfs tienduizenden. Daar komt nog bij dat het niet om één netwerk gaat: voor de meeste operators geldt dat ze meerdere netwerken met verschillende technologieën beheren (bijvoorbeeld GSM of UMTS/HSPA, naast een toekomstig LTE-netwerk). Voor de operators is het zaak om deze verschillende netwerklagen en technologieën zo goed mogelijk samen te laten werken. Met als belangrijkste doelen en randvoorwaarden: kwaliteit en betrouwbaarheid van de dienst­verlening waarborgen, efficiënt gebruik van het netwerk, in het bijzonder het (dure) ­radiospectrum, het reduceren van de enorme energieconsumptie van het groeiende aantal basisstations et cetera.

Uit het bovenstaande is duidelijk dat toekomstige mobiele netwerken niet meer handmatig te managen zijn. Dit wordt te complex (gevaar van menselijke fouten) en te duur. Om de betrouwbaarheid en kwaliteit van de mobiele communicatiediensten te waarborgen, en de kosten (OPEX) binnen de perken te houden, is het nodig de managementtaken te automatiseren. De nieuwste ontwikkelingen gaan zelfs nog een stap verder. In internationale onderzoeksprojecten en in standaardisatieorganen wordt door de grote operators en netwerkleveranciers gewerkt aan technieken om de netwerken zichzelf te laten managen ­(self-management): dat ze zichzelf, autonoom, kunnen herconfigureren bij uitval van netwerkcomponenten (self-healing) en optimaal aanpassen aan de ‘dynamiek’ van de gebruikers en hun gedrag (self-optimisation).

Dynamischer

Het toekomstige self-managementsysteem zal niet alleen bestaande netwerkmanagementtaken overnemen van de operator, maar ook nieuwe taken op zich nemen en veel dynamischer gaan uitvoeren dan ooit handmatig zou kunnen. Een aansprekend voorbeeld is de functionaliteit ‘Dynamic Spectrum Allocation’. In een toekomstige heterogene netwerksetting met 2G, 3G, 4G en WiFi-technologieën ‘verschuift’ DSA dynamisch het beschikbare spectrum door het netwerk, haalt het daar weg waar de verkeersvraag laag is, en wijst het aan die cellen toe waar de vraag tijdelijk hoog is. Hiermee zal in de praktijk de capaciteit van het netwerk enorm toenemen. Daarnaast is DSA, in samenhang met andere self-managementfunctionaliteiten, van essentieel belang voor het vergroten van de robuustheid van het netwerk en voor het reduceren van de energiekosten door het dynamisch in- en uitschakelen van basisstations afhankelijk van de fluctuerende verkeersvraag.

Voor de realisatie en implementatie van het self-managementconcept in mobiele netwerken vindt momenteel veel onderzoek en ontwikkeling plaats (zie kader). Er moeten gedistribueerde algoritmen ontwikkeld worden die in staat zijn zelf beslissingen te nemen over aanpassingen van de netwerkconfiguratie (instellingen van controlparameters et cetera). Deze algoritmen moeten bij voorkeur ­zelflerend zijn, zodat ze ook in nieuwe, niet-voorgeprogrammeerde situaties tot goede keuzes komen. Daarnaast moeten de verschillende algoritmen goed kunnen samenwerken om het netwerk voortdurend optimaal te configureren. Als deze samenwerking niet adequaat is kan dit zelfs leiden tot hevige instabiliteit van het netwerk met alle gevaren van dien voor de dienstverlening. Gegeven de honderden controlparameters in een toekomstige heterogene mobiele netwerkomgeving (parameters die veelal ook weer onderling afhankelijk zijn), is het duidelijk dat de ontwikkeling van self-managementalgoritmen een enorme uitdaging is.

Naast de algoritmen zelf moeten ten behoeve van de introductie van self-management ook allerlei andere nieuwe functionaliteiten worden ontwikkeld (zie kader). Een belangrijk element hierin is het op grote schaal monitoren van het gedrag van het netwerk. Meetgegevens over verkeersintensiteit, de propagatiecondities, de gerealiseerde performance et cetera zijn onmisbaar als input voor de algoritmen. De uitdaging is niet alleen om de enorme hoeveelheden data waar het hier dan om gaat (snel) te analyseren, maar ook om de meetdata snel door het netwerk te transporteren en op de juiste plaats(en) beschikbaar te maken. Hiervoor moeten geschikte netwerkinterfaces en signaleringsmogelijkheden worden gedefinieerd. Standaardisatie hiervan én van de benodigde metingen zelf is van groot belang om ook in multi-vendor-omgevingen het self-managementconcept goed te laten werken.

Evolutionair

De introductie van self-management in mobiele netwerken zal sterk evolutionair van aard zijn. In de huidige releases van LTE zijn enkele eerste gestandaardiseerde self-managementfunctionaliteiten ingebouwd. Steeds meer functionaliteiten zullen worden toegevoegd, ook om optimale samenwerking met andere technologieën mogelijk te maken. Op wat langere termijn zal self-learning een steeds belangrijkere rol gaan spelen. Een andere trend is om de netwerkoptimalisatie steeds meer te baseren op dienstkwaliteit vanuit eindgebruikersperspectief (quality of experience) in plaats van het netwerkperspectief (network performance). Een belangrijke opdracht hierbij is hoe de door de gebruikers ervaren kwaliteit adequaat online kan worden ‘gemeten’ om als input te dienen voor het self-management­systeem.

Met de geleidelijke ‘autonomisering’ van het netwerk zal de netwerkoperator, met toenemend vertrouwen, steeds meer handmatige taken uit handen geven. Uiteindelijk zal hij vrijwel alleen nog maar op hoog niveau hoeven aan te geven welke doelen (in termen van de beoogde dienstkwaliteit, zoals afgesproken met de gebruikers in service level agreements) het self-managementsysteem moet nastreven. Daarnaast zullen enkele taken overblijven voor technische experts, die diepgaande kennis en inzicht hebben in het netwerk en de werking van het self-managementsysteem. Zij zullen bijvoorbeeld de invoering van netwerkuitbreidingen en andere upgrades moeten begeleiden (testen) en adequaat moeten ingrijpen als er onverhoopt storingen optreden.

Functioneel ontwerp

Toekomstige netwerken zullen worden aangestuurd door een zogenaamd unified self-management system (zie figuur). Dit systeem vormt een geautomatiseerde managementlaag tussen de netwerkoperator en de fysieke netwerkelementen (dit zijn met name de verschillende zendmasten die in het bedieningsgebied zijn geplaatst).

Aan de bovenkant voert de netwerkoperator zijn eisen in voor de netwerkperformance die hij aan zijn klanten wil leveren. Hierin is bijvoorbeeld aangegeven welke ‘call success rate’ in het drukke uur minimaal gehaald moet worden en wat de minimale dekkingsgraad is die het netwerk moet bieden. In een samenwerking van meerdere, hiërarchisch ingerichte mechanismen zal het systeem deze eisen vertalen naar concrete netwerkinstellingen, bijvoorbeeld de zendrichting en het zendvermogen van antennes, de frequentieband en de hoeveelheid spectrum die een zendmast gebruikt, en parameters die beïnvloeden hoe de celcapaciteit wordt verdeeld over actieve sessies.

Het blijft een wezenlijke (niet automatiseerbare) taak voor een netwerkoperator om tijdig capaciteit bij te plaatsen en/of bestaande basisstations te migreren naar bijvoorbeeld nieuwere technologieën. In deze handmatige taak wordt de operator ondersteund door een beoogd decision support system. Dit systeem kan op basis van grootschalige metingen en geavanceerde analyses een inschatting maken wanneer en waar een capaciteitstekort in het netwerk zal optreden. Ook kunnen aanbevelingen worden afgegeven hoe hierop in te spelen, bijvoorbeeld door op een aangegeven locatie een basisstation van een bepaald type bij te plaatsen of een bestaand basisstation te upgraden van 3G- naar ­4G-technologie.

 

Onderzoek en standaardisatie

Internationaal wordt intensief onderzoek verricht naar self-management van mobiele netwerken. Europa loopt hierin voorop. Een belangrijk recent initiatief is het door de EU gesubsidieerde onderzoeksproject SEMAFOUR (Self-Management for Unified Heterogeneous Radio Access Networks) gevormd door een consortium met onder andere de wereldwijd opererende netwerkleveranciers Ericsson en Noki-Siemens Networks en grote operators zoals het Franse Orange en Spaanse Telefónica. Verder zijn ook universiteiten en andere onderzoeksinstellingen betrokken. Vanuit Nederland is TNO actief in dit consortium. In SEMAFOUR wordt een unified self-management system ontwikkeld, inclusief een aantal specifieke self-managementfuncties. Er wordt ook een demonstrator gebouwd om de werking en voordelen van self-management aan de buitenwereld te laten zien. SEMAFOUR werkt onder andere samen met de internationale alliantie van mobiele netwerkoperators NGMN (Next Generation Mobile Networks). Verder worden onderzoeksresultaten van SEMAFOUR ingebracht in 3GPP, het belangrijkste standaardisatieorgaan voor mobiele communicatienetwerken.

 
Lees het hele artikel
Je kunt dit artikel lezen nadat je bent ingelogd. Ben je nieuw bij AG Connect, registreer je dan gratis!

Inloggen

Registreren

  • Direct toegang tot AGConnect.nl
  • Dagelijks een AGConnect nieuwsbrief
  • 30 dagen onbeperkte toegang tot AGConnect.nl

Ben je abonnee, maar heb je nog geen account? Laat de klantenservice je terugbellen!