Mer trafikk krever bedre trådløse nettverk

Med 5G-nettet kommer tingenes internett (IoT) for fullt. 5G-nettverk er det nyeste mobilnettet som rulles ut og utrullingen er allerede i gang, selv om det foreløpig ikke er tilgjengelig over hele landet. Telias 5G-nett skal i dag være tilgjengelig for to millioner nordmenn og selskapet lover å ha et landsdekkende 5G-nett klart innen utgangen av 2023.

5G-nettet vil gi helt andre hastigheter på mobilnettet enn det vi har i dag og vil ifølge Telia revolusjonere hverdagen og sentrale funksjoner i samfunnet. Selv med superraske hastigheter, vil det nye nettet by på utfordringer, spesielt fordi stadig flere teknologiske apparater etter hvert krever internettilgang. I motsetning til tidligere generasjoner av mobile nettverk som fokuserte hovedsakelig på HTC, Human-Type Communication, skal 5G-nettet tilkoble en mengde IoT- eller MTC-, Machine-Type Communication-dingser til internett. Når både kjøleskap, lamper og støvsugere utstyres med smartteknologi og kobles til internett, skapes det mye ekstra trafikk og dette stiller store krav til nettet og programvaren.

Massiv trafikk

Et forskerteam ved Universitetet i Agder (UiA) har beregnet hvor stor trafikkmengden på nettet kommer til å bli i fremtiden. Etter de beregningene har de gjennomført beregninger og simuleringer som viser hvordan ulik smartteknologi kan fungere sammen i det nye 5G-nettet. Professor Frank Li, som har ledet arbeidet, forteller at trafikken på det nye 5G-nettet kan bli massiv.

– Vi kan få 1 million eller flere dingser pr. kvadratkilometer koblet til internett. Ikke i dag, men om noen år, sier han.

Med så stor belastning på nettet, tror Li det kan bli en utfordring å få et stabilt nett, og at det må iverksettes noen tiltak.

Li sier han og kollegene har foreslått en løsning for radioaksess slik at enheter med både høy prioritet og lav prioritet kan få tilfredsstillende ytelse med hensyn til gjennomstrømning, pakketap, og forsinkelse. Løsningen vår er tilpasset til 5G NR, New Radionettverk, forteller han.

– Gitt at en stor mengde av dingser er tilkoblet til en felles 5G-nettverk og at forskjellige typer dingser har forskjellige krav om tjenestekvalitet, tror vi dette kan fungere, sier han.

Når mange enheter prøver å få adgang til nettverket samtidig, går noen adgangsforsøk tapt på grunn av begrenset nettverksressurs. For å få det nye 5G-nettverket til å fungere optimalt, bør nettverket ha evne til å predikere trafikkmengden som ankommer om noen sekunder eller millisekunder, og ta hensyn til tjenestekvaliteten de forskjellige enhetene trenger. Da kan nettverket allokere tilstrekkelig ressurser dynamisk og tilfredsstille tjenestekvalitet etter behov, forteller han.

«Grant free»-tilgang

Forskerne har brukt både teoretiske og praktiske analysemetoder for å komme fram til resultatene.

– Arbeidet vårt omfatter stort sett teoretisk analyse og datasimulering. I fremtiden håper at vi kan prøve å implementere løsningen vår på et virkelig nettverk, sier UiA-professoren.

I deres metode legger forskerne vekt på såkalt «grant free» (GF) metode til forskjell fra bevilgningsbaserte mekanismer. Selv om bevilgningsbaserte mekanismer har vært en dominerende tilnærming for trådløs tilgang i årevis, har den ekstra ventetiden som kreves for første handshake-melding og ekstra kontrolloverhead for pakkeoverføringer stimulert fremveksten av «grant free» overføring.

– I motsetning til bevilgningsbaserte mekanismer, kan GF-baserte mekanismer gi nettverksaksess til dingsene uten å verifisere tilgjengelighet av radioressurs, forklarer Li.

Denne fordelen gjelder kun for datapakker som ikke krever store radioressurser, det vil si små datamengder, som er kjennetegn for mIoT/mMTC trafikk. Derfor gir GF-tilgang en lovende mekanisme for å frakte lav og moderat trafikk med små datapakker og passer spesielt godt for massive MTC-applikasjoner. Til tross for en bølge av interesse for GF-tilgang, har ikke håndtering av heterogen massiv MTC-trafikk basert på GF-mekanismer blitt undersøkt i dybden, sier UIA-professoren.

Prioritert GF-tilgangssystem

UIA-forskerne foreslår i studien «Priority Enabled Grant-Free Access With Dynamic Slot Allocation for Heterogeneous MTC Traffic in 5G NR Networks», som er skrevet av Frank Li og hans doktorgradsstipendiat og førsteforfatter Thilina Weerasinghe, et prioritert aktivert GF-tilgangssystem som utfører dynamisk sporallokering i hver nye 5G radiounderramme til enheter med forskjellige prioritetsnivåer på en underramme-for-underramme basis.

Studien, som har blitt kåret til beste forskningsartikkel i 2021 av IEEE Communications Systems Integration and Modeling (CSIM) Technical Committee, var en del av doktorgradsavhandlingen til Thilina Weerasinghe. Han er ansatt ved University of Ruhuna på Sri-Lanka. Forslaget til forskerne innebærer også at trafikk med høy prioritet får tilgangsrettigheter for sporbelegg, mens de gjenværende sporene i samme underramme blir allokert til trafikk med lav prioritet.

– For å evaluere ytelsen til det foreslåtte opplegget utvikler vi en todimensjonal Markov-kjedemodell som integrerer disse to typene trafikk via en pseudo-aggregert prosess, forklarer forskerne i artikkelen.

Videre er modellen validert gjennom simuleringer og ytelsen til ordningen evalueres både analytisk og ved simuleringer og sammenlignes med to andre GF-tilgangsordninger.

Studien er utført ved UiAs Senter for forskningsdrevet innovasjon (SFI) i offshore mekatronikk og artikkelen er publisert i anerkjent forskningstidsskriftet IEEE Transactions on Communications

Betydelig kapasitetsøkning

5G-nettet i Norge bygges ut blant annet av Telia Norge. Henning Huuse, som er leder for forretningsutvikling på 5G i selskapet, forteller hvilke tiltak selskapet gjør for å håndtere den fremtidige trafikkmengden og belastningsproblemene den vil medføre.

– I forbindelse med nettverksoppgraderingen vi nå gjennomfører legger vi til en betydelig kapasitetsøkning i mobilnettet for å møte fremtidens behov, forteller han.

Flere ulike tiltak til bidrar til kapasitetsøkning, ifølge Huuse, som innføring av 5G og New Radio. Dette skal gi betydelig økt kapasitet og mulighet for å støtte en tetthet på opp mot en million oppkoblede enheter per kvadratkilometer.

Telia-representanten forteller videre at selskapet også, i forbindelse med 5G innfører nye frekvensbånd på 700 MHz og 3,7GHz.

– Vi har også slukket 3G-nettet, og frekvensene gjenbrukes av mer effektive teknologier som 4G og 5G. På sikt vil vi benytte frekvenser som i dag benyttes av 4G til 5G, som gir en noe mer effektiv utnyttelse av frekvensressursene. I tillegg oppgraderer vi transmisjonsnettene (fiber og radiolinje) for økt kapasitet og robusthet.

Huuse understreker at antall oppkoblede IoT-enheter foreløpig er langt unna kapasitetsbegrensningene.

– Mange av disse enhetene har dessuten svært lavt databehov. Vi mener det vil ta lang tid før antallet oppkoblede enheter blir en utfordring, sier han.

Flere tiltak

Telia gjør flere tiltak for å håndtere trafikkmengden.

– Vi har lansert private mobilnett, som vil kunne avlaste det nasjonale mobilnettet der det er ekstreme behov for ytelse og kapasitet. Dette kan realiseres på eget spektrum, 3,8-4,2GHz, som lisensieres av kunder eller teleoperatører, forteller han.

Edge computing og smart håndtering av data vil også avlaste og fordele kapasitet i nettet.

Telia tester i tillegg ut 5G på nye frekvenser (mmWave) som ifølge Huuse vil kunne tilføre mer spektrum og håndtere store datamengder på små områder, og om litt vil de kunne tilby skivedeling av 5G-nettet. Dette er en funksjon som vil kunne bidra til å separere trafikk og gi ulike typer trafikk ulik prioritet i nettet.

5G-nettet åpner også for ulike former for differensiering av tjenestekvalitet. Dette kan bidra til å sikre kapasitet til kritisk kommunikasjon dersom nettet skulle gå i metning. Ved behov kan Telia øke kapasiteten i mobilnettet ved å øke tettheten av basestasjoner, forteller Huuse.