Kärntner Fog
Eine 5G-fähige Infrastruktur für den automatisierten Betrieb der Kärntner 5G Playground Use Cases
Die letzten Jahre haben nicht nur einen exponentiellen Anstieg in der Benutzung latenzempfindlicher Anwendungen gebracht, sondern auch den Siegeszug der Mobilfunknetztechnologien von 1G bis 5G. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, ist 5G Playground Carinthia eine offene und kooperative Testumgebung für eine neue Generation von Anwendungsfällen, die durch die Einführung von 5G-Technologien ermöglicht wurden. Die Use Cases nutzen die Verbesserungen auf der Funkseite (z.B. höherer Durchsatz) sowie die Änderungen in der Architektur der Rand- und Kernnetzwerke. Die derzeit aktiven Anwendungsfälle sind Kommunikation in Drohnenschwärmen, Drahtlose Industrierobotik, Smart Cities und Virtuelle Realitäten. Solche verteilten Anwendungen haben das Potenzial, viele mobile Teilnehmer anzulocken, die über Smartphones, Drohnen oder Roboter oder ein spezielles Endgerät aus dem Internet der Dinge (IoT) eine Verbindung herstellen und insgesamt riesige Datenmengen generieren. Das Speichern und Verarbeiten dieser Daten in Echtzeit ist wichtig, um die benötigte Servicequalität der verteilten Anwendungen sicherzustellen und eine zufriedenstellende Endbenutzererfahrung zu gewährleisten.
Die herkömmliche Lösung für dieses Problem besteht darin, die Arbeitslast in ein Cloud- Rechenzentrum zu verlagern, welches On-Demand-Rechenpower und -Speicher bietet. Leider sind die Latenzen zu den Cloud-Rechenzentren zu hoch für die Versprechungen der 5G-Technologie. Diese verspricht eine äußerst zuverlässige Kommunikation bei einer geringen Latenz von 1 bis 4 ms auf der Benutzerebene sowie ein erweitertes mobiles Breitbandnetzwerk. Hingegen messen die Partner derzeit eine höhere Latenz von 5 bis 7 ms für die Exoscale Cloud. Momentan gibt es weder im 5GPlayground noch in ganz Kärnten ein Rechenzentrum mit einer überzeugenden Verbindung zu einem Telekommunikationsnetzwerk, um anspruchsvolle 5G-Anwendungen zu unterstützen.
Darüber hinaus ist die Bereitstellung von Ressourcen für die Anwendungsfälle, aufgrund des Mangels an Geräten im 5G-Playground, noch immer ein mühsamer und zeitaufwändiger manueller Prozess.
Beispielsweise erfordert die Smart City-Anwendung eine Unterscheidung zwischen latenzkritischen Aufgaben, wie dem Routing von Autos oder Fußgängern, und latenzzulässigen Aufgaben, wie der Lokalisierung von freien oder belegten Parkplätzen. Darüber hinaus ermöglicht das Verschieben kritischer Workloads auf die drahtlosen Geräte selbst (z.B. Router) eine wichtige Datenvorverarbeitung, wodurch der Verkehr auf der Funkschnittstelle verringert wird. Fehlen solch weiterentwickelte Middleware-Dienste, die übergeordnete und genau definierte („standardisierte“) Schnittstellen bereitstellen, bietet jede Anwendung ihre eigenen Ad-hoc-Lösungen für diese Probleme an. Dies macht den gesamten Entwicklungsaufwand im 5G-Playground zerstreut, oft überflüssig, ineffizient und kostspielig. Ein solch manueller Ansatz lässt sich ganz offensichtlich nicht mit der langfristigen Vision von Millionen miteinander verbundener IoT-Geräte skalieren – eine zugrundeliegende automatisierte Ressourcenzuteilung und Bereitstellung der Anwendungen ist daher notwendig.
Das Konzept des Fog-Computing dezentralisiert den Cloud-Hotspot am Rande des Netzwerks, indem die neue Generation von rechen- und energieeffizienten sowie mobilen Edge-Geräten genutzt wird. Zu diesen Geräten zählen z.B. Router, Routing-Switches, Multiplexer und andere integrierte Netzwerkgeräte. Solche Edge-Geräte dringen derzeit in die 5G-Netzwerkdomäne ein und stellen eine attraktive Alternative zum Auslagern von Datenvorverarbeitungs- und Berechnungsaufgaben der End- IoT-Geräte dar, bei der die Kommunikationslatenzen gemäß 5G-Standards niedrig gehalten werden. Als Folge von Anwendungsanforderungen in einer verteilten Fog-Umgebung ist die Verwaltung heterogener 5G-Edge-Geräte leider noch immer ein manueller Prozess, bei dem es an automatisierter Middleware-Unterstützung für allgemeine Vorgänge wie Ressourcenbereitstellung, Überwachung und Leistungsanpassung mangelt. Während Cloud Computing diese Lücke durch fortschrittliche Middleware-Technologien wie Virtualisierung und skalierbare Dienste (z. B. OpenStack) schließen konnte, befindet sich Fog Computing noch in einem Anfangsstadium, in dem eine ähnliche automatisierte Unterstützung fehlt.
Das vorgeschlagene Projekt sieht vor, diesen schwerwiegenden Nachteil des 5G-Playgrounds durch die Erforschung und Entwicklung einer neuen Infrastruktur zur Bereitstellung von Ressourcen zu beheben, die auf dem dezentralen Fog- Computing-Paradigma basiert und die 5G-Anforderungen seiner Anwendungen hosten und erfüllen kann. Kärntner Fog wird eine Reihe fortschrittlicher Middleware-Services auf hoher Ebene bereitstellen, um die Entwicklung und den Betrieb von mobilen und kostengünstigen Anwendungen für eine Vielzahl von Ressourcen mit verbesserter Effizienz und weniger redundanter Arbeit zu unterstützen.
Die erwarteten Ergebnisse des Projekts sind
- Eine Testumgebung und Infrastruktur zum Hosten der 5G-Playground-Anwendungen, die aus folgender Kombination von Geräten besteht:
- Von ONDA bereitgestellte 5G-Edge-Geräte erweitern das 5G-Playground um neuartige moderne Geräte, die endbenutzerfreundlich sind und eine Kommunikation und Berechnung mit geringer Latenz über sehr heterogene Infrastrukturen ermöglichen.
- Das von ITEC an der AAU bereitgestellte private Cloud ergänzt die 5G-Edge-Geräte um Hochleistungsressourcen. Der Standort des Rechenzentrums in unmittelbarer Nähe der Lakeside Science and Technology Park GmbH, in der sich der 5GPlayground befindet, soll die Kommunikationslatenz auf unter 3 ms reduzieren und eine 5G-konforme Berechnung und Use-Case-Einschätzung für eine Vielzahl heterogener Geräte ermöglichen.
- Eine Reihe integrierter Middleware-Dienste, die als mobile Apps auf jedem Gerät installiert werden können, um den Betrieb der 5G-Playground-Anwendungen zu automatisieren. Diese umfassen:
- Benchmarks zum Verständnis der Leistung, des Energieverbrauchs und der Mobilität von Geräten in der 5G-Playground-Infrastruktur, die für die Formulierung von Off-Loading- Empfehlungen erforderlich sind.
- Überwachungssystem für Datenerfassung, Vorverarbeitung, Speicherung und Analyse mit geringem Overhead, welches für die Erkennung und Beseitigung von Engpässen zuständig ist, die aus der dynamischen Verfügbarkeit von Ressourcen, der Mobilität der Benutzer, und der geforderten 5G-Leistungsmerkmale entstehen.
- Leistungsgestaltung mithilfe intelligenter Techniken des maschinellen Lernens zum Verstehen, Modellieren und Vorhersagen der Leistungs-, Energie- und Mobilitätsanforderungen der Anwendungen, die auf der 5G-Playground-Infrastruktur ausgeführt werden.
- Microservice-Bewertung durch sich anpassende Bereitstellung von Containerinstanzen mit geeigneten Rechen- und Speicherfunktionen auf Infrastrukturgeräten, unter Berücksichtigung ihrer dynamischen 5G-Netzwerkeigenschaften und Mobilitätsanforderungen.
- Testen, Integrieren und Validieren der 5G-Playground Anwendungen auf der bereitgestellten Infrastruktur mit Schwerpunkt auf Smart City und Virtuelle Realität.
Partner
Institut für Informationstechnologie (ITEC)
Alpen-Adria-Universität (AAU)
Universitätsstraße 65-67, 9020 Klagenfurt am Wörthersee
T: +43 473 2700-3603 / -3602 /-3635
ONDA TLC GmbH
Lakeside Science & Technology Park B07, 9020 Klagenfurt am Wörthersee
T: +43 463 218013
Ansprechpartner
Univ.-Prof. DI Dr. Radu Prodan
E:radu.prodan@aau.at
Renato Tomasini
E:renato@ondatlc.com