La qualité de service (QoS) de bout-en-bout comprend des services qui demandent de très fortes exigences en matière de performance, et qui doivent être assurés à travers des zones de déploiement spécifiques : une zone étendue géographiquement, locale, délimitée, et dans le cas de services nomades, dynamique. Bien sûr, tout cela doit être réalisé de manière rentable et qui ne nécessite pas un sur-déploiement des ressources réseau.
Les architectures Radio Access Network (RAN) et Core Network (CN) seront établies selon un haut niveau de modularité et de virtualisation des fonctions du réseau. Le transport devra donc prendre en charge ce processus en assurant automatiquement la connectivité appropriée entre chaque fonction de réseau.
Dans le même temps, les opérateurs de réseaux ont besoin de nouvelles solutions pour s’adapter à la topologie et aux sites sur le terrain. La conception du réseau doit par conséquent pouvoir faire face à l’épreuve du temps, afin de garantir une migration en douceur vers la 6G dans le futur. Plusieurs technologies, telles que les technologies optiques et par paquet, peuvent être associées de manière appropriée pour répondre aux exigences de la radiocommunication, comme une faible latence et un débit élevé.
Dans l’ensemble, le transport de réseau doit assurer un niveau élevé de disponibilité et de résilience. Il doit également être « programmable » pour garantir un niveau de flexibilité adéquat. Enfin, des solutions appropriées doivent être envisagées pour éviter la surexploitation des ressources du réseau et pour minimiser le coût par bit.
Pour encourager cette évolution et réaliser cet objectif, nous avons identifié et démontré deux concepts :
- Une orchestration consciente du transport de bout-en-bout, pour gérer de manière dynamique et optimisée, l’interopérabilité entre la radiocommunication, le transport et le cloud dans une zone de couverture donnée.
- Une architecture de transport entièrement flexible et programmable, basée sur de nouvelles technologies, qui facilite la tâche de l'orchestration de bout-en-bout tout en garantissant les performances exceptionnelles des services (ex : la latence).
L’orchestrateur de transport de bout-en-bout
Du point de vue du réseau, le défi consiste à servir un ensemble de services hétérogènes qui varie dans le temps et dans la zone de déploiement, afin d’assurer la qualité de service requise dans la zone de couverture du service, tout en évitant la surexploitation. Ce processus demande au réseau de gérer automatiquement et de manière intelligente les ressources de ce dernier, en fonction des besoins réels du trafic.
Dans une usine intelligente, par exemple, plusieurs cas d’usage sont réalisés simultanément dans les mêmes locaux. Ils exigent des performances spécifiques et souvent difficiles au niveau du réseau de télécommunication qui dessert l’installation industrielle. Ne pas fournir de telles performances se traduirait immédiatement par des ralentissements dans le processus de production.
Pour relever correctement ces défis, nous devons travailler avec un scénario d’usine intelligente réaliste. Par scénario, nous entendons un ensemble représentatif de cas d’usage rendu possible grâce à un réseau hybride de qualité industrielle, qui comprend des sections réseaux privées et publiques. Les acteurs concernés qui doivent être impliqués sont : la société de production, le fournisseur d'automatisation industrielle, l’opérateur de réseau mobile et le fournisseur d’équipements de télécommunication.
Ensemble, avec nos partenaires, nous avons réalisé un projet pilote réel avec un scénario réaliste comme base. Le schéma suivant donne une vue simplifiée de l'architecture du pilote, où trois cas d’usage étaient pris en charge en parallèle par trois services. La QoS de bout-en-bout est déployée sur trois tranches de réseau. Le pilote a été accueilli dans l’usine COMAU à Turin en Italie.
Ici, une zone désignée a été couverte par un réseau 5G dédié (RAN et Core) et relié au central téléphonique de l’opérateur italien TIM. Le projet pilote comprenait une infrastructure de transport partagée, basée sur les technologies optiques déployées par Ericsson Research, qui a délivré le trafic radio avec la QoS de bout-en-bout appropriée. Les plateformes cloud, situées sur le site de Comau et dans le central téléphonique de l’opérateur, ont permis la mise en œuvre de la virtualisation des fonctions réseau (NFV) et la prise en charge d’applications verticales qui fonctionnent à distance. L’image suivante montre la zone expérimentale couverte par une antenne radio 5G.
Le premier cas d’usage a permis d’enregistrer le mouvement d’un vrai robot. Grâce à une liaison radio à très faible latence il a été possible de créer un jumeau numérique synchronisé. Cette réplique numérique a été utilisée pour alimenter un casque de réalité augmentée, pouvant être utilisé par un superviseur humain. Le mouvement du robot mécanique et des rendus virtuels respectifs étaient parfaitement alignés dans le temps. Visionnez la vidéo pour le pour voir en action.
Le second cas d’usage portait sur la démonstration de la surveillance en temps réel des actifs industriels. L’enregistrement des données d’une grande quantité de machines a ensuite été envoyée sur une application, délivré par l’application verticale elle-même, qui fonctionne dans le cloud de l’opérateur. Cette application se sert des données acquises pour travailler sur la maintenance prévisionnelle afin de donner des prévisions plus précises de planification de la production, améliorer la qualité et d’autres informations.
Le troisième cas a démontré la téléprésence immersive dans un scénario d’assistance à distance améliorée, où le personnel de maintenance était assisté par un expert à distance, afin d’examiner et de résoudre une panne à l’aide de la réalité augmentée et de tutoriels numériques étape par étape.
Le pilote a été dirigé par l’orchestrateur de transport de bout-en-bout, qui a géré automatiquement l’interopérabilité entre la radiocommunication, le transport et le cloud sur la zone de couverture locale sélectionnée. Le système a assuré l’alignement de toutes les ressources impliquées dans la mise à disposition des services, selon les caractéristiques QoS end-to-end correspondantes.
Qualité de service (QoS) de bout en bout
Il convient de souligner que la qualité de service de bout-en-bout est constituée de la combinaison de la QoS assurée dans la couche radio et de la QoS assurée dans la couche transport. Par exemple, la prise en charge du service à faible latence, pour l’opération de jumelage numérique, nécessite un comportement spécifique de transmission QoS dans le réseau radio, qui est reconnu grâce à un identifiant QoS (pour la 5G cela s’appelle la 5QI). L’association de l’identifiant QoS avec la QoS du service est configurée par l’opérateur du réseau, de manière à être en conformité avec une politique spécifique.
Compte tenu de la QoS de bout-en-bout, l’orchestrateur déduit la QoS correspondante pour la couche radio et la QoS pour la couche transport. L’orchestrateur envoie ensuite les demandes correspondantes aux réseaux de radio et de transport. De cette manière, la QoS de bout-en-bout est gérée automatiquement et dynamiquement comme une infrastructure « unique », composée de la radiocommunication et du transport.
Optimisation du placement des ressources
Un service réseau résulte de la combinaison de fonctions réseau virtuelles (VNF) individuelles, et de node de réseau physique qui n’ont pas subi de virtualisation, c’est-à-dire les fonctions réseau physiques (PNF). L’un des principaux défis consiste à optimiser le placement des ressources, tant en VNF qu’en PNF, sur l’infrastructure de transport sous-jacente. Par exemple, une VNF peut être connectée via une simple liaison de transport point-to-point ou par un réseau de transport géographique maillé. Ces deux options impliquent des valeurs de latence différentes ou une disponibilité différente pour un fonctionnement de type VNF : une différence où le placement des fonctions réseau virtuelles doit être pris en compte. Une optimisation soignée du réseau réduit le besoin de surexploitation et permet de maximiser la quantité de trafic que le réseau peut mettre à disposition.
Le pilote a également permis de démontrer comment la prise en compte du transport dans le placement peut être facilitée par le déploiement d'un mécanisme d'abstraction. L'abstraction est une description "compacte" d'une ressource (radio, transport et cloud), exposée avec les paramètres de service correspondants. L'abstraction masque les détails des ressources, tels que la quantité, les fournisseurs, l'emplacement de la ressource, les détails matériels, la topologie réelle, ..., et permet de prendre en compte l'aspect du transport dès le début du processus de placement.
L’intelligence artificielle permet de fournir la QoS de bout-en-bout requise tout en optimisant l'utilisation des ressources. Nous avons réalisé et déployé un moteur basé sur l’IA pour élaborer les données mesurées à la frontière du réseau de transport. Le moteur détermine au fil du temps les tendances et les comportements du trafic dans la zone de couverture définie. Ce mécanisme fournit des informations sur les conditions réelles du trafic de radiocommunication, qui ne pourraient être observées et comprises autrement. Grâce à ces informations disponibles, le réseau de transport peut être étendu et exploité de manière optimale, ce qui réduit encore le niveau de surdimensionnement nécessaire.
Les récompenses du 5G-PPP
Le pilote a été désigné par le 5G Public Private Partnership (5G-PPP) comme l’un des dix meilleurs « modèles » pendant deux années consécutives, en 2020 et en 2021.
- En 2020, le pilote a été reconnu pour avoir démontré le potentiel des réseaux partagés, qui permettent de prendre en charge les applications industrielles soumises à une forte latence. Le défi consistait à définir une solution de transport pour permettre le scénario de transport partagé, tout en préservant l’ensemble des performances de transmission critiques exigées par les différents acteurs verticaux connectés sur le réseau partagé.
- En 2021, le pilote a figuré parmi les 10 premiers de la liste pour la deuxième année consécutive. Cette fois-ci, la motivation était de démontrer le potentiel de l’orchestration de transport de bout-en-bout pour répondre à différents cas d’usage, grâce à l’introduction de la prise en compte du transport dans le processus de séparation en tranches. Concrètement, le domaine de transport pouvait conserver les propriétés d’une ou des tranches de réseau qu'il transportait, sans qu'il soit nécessaire de redimensionner le réseau de transport au pic du trafic radio.
Le 5G-PPP est une initiative codirigée par la Commission européenne et les entreprises du domaine des technologies de l’information et de la communication (ICT), les opérateurs de télécommunications, les fournisseurs d’accès à internet, les PME et les institutions académiques. Le 5G-PPP a pour mission d’explorer l’applicabilité des technologies 5G à des cas d’usage réels à travers différents secteurs verticaux en fournissant « une connectivité omniprésente ultra-rapide, ainsi qu’une prestation de service sans interruption en toutes circonstances ».
Vers des transports entièrement flexibles et programmables (IOWN Global Forum)
Nos recherches sur les transports flexibles et programmables se poursuivent désormais pour la 6G. La prochaine étape sera notre participation à l’Innovative Optical and Wireless Network Global Forum (IOWN GF). L’IOWN GF prône un changement radical des réseaux sans fil et optiques actuels, en s’appuyant sur l’introduction de nouvelles technologies capables de garantir des performances exceptionnelles.
Objectifs de performances de réseaux tout-photoniques
IOWN GF a introduit le concept du réseau tout-photonique, c’est-à-dire un réseau qui intègre les nouvelles technologies optiques à tous les niveaux, les réseaux, les dispositifs, et même à l’intérieur des puces, afin de permettre une très faible consommation d’énergie et un traitement ultra-rapide, ce qui n’était pas possible jusqu’à présent.
Il y a trois objectifs de performance :
- Une amélioration par 100 de l'efficacité énergétique
- Une amélioration par 125 de la capacité de transmission
- Une réduction par 1/200 de la latence end-to-end.
Les réseaux optiques peuvent répondre à des exigences de large bande passante et de faible latence. Pour assurer la QoS de bout-en-bout à moindre coût, il est essentiel d’introduire des éléments de programmabilité dans le segment du transport. Le coût du transport est déterminé par plusieurs éléments, tels que le coût du matériel (nouvelles technologies ou association de technologies existantes pour réduire le coût de l'infrastructure), de l'inventaire et de la configuration. Les équipements doivent donc être prêts à l’emploi et configurables à distance par un orchestrateur de bout-en-bout. Dans cette perspective, l'optique accordable ouvre la voie vers de nouvelles architectures, où le réseau de transport est simplifié et où l'inventaire peut être considérablement réduit.
Nous participerons à l’IOWN GF avec une recherche active, mais nous faisons également parti du conseil et de la direction de l’IOWN GF. Au cours des deux prochaines années, nous présageons de nombreux résultats intéressants à tirer de ce projet, et nous partagerons nos idées et nos expériences au fur et à mesure.
Vous souhaitez en savoir davantage ?
En savoir plus sur la connexion sans-fil où que vous soyez.
Découvrez le network slicing et le transport mobile.
En savoir plus sur les domaines de l'architecture réseau.
