Zpráva o realizaci pracoviště pro výuku moderních 5G mobilních technologií umožňující virtualizaci a vzdálený přístup

- 2 - CÍLE REALIZACE PRACOVIŠŤ Hlavním cílem bylo vytvoření unikátního pracoviště pro výuku 5G mobilních technologií, které by studentům i vyučujícím umožnilo virtualizaci dílčích komponent architektury moderních bezdrátových systémů. Díky tomu bylo možné během online či blended výuky vzdáleně přistupovat k pracovišti a realizovat na něm praktické ukázky jednotlivých technologií či provádět simulace vybraných aplikačních scénářů. Studenti vybraných bakalářských, magisterských či doktorských předmětů tak získají (vzdálený) přístup k vysoce modernímu technickému vybavení, na kterém budou moci realizovat praktickou výuku či svoje individuální projekty a závěrečné práce. Díky integrovaným prvkům virtualizace umožňuje vytvořené pracoviště současné připojení více uživatelů – studentů či vyučujících a každý tak může vykonávat samostatné úkoly spojené s výukou 5G technologií na FEKT VUT v Brně (např. analýza chování koncových zařízení v mobilní 5G síti, konfigurace síťových prvků, vývoj a implemenetace vlastních 5G aplikací a služeb, testování bezpečnostních pravidel a další). Aktuálně jsou mobilní sítě 5G implementovány ve dvou hlavních režimech nasazení: (i) NSA (NonStandAlone) a (ii) SA (StandAlone). Oba režimy nasazení využívají základnové stanice 5G, které poskytují RAN páté generace. Rozdíl mezi nasazením v režimu NSA a SA spočívá především v použité generaci technologií na straně jádra sítě. U NSA architektury se kombinuje RAN (Radio Access Network) páté generace s jádrem čtvrté generace (EPC (Evolved Packet Core)), zatímco u architektury SA je rádiová přístupová síť páté generace připojena na jádro sítě páté generace tj., NextGeneration Core (5GC). Integrace mobilní privátní sítě 5G v plnohodnotném režimu SA dle 3GPP vydání č.15 byla na VUT v Brně realizována v laboratoři #VodafoneUniLab, tj., laboratoř SC5.35 v budově Technická 12. Hlavní motivací bylo integrování 5G v režimu SA, k již existující infrastruktuře 5G v režimu NSA (Non StandAlone). Nevýhodou 5G NSA je fakt, že přestože je v rádiové přístupové části sítě možné využívat 5G terminály (koncové zařízení), tak se tyto zařízení následně připojují do „core“ části mobilní sítě, která v případě 5G NSA využívá LTE (4G). Není tedy možné dosažení deklarovaných přenosových rychlostí jako v případě 5G SA (ať již ve směru Uplink a Downlink) a zejména není možné dosáhnout snížení komunikačního zpoždění, které je pro většinu komunikačních scénářů využívajících 5G mobilní sítě naprosto klíčové. Integrace privátní 5G SA rádiové části mobilní sítě v rámci laboratoře #VodafoneUnilab byla provedena v kooperaci s mobilním telekomunikačním operátorem Vodafone Česká republika, kdy byla dodána 5G SA technologie od společnosti Nokia. Popis klíčových komunikačních scénářů, které integrace privátní 5G SA mobilní sítě v rámci laboratoře #VodafoneUniLab umožňuje, je uveden níže: • eMBB (Enhanced Mobile Broadband): vylepšené mobilní vysokorychlostní připojení, navazuje na mobilní připojení přes sítě 4G a přináší oproti nim především navýšení přenosových rychlostí a snížení zpoždění. Požadavky na teoretické přenosové rychlosti v rámci eMBB jsou 20 Gbit/s ve směru downlink a 10 Gbit/s ve směru uplink. Těchto přenosových parametrů by mělo být dosaženo za ideálních podmínek, předpokládající využití všech prostředků sítě pro jeden terminál. Za stejných podmínek se očekává dosažení spektrální efektivity až 30 b/s/Hz pro downlink při 8 streamech a 15 b/s/Hz pro uplink při 4 streamech. V rámci eMBB se očekává - 3 - zpoždění 4 ms. Minimální požadavky na přenosové rychlosti v rámci uživatelského zážitku jsou 100 Mbit/s ve směru downlink a 50 Mbit/s ve směru uplink. • uRLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications): spolehlivá komunikace s velmi nízkou odezvou, jedná se o scénář použití, kde je hlavním cílem dosažení co nejnižší odezvy, konkrétně do 1 ms. Dalším požadavkem v rámci uRLLC je velmi vysoká spolehlivost 99,9999 %. uRLLC se uplatní v průmyslové automatizaci, autonomním řízení vozidel a u kritických aplikací, vyžadujících nejvyšší spolehlivost. • mMTC (Massive Machine Type Communications): mMTC značí masivní komunikaci typu M2M (Machine to Machine). Jedná se o scénář použití pro velké množství zařízení nenáročných na spotřebu, týkajících se oblastí jako je IoT (Internet of Things), IIoT (Industrial IoT) a IoE (Internet of Everything). U těchto zařízení se očekává spotřeba, která jim umožní výdrž na baterii až 10 let. Mezi tyto zařízení patří například senzory a monitorovací systémy v rámci chytrých měst (Smart Cities) či inteligentních sítí (Smart Grids). Požadavek na hustotu konektivity pro mMTC je 1 milion zařízení na čtvereční kilometr. Pro bezdrátový přenos dat v rámci integrované rádiové části privátní 5G SA mobilní sítě je vyhrazeno frekvenční spektrum o šířce 100 MHz v tzv. frekvenčním pásmu C (frekvenční rozsah 3,4 GHz – 3,8 GHz). Ilustrace aktuálně využívaných frekvenčních pásem v ČR je uvedena na Obrázek 1. Obrázek 1: Vizualizace přidělených frekvenčních pásem pro jednotlivé operátory v ČR. Integrovaná a ověřená privátní 5G StandAlone mobilní síť v laboratoři #VodafoneUniLab na Ústavu telekomunikací VUT FEKT v Brně bude sloužit pro potřeby výuky předmětů Komunikační systémy pro IoT (BPC-IOT, BKC-IOT, MPC-IOT), Mobile Network Communication Systems (MPA-KPM, MKAKPM) a Next-generation of Wireless Networks (DPA-NWN, DKA-NWN). Klíčovým benefitem je možnost využití předpřipravených testovacích scénářů pro eMBB, uRLLC či mMTC a zejména testování nově nastupující komunikační technologie, což studentům výše uvedených - 4 - předmětu v bakalářském, magisterském a doktorském studijním programu poskytne výhodu při uplatnění na trhu práce v oblasti telekomunikací. Dále pak bude laboratoř sloužit jako unikátní platforma umožňující porovnání tzv. legacy komunikačních technologií (4G, 5G NSA) s aktuálně nasazovanými technologiemi (5G SA, privátní 5G SA). Tohoto faktu bude využito při přípravě témat pro bakalářské, magisterské či doktorské závěrečné práce. POPIS REALIZACE Realizace privátní 5G SA mobilní sítě v laboratoři T12, SC5.35 probíhala v rámci následujících kroků: • Poptávka a nákup vybavení pracoviště (07/2022-05/2024): v rámci tohoto bodu proběhly jednání s mobilními operátory (Vodafone Česká republika, O2 Česká republika a T-Mobile Česká republika) a také s dodavateli hardware, tj., Ericsson Česká republika a Nokia Finsko. Výstupem bylo specifikování technických požadavků na komunikační infrastrukturu a vypsání veřejného výběrového řízení. • Přizpůsobení laboratoře a potřebné infrastruktury, instalace pořízeného vybavení (07/202205/2024: v rámci tohoto bodu probíhala diskuze ohledně typu privátní 5G SA mobilní sítě, kdy bylo rozhodnuto, že RAN část mobilní sítě bude fyzicky umístěna v laboratoři T12, SC5.35 a core části 5G SA sítě bude umístěna v dedikované serverovně operátora Vodafone Česká republika v Praze. Propojení mezi core a RAN částí je realizováno 10Gb/s dedikovaným optickým vláknem, které je zakončeno v technické místnosti na FSI. Dále je pak v rámci interní sítě mezi FSI a FEKT realizováno nové dedikované spojení se zakončením v laboratoři #VodafoneUniLab, viz obrázky infrastruktury níže. • Popis nového pracoviště, zaškolení vyučujících, zkušební provoz (10/2023-06/2024): byla provedena instalace, konfigurace a otestování privátní 5G SA mobilní sítě. Následně bylo provedeno školení pracovníků Ústavu telekomunikací (10.6.2024, viz doložená prezenční listina). Integrovaná a ověřená privátní 5G StandAlone mobilní síť v laboratoři #VodafoneUniLab na Ústavu telekomunikací VUT FEKT v Brně bude sloužit pro potřeby výuky předmětů Komunikační systémy pro IoT (BPC-IOT, BKC-IOT, MPC-IOT), Mobile Network Communication Systems (MPA-KPM, MKAKPM) a Next-generation of Wireless Networks (DPA-NWN, DKA-NWN) od začátku akademického roku 2024/2025. Pro účely výuky byly již také v rámci přípravných aktivit vytvořeny testovací kity, viz sekce „Fotodokumentace“. - 5 - ZÁVĚREČNÉ SHRNUTÍ Byla provedena realizace privátní 5G SA mobilní sítě v rámci laboratoře T12, SC5.35 (#VodafoneUnilab), kdy bylo dosaženo vytvoření unikátní a v rámci České republiky prvotní instalace privátní 5G SA spolu s 5G NSA, což poskytuje možnosti jak pro výuku, kdy bude možné studentům prakticky demonstrovat výhody nově nastupujících 5G+ sítí pro scénáře eMBB, uRLLC a mMTC. Vybavení bude také využito při vypracování témat pro bakalářské, magisterské či doktorské závěrečné práce. - 6 - FOTODOKUMENTACE Z REALIZACE Obrázek 2: Ukázka propojení komunikační infrastrukuty mezi FSI a FEKT (UTKO). - 7 - Obrázek 3: realizovaná instalace privátní 5G SA mobilní sítě. - 8 - Obrázek 4: Otestování přenosových rychlostí privátní 5G SA mobilní sítě ze strany koncového terminálu.