MEC em redes 5G

De acordo com [55], o 5G possui trˆes caracter´ısticas que n˜ao foram vistas em ge-ra¸c˜oes anteriores. A primeira diz respeito `a quantidade expressiva de dados que ser˜ao gerados, uma vez que o n´umero de usu´arios utilizando dispositivos m´oveis ´e cada vez maior, contribuindo para redes ultra densas capazes de gerar um crescimento de dados.

Como segundo item, s˜ao citados os requisitos rigorosos de qualidade de servi¸cos (QoS) im-postos para atender aplica¸c˜oes altamente interativas, necessitando de latˆencia ultra baixa e alta vaz˜ao. Por fim, como terceira caracter´ıstica, deve ser poss´ıvel suportar ambientes heterogˆeneos para permitir interoperabilidade de uma variedade de UEs, como

smartpho-nes e tablets, requisitos de QoS com diferentes n´ıveis de latˆencia e vaz˜ao para aplica¸c˜oes de multim´ıdia, tipos de redes, entre outros.

Com as defini¸c˜oes de caracter´ısticas estabelecidos pela quinta gera¸c˜ao de redes m´ o-veis, a MEC aparece como arquitetura capaz de suprir essas necessidades, trazendo os n´os de processamento computacional mais pr´oximos de onde os dados surgem. As espe-cifica¸c˜oes determinadas pelo 3GPP para as redes 5G possuem integra¸c˜ao com o MEC, sendo pe¸ca fundamental para o desenvolvimento da nova gera¸c˜ao que ´e baseada em ser-vi¸cos. ´E importante destacar que a tecnologia MEC n˜ao ´e limitada ao 5G e sim uma das funcionalidades para torn´a-lo poss´ıvel [41].

Entendendo a espera pelo crescimento de tr´afego de dados em redes 5G e sua integra¸c˜ao com o MEC, os dados podem ser classificados quanto ao tempo de acesso a fim de compreender a criticidade das tarefas computacionais que precisam ser executadas na borda da rede. A classifica¸c˜ao segue da seguinte forma [55]:

• Dados estritamente em tempo real (Hard real-time): possuem latˆencia pr´e-definida, como aplica¸c˜oes de streaming de v´ıdeo, jogos e servi¸cos de sa´ude.

• Dados em tempo real (Soft real-time): possuem latˆencia pr´e-definida, mas s˜ao ca-pazes de tolerar uma quantia razo´avel de atraso como aplica¸c˜oes de sinaliza¸c˜ao de controle de tr´afego.

• Dados em tempo n˜ao real (Non-real-time): n˜ao ´e sens´ıvel ao tempo e pode tolerar latˆencia.

A arquitetura deedge computing ´e prevista para atender aplica¸c˜oes e servi¸cos com dados estritamente em tempo real utilizando servidores de borda devido `a proximidade dos UEs, levando a uma redu¸c˜ao significativa de latˆencia. Para dados em tempo real, as aplica¸c˜oes e servi¸cos podem ser tratadas por servidores de borda, no caso de ter atraso maior que o suportado de resposta entre os UEs e a nuvem. E para aplica¸c˜oes e servi¸cos com dados em tempo n˜ao real, as tarefas podem ser executadas na nuvem para balancea-mento de carga [55]. Deixa-se claro, assim, que a computa¸c˜ao em borda vai coexistir com a nuvem.

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4.7.1 Integra¸ c˜ ao MEC e 5G

As especifica¸c˜oes das redes 5G e sua arquitetura baseada em servi¸cos (SBA - Ser-vice Based Architecture) potencializam as intera¸c˜oes entre diferentes fun¸c˜oes de redes, tendo como suporte a virtualiza¸c˜ao e redes definidas por software, que foram conceitos explicados no Cap´ıtulo 3. Essas caracter´ısticas tamb´em s˜ao compartilhadas pelas espe-cifica¸c˜oes MEC, possibilitando que tantos os sistemas MEC e 5G interajam de forma colaborativa no roteamento de tr´afego e controle de pol´ıticas [72]. Consequentemente, cria-se um ambiente poderoso para a computa¸c˜ao na borda.

A arquitetura projetada para o sistema 5G permite atender uma variedade de

servi-¸cos desde o uso massivo de dispositivos de IoT at´e os de miss˜ao cr´ıtica, como por exemplo, cirurgia remota e ve´ıculos autˆonomos. Por conta dessa diversidade de possibilidades para o uso de servi¸cos atrav´es do 5G, mudan¸cas foram necess´arias na arquitetura tanto para a rede de acesso (RAN) como para o n´ucleo (5G Core). De acordo com [72], uma das mudan¸cas significativas foi realizada no modo em que as comunica¸c˜oes entre as fun¸c˜oes de n´ucleo de rede ocorrem, que at´e agora dependeu do paradigma de arquitetura ponto a ponto. No sistema 5G, existem duas op¸c˜oes dispon´ıveis: uma com os pontos de referˆencia com abordagem por interface e outra com fun¸c˜oes de n´ucleo de rede que interagem atrav´es da arquitetura baseada em servi¸cos.

A arquitetura de integra¸c˜ao entre o MEC e 5G ´e baseada em servi¸cos. No SBA, existem fun¸c˜oes que consomem servi¸cos e outras que produzem. Na Figura 4.6, ´e exposta a arquitetura da integra¸c˜ao entre MEC e a rede de n´ucleo 5G, sendo essa ´ultima j´a vista e explicada pela Se¸c˜ao 2.5.3. A rede de n´ucleo 5G seleciona o UPF mais pr´oximo ao UE e executa o direcionamento para a rede MEC pela interface N6 [73]. O UPF possui papel fundamental na integra¸c˜ao entre as arquiteturas MEC e 5G, pois podem ser vistos como os elementos distribu´ıdos e de plano de dados (user plane) configur´aveis na perspectiva do sistema MEC [72].

E desej´´ avel, ent˜ao, que o UPF seja implementado em conjunto com o sistema MEC, onde esse estiver fisicamente, para permitir agilidade na transferˆencia de dados para as aplica¸c˜oes MEC. Dessa forma, em algumas implementa¸c˜oes espec´ıficas, o UPF faz parte da implementa¸c˜ao MEC [72]. E o plano de controle desse plano de dados e a configura¸c˜oes de regras de tr´afego seguem a rota NEF-PCF-SMF, pois o NEF exp˜oe os servi¸cos das fun¸c˜oes da rede 5G para as entidades externas, o PCF configura regras de

direcionamento de tr´afego e o SMF realiza o gerenciamento da se¸c˜ao do usu´ario.

Figura 4.6: Arquitetura integrada entre MEC e 5G [72].

O AMF, que ´e o elemento que lida com os procedimentos de mobilidade, na ar-quitetura SBA ´e o respons´avel por prover comunica¸c˜ao e servi¸cos de acessibilidade para outras fun¸c˜oes de rede. O SMF, com fun¸c˜oes principais relacionadas a gerenciamento da sess˜ao como aloca¸c˜ao de endere¸co IP e servi¸cos DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), lida tamb´em com a sele¸c˜ao/re-sele¸c˜ao e controle do UPF, configurando regras de tr´afego para ele. Dessa forma, o SMF exp˜oe opera¸c˜oes de servi¸co a fim de permitir o MEC como uma aplica¸c˜ao 5G (5G AF) para gerenciar sess˜oes de PDU (Protocol Data Unit) e controlar as configura¸c˜oes de pol´ıticas e tr´afego [72].

4.7.2 Cen´ arios de implementa¸ c˜ ao MEC integrados ao 5G

Existem diferentes cen´arios poss´ıveis para implementar a localiza¸c˜ao f´ısica da ar-quitetura MEC integrados ao 5G. Logicamente, s˜ao implementados na borda ou em redes centrais de dados e o UPF ´e o respons´avel por direcionar o tr´afego do plano de usu´ario atrav´es das aplica¸c˜oes MEC alvos. A localiza¸c˜ao f´ısica ´e uma escolha dos operadores de rede que devem levar em conta parˆametros t´ecnicos e de neg´ocios como recursos dispon´ı-veis, aplica¸c˜oes e requisitos suportados, entre outros. A Figura 4.7, evidencia as op¸c˜oes existentes, trazidas pelo [72], para posicionar fisicamente a localiza¸c˜ao do MEC. S˜ao elas:

1. MEC e UPF local colocados junto a esta¸c˜ao base.

2. MEC colocada com um n´o de transmiss˜ao, possivelmente com UPF local.

43 3. MEC e UPF local colocados com ponto de agrega¸c˜ao de rede.

4. MEC colocado com as fun¸c˜oes de n´ucleo de rede.

Os cen´arios expostos demonstram a flexibilidade da arquitetura MEC, que permite ser implementada em diversas localidades f´ısicas, desde pr´oximos a esta¸c˜oes base at´e em redes de dados centrais, tendo sempre em comum o uso de UPF local.

Figura 4.7: Cen´arios de implementa¸c˜ao MEC integrados ao 5G [72].