Zautomatyzowane wdrażanie usługi telefonii protokołu internetowego na bezzałogowych statkach powietrznych z wykorzystaniem wirtualizacji funkcji sieciowych
26 listopada 2019
Cel opisanego protokołu jest dwojaki: skonfigurować środowisko wirtualizacji funkcji sieciowych za pomocą bezzałogowych statków powietrznych jako jednostek obliczeniowych dostarczających podstawową strukturę do wykonywania zwirtualizowanych funkcji sieciowych i wykorzystać to środowisko do wsparcia automatycznego wdrażania funkcjonalnej usługi telefonii protokołu internetowego nad statkami powietrznymi.
Protokół ten może pomóc w zautomatyzowanym wdrażaniu usług telekomunikacyjnych za pośrednictwem ograniczonych urządzeń, takich jak usługa telefoniczna świadczona za pośrednictwem sieci powietrznej bezzałogowych statków powietrznych. Zaletą tego rozwiązania jest to, że ułatwia szybkie wdrażanie usług na ograniczonych obszarach geograficznych, dla których infrastruktura komunikacyjna może być niedostępna lub niewystarczająca. Protokół ten został zdefiniowany w obszarze badań nad sieciami komórkowymi trzeciej generacji i opiera się na najnowocześniejszych technologiach wykorzystania normalnych funkcji.
Metoda ta została zademonstrowana przy użyciu zaawansowanych prototypów dostępnych w 5TONIC, europejskim wiodącym laboratorium w dziedzinie 5G, ale można ją zademonstrować również bez naszych wirtualnych systemów 5G. Aby zweryfikować poprawność konfiguracji platformy chmurowej UAV, przejdź do zakładki Administrator, System, Informacje o systemie, korzystając z odpowiednich danych logowania i kliknij w sekcjach Usługa obliczeniowa i Agent sieciowy, aby sprawdzić, czy stan wyświetlanych elementów jest aktualny. Aby skonfigurować eksperyment, pobierz z repozytorium eksperymentu obrazy VNF, które implementują różne składniki usługi telefonii IP.
Aby przesłać obrazy VNF do odpowiadającego im VIM, kliknij przycisk Create Image (Utwórz obraz) i utwórz obraz za pomocą wyświetlonego formularza. Po przesłaniu obrazów dla każdego odpowiadającego im VIM-a pobierz deskryptory VNF eksperymentu z repozytorium eksperymentów i zaloguj się do graficznego interfejsu użytkownika OSM przy użyciu poświadczeń administratora. Przeciągnij i upuść deskryptory na kartę Pakiety VNF.
Następnie pobierz NSD z repozytorium eksperymentu i przeciągnij i upuść NSD na zakładkę Pakiety NS w graficznym interfejsie użytkownika OSM. Aby dodać konto VIM dla karty VIM platformy chmurowej UAV i dla podstawowej platformy chmurowej VIM, na karcie Konta VIM kliknij opcję plus Nowy VIM i wypełnij wyświetlony formularz, podając wymagane informacje dla obu VIM-ów. Aby zainicjować eksperyment, uzyskaj dostęp do interfejsu wiersza poleceń OSM i wdróż usługę sieciową.
Wpisz polecenie, aby uruchomić usługę sieciową, w interfejsie wiersza polecenia, określając kontroler VIM, który będzie używany do hostowania każdej funkcji VNF. Gdy graficzny interfejs użytkownika OSM wskaże pomyślne wdrożenie usługi sieciowej, włącz UAV i zaloguj się do aplikacji sterowania lotem UAV. Następnie kontroluj lot każdego UAV, aby stabilnie utrzymać pojazd na średniej wysokości i uniknąć turbulencji spowodowanych obrotem silników w pobliżu powierzchni.
Aby przygotować telefon IP do przeprowadzenia połączenia, podłącz bezprzewodowy telefon głosowy przez IP do jednego z punktów dostępowych oferowanych przez usługę sieciową. Następnie kliknij Zaawansowane i TCP/IP i sprawdź, czy adresy IP i routera są poprawnie skonfigurowane. Aby umożliwić odpowiednią wymianę komunikatów sygnalizacyjnych z serwerem telefonii IP, otwórz aplikację i kliknij Asystent, a następnie użyj konta SIP, aby utworzyć konto użytkownika.
Następnie określ nazwę hosta serwera telefonii IP, VNF. Jeśli korzystasz z przenośnego telefonu głosowego przez IP, wykonaj czynności podobne do tych, które właśnie pokazano. Aby utworzyć wpis w książce telefonicznej IP, kliknij przycisk Opcje i wprowadź adres lub numer telefonu w oknie.
Gdy w eksperymencie uczestnicy połączenia zostaną przedstawieni w odpowiednich lokalizacjach, jeden z użytkowników może zainicjować połączenie telefonii IP. Aby zainicjować połączenie z drugą stroną, naciśnij przycisk Połącz. Gdy drugi telefon IP zacznie dzwonić, użyj przycisku Połącz, aby odebrać połączenie przychodzące.
Aby zebrać wyniki eksperymentu, podłącz zwykły laptop do jednego z bezprzewodowych punktów dostępowych i uruchom narzędzie wiersza poleceń ping na adres IP, z którym telefon łączył się z drugim punktem dostępowym przez 180 sekund. Po nawiązaniu połączenia z punktem dostępowym sprawdź połączenie IP z telefonem IP i zapisz pomiary czasu podróży w obie strony. Aby przechwycić ruch wymieniany podczas wywołania IP, uruchom narzędzie wiersza poleceń zrzutu TCP w jednej z uruchomionych funkcji VNF punktu dostępu i zapisz ten ruch w pliku, włączając flagę zapisu narzędzia wiersza poleceń w czasie wykonywania i określając nazwę pliku.
Następnie wykonaj nowe połączenie telefonii IP i utrzymuj połączenie przez określony czas przed zakończeniem połączenia. W tym przypadku dane z rzeczywistego połączenia głosowego przez IP pokazują skumulowaną funkcję dystrybucji opóźnienia typu end-to-end mierzonego między dwoma elementami wyposażenia użytkownika końcowego. W tej analizie ponad 80% pomiarów opóźnień typu end-to-end było poniżej 60 milisekund i żaden z pomiarów nie był wyższy niż 140 milisekund, co gwarantuje odpowiednie wskaźniki opóźnienia dla wykonania połączenia głosowego.
W tym miejscu wymiana komunikatów sygnalizacyjnych DNS i SIP jest zilustrowana komunikatami odpowiadającymi rejestracji jednego z użytkowników na serwerze telefonii IP i nawiązaniu połączenia głosowego. Na tym reprezentatywnym wykresie ruchu danych przechwyconego podczas połączenia pokazany jest stały strumień pakietów głosowych wysyłanych i odbieranych przez jeden z telefonów bezprzewodowych podczas połączenia. Na tym wykresie można zaobserwować fluktuacje w kierunku do przodu ruchu danych, ze średnią wartością mniejszą niż 1 milisekunda.
Podczas odtwarzania tego protokołu ważne jest, aby wziąć pod uwagę wykorzystanie komputerów jednoportowych do uruchamiania kontenerów wirtualizacji. Protokół ten może być potencjalnie używany w innych środowiskach, w których mogą być dostępne urządzenia o ograniczonych zasobach, na przykład w środowiskach północno-wschodnich. Jeśli w protokole znajduje się eksperymentator procedury lotu, należy przestrzegać odpowiednich środków bezpieczeństwa i odpowiedniego oświadczenia regulacyjnego.
Przegląd
Niniejszy protokół opisuje konfigurację środowiska wirtualizacji funkcji sieciowych z wykorzystaniem bezzałogowych statków powietrznych (UAV), w celu wsparcia zautomatyzowanego wdrożenia usługi telefonii IP. Przedstawia on sposób, w jaki UAV mogą zapewniać usługi telekomunikacyjne na obszarach pozbawionych odpowiedniej infrastruktury.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Telekomunikacja
- Wirtualizacja funkcji sieciowych
- Bezzałogowe statki powietrzne
Wstęp
- Protokół odpowiada na potrzebę szybkiego wdrażania usług w środowiskach o ograniczonych zasobach.
- Jest on istotny dla trzeciej generacji sieci mobilnych.
- Wykorzystuje najnowocześniejsze technologie wirtualizacji.
- Zdemonstrowano go w 5TONIC, wiodącym laboratorium 5G.
Cel badania
- Konfiguracja środowiska wirtualizacji funkcji sieciowych opartego na bezzałogowych statkach powietrznych (UAV).
- Automatyzacja wdrażania usług telefonii IP.
- Walidacja wydajności usług telekomunikacyjnych w ograniczonych obszarach geograficznych.
Zastosowane metody
- Konfiguracja chmurowej platformy UAV i weryfikacja jej stanu.
- Pobieranie i przesyłanie obrazów oraz deskryptorów VNF.
- Wdrażanie usług sieciowych za pomocą interfejsu wiersza poleceń OSM.
- Monitorowanie i przechwytywanie ruchu podczas połączeń telefonicznych VoIP.
Główne wyniki
- Skuteczne wdrożenie usług telefonii IP za pośrednictwem UAV.
- Zmierzone opóźnienia end-to-end poniżej 60 milisekund dla ponad 80% połączeń.
- Analiza ruchu wykazała niskie wartości jittera podczas połączeń.
- Wykazano możliwość wykorzystania UAV do telekomunikacji w środowiskach o ograniczonych zasobach.
Wnioski
- Protokół ten skutecznie wspiera wdrażanie usług telekomunikacyjnych z wykorzystaniem UAV.
- Można go dostosować do użytku w różnych środowiskach o ograniczonych zasobach.
- Przyszłe zastosowania mogą wykraczać poza obecne układy eksperymentalne.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejszy protokół demonstruje, w jaki sposób bezzałogowe statki powietrzne mogą służyć jako wdrażalne platformy obliczeniowe dla wirtualizacji funkcji sieciowych, umożliwiając szybką konfigurację usług telekomunikacyjnych w scenariuszach z ograniczoną infrastrukturą. Podejście to wspiera predykcyjną walidację niezawodności komunikacji w środowiskach o ograniczonych zasobach, co ma zastosowanie w działaniach ratunkowych oraz operacjach zdalnych. Zapewnia ono mechanistyczne ramy minimalizacji ryzyka w celu oceny wydajności usług głosowych w czasie rzeczywistym przy zmiennych warunkach sieciowych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wstępna faza odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia testowanie hipotez dotyczących niezawodności komunikacji jako zmiennej funkcjonalnej w rozproszonych biologicznych systemach monitorowania.
- Wartość operacyjna: Dostarcza powtarzalną metodę izolacji zmiennych zależnych od sieci, które wpływają na wierność transmisji danych w czasie rzeczywistym.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Wspiera przygotowanie zestandaryzowanych, mierzalnych punktów końcowych komunikacji w celu walidacji systemów analiz zależnych od telemetrii.
- Wartość operacyjna: Dostarcza mierzalne wyniki, takie jak opóźnienie end-to-end oraz jitter, aby ocenić gotowość platformy do ciągłego przesyłania danych o biomarkerach.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ułatwia ciągłość translacyjną poprzez zapewnienie niezawodnych łączy dowodzenia i kontroli pomiędzy stacjami naziemnymi a powietrznymi platformami pobierania próbek w przedklinicznych badaniach terenowych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia podejmowanie decyzji o dalszym rozwoju w oparciu o analizę ryzyka poprzez kwantyfikację progów opóźnień w komunikacji, które są krytyczne dla badań nad interwencjami wrażliwymi na czas.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z procesami badawczymi, w których niezawodna komunikacja o niskich opóźnieniach jest niezbędna do koordynacji rozproszonych systemów eksperymentalnych, szczególnie w mobilnych lub zdalnych warunkach przedklinicznych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących wpływów środowiskowych na integralność transmisji sygnałów w sieciach czujników lotniczych.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowość analizy poprzez weryfikację stabilności sieci i ilościowych mierników wydajności przed wdrożeniem platform przesiewowych zależnych od telemetrii.
- Analityka: Zapewnia pomiary opóźnienia końcowego (end-to-end) i jittera, które umożliwiają obiektywne porównanie jakości łącza komunikacyjnego w różnych warunkach lotu.
- Badania translacyjne: Łączy walidację komunikacji w fazie odkrycia z ciągłością przedkliniczną poprzez weryfikację niezawodności łącza sterującego w czasie rzeczywistym dla systemów lotniczego gromadzenia danych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia możliwość wielokrotnego wykorzystania w celu szybkiego wdrażania doraźnych sieci komunikacyjnych w różnych terenowych miejscach badań.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Przewidywalność niezawodności łącza danych w czasie rzeczywistym, redukcja zmienności eksperymentalnej wynikającej z komunikacji.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja procedur wdrożeniowych, powtarzalność walidacji wydajności sieci, skalowalność w obrębie wielu węzłów UAV.
- Wartość strategiczna: Lepsze podejmowanie decyzji o wdrożeniu w terenie w oparciu o zwalidowane progi komunikacyjne, zmniejszone ryzyko utraty danych w badaniach zdalnych.
- Wpływ na portfolio: Dostosowana do ryzyka priorytetyzacja technologii wdrażalnych w terenie na podstawie udowodnionej niezawodności komunikacji w środowiskach ograniczeń.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymagana wiedza specjalistyczna w zakresie wirtualizacji funkcji sieciowych, operacji lotniczych UAV oraz konfiguracji telefonii IP.
- Konieczność zastosowania lekkich komputerów jednopłytkowych, punktów dostępu bezprzewodowego oraz otwartoźródłowego oprogramowania do orkiestracji (OSM).
- Wymagana standaryzacja międzyzespołowa pomiędzy zespołami operacji lotniczych, inżynierii sieci oraz pozyskiwania danych.
- Rozważania dotyczące adaptacji obejmują zmienną ładowność UAV, czas trwania lotu oraz wpływ zakłóceń środowiskowych na propagację sygnału.
- Ograniczenia praktyczne obejmują zależność od widoczności optycznej (line-of-sight) dla optymalnej wydajności sieci bezprzewodowej oraz ograniczenia regulacyjne dotyczące wysokości lotu UAV i wykorzystania częstotliwości.
