Gerência de redes LTE

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1 Gerência de redes LTE Cyntia Yumiko Arakaki, Jadir Antonio da Silva *, Dick Carrillo Melgarejo, Flávia Martinho Ferreira Rocha Este artigo apresenta uma proposta de arquitetura da solução de gerência de rede denominada GW-LTE (Sistema de Gerência Wireless para LTE) para suportar a operação e o gerenciamento remoto dos elementos da rede LTE uma rede de acesso sem fio banda larga multisserviço. Sob a ótica dos conceitos que estão na fronteira do estado da arte para atender a uma grande abrangência de cenários de usuários de serviços móveis banda larga, esta solução tem o objetivo de contribuir para a continuidade e a disponibilidade da entrega dos serviços, de forma eficiente, para diferentes segmentos do setor. O modelo de referência, a concepção da arquitetura e as aplicações de gerência de rede apresentados neste trabalho são baseados em pesquisas de fornecedores de soluções de gerência e nos fóruns de padronização ITU-T, TM Forum e 3GPP. Palavras-chave: Gerência de rede. LTE. Tecnologia de acesso banda larga. Introdução A gerência de rede tem como principal propósito controlar, realizar a manutenção e garantir o funcionamento contínuo da rede e dos elementos que a compõem, assegurando a qualidade e a disponibilidade dos serviços oferecidos aos usuários suportados por essa rede. As tarefas de gerenciamento dos elementos variam de acordo com as operações de gerência envolvidas nas redes gerenciadas. O gerenciamento de elementos da rede LTE (Long Term Evolution) é considerado de alta complexidade por envolver elementos de alta tecnologia com variadas funções e múltiplos procedimentos de operação. A tecnologia LTE é considerada atualmente pelas comunidades científicas a principal solução banda larga móvel rumo à quarta geração (4G) para transmissão de informações (comunicação de voz, dados e vídeo), o que fomenta a nova era de comunicação banda larga móvel. Novas tecnologias geralmente implicam novas técnicas e entidades a serem gerenciadas, bem como novas funcionalidades a serem suportadas pelas aplicações de gerência. Certamente novos desafios tecnológicos serão enfrentados para solucionar a questão de gerenciamento da rede LTE. O desafio tecnológico envolvido no gerenciamento dos elementos da rede banda larga móvel em tempo quase real, suportando banda de dezenas de MHz e com grande número de elementos de rede e UEs (User Equipment) conectados, vem da necessidade de prover qualidade e disponibilidade dos serviços aos usuários finais, numa janela de tempo compatível com sua solicitação. Assim, muitas funcionalidades de gerência deverão ser autonômicas, com mínima intervenção humana. O processamento das informações de gerência, de forma precisa e rápida, será vital para promover a entrega dos serviços com qualidade e dentro de uma janela de tempo adequada aos usuários finais. Diante das necessidades apontadas, este artigo propõe uma arquitetura funcional de gerência dos elementos da rede LTE capaz de suportar os desafios dessa evolução tecnológica com diferenciais associados à gerência autonômica e à gerência de tráfego (ARAKAKI, et al, 2011). Este trabalho está sendo desenvolvido no âmbito do Projeto RASFA Redes de Acesso Sem Fio Avançadas, cujo objetivo é desenvolver uma solução tecnológica de rede de acesso sem fio banda larga multisserviço, baseada em conceitos que estão na fronteira da tecnologia e capaz de atender a uma grande abrangência de cenários de aplicação, contribuindo assim para a expansão das políticas de universalização no Brasil e ampliando a disponibilidade e a eficiência da infraestrutura de comunicações para diferentes segmentos da economia. 1 Sistema LTE O LTE é um sistema de comunicação sem fio para serviços móveis baseado em pacotes (packet switched), que foi especificado pelo 3GPP por meio do Release 8 (3GPP, 2010d). Algumas das características do LTE são alta eficiência espectral e consequente aumento de capacidade de transmissão de dados, menor latência na transferência de dados, maior flexibilidade de uso de espectro com várias opções de largura de banda e esquema de configuração multiantena com possibilidade de até quatro camadas de transmissão tanto para downlink como para uplink. *Autor a quem a correspondência deve ser dirigida: jadir@cpqd.com.br. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 8, n. 2, p , jul./dez. 2012

2 2 Topologia de operação Uma topologia de operação e gerência da rede E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) é apresentada na Figura 1. Nessa topologia, a rede de acesso E-UTRAN (3GPP, 2010d) consiste em enodebs (evolved Node B) (ou estações radiobase) interconectadas entre si através de interface X2 e conectadas à rede núcleo EPC (Evolved Packet Core), composta pelos elementos MME (Mobility Management Entity), S-GW (Serving Gateway) e P-GW (Packet Data Network Gateway), através da interface S1. Os elementos UE representam equipamentos e terminais de usuários de serviços móveis. As células de usuários são áreas de cobertura das enodebs. NOC (Network Operations Center) ou Centro de Suporte às Operações representa o local onde são instalados os sistemas de gerência de rede que suportam a operação e o gerenciamento dos elementos da rede, a rede e os serviços de maneira centralizada. Os clientes Web são clientes dos servidores de sistema de gerência que possibilitam aos operadores e provedores de serviços comodidade e independência de localização física para remotamente realizar atividades de operação e gerenciamento das redes que suportam os serviços dos usuários. 3 Modelo de referência A Figura 2 apresenta um modelo de referência de arquitetura de gerência para suportar a operação e a gerência das redes LTE baseado nos padrões definidos pelo 3GPP (3GPP, 2010b). Neste modelo são identificadas as interfaces e as entidades envolvidas para o provimento de gerência de elemento (EM), gerência de rede (NM) e gerência de serviços (SM). As interfaces são entidades que proveem a comunicação e as trocas de informações de gerência entre sistemas de gerência, entre sistemas de gerência e elementos de rede (NE) de uma mesma organização e entre as diferentes organizações. Os seguintes tipos de interface são suportados no modelo de referência da Figura 2: (1) Interface entre elemento de rede (NE) e gerência de elemento (EM) da organização A; (2) Interface entre gerência de elemento (EM) e gerência de rede (NM) da organização A. A gerência de elemento pode residir no próprio NE. Neste caso, o elemento de rede (NE) tem interface direta com a gerência de rede (NM); (3) Interface entre gerência de rede (NM) e gerência de serviço (SM) da organização A; (4) Interface entre os sistemas de gerência de rede (NM) da organização A; Figura 1 Topologia de operação e gerência da rede E-UTRAN 34 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 8, n. 2, p , jul./dez. 2012

3 (4a) Interface entre os sistemas de gerência de domínio (DM) da organização A; (5) Interface entre sistemas de gerência de serviços (SM) e sistemas de gerência de rede de diferentes organizações (A e B); (5a) Interfaces entre sistemas de gerência de domínio de diferentes organizações (A e B); (6) Interfaces entre os elementos de rede (NE). Pontos de referência de integração (IPRs) podem ser implementados para as interfaces 2 a 5. 4 Modelo de gerência do sistema LTE A Figura 3 apresenta o modelo concebido para a gerência do sistema LTE no âmbito do Projeto RASFA. Os elementos de rede (NE) são as entidades enodeb, UE e EPC. Os sistemas de gerência de elemento de rede (enodebs, UEs e EPC) são integrados aos sistemas de gerência de rede e de serviços. O modelo provê interfaces abertas e padronizadas para integração entre os sistemas de gerência. Figura 2 Modelo de referência de arquitetura de gerência Figura 3 Modelo de gerência do sistema LTE Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 8, n. 2, p , jul./dez

4 5 Concepção da solução de gerência de elemento de rede (enodebs e UEs) A Figura 4 apresenta a solução de gerência, no modelo gerente-agente, concebida para gerenciamento remoto dos elementos da rede LTE (enodebs e UEs) e baseada no modelo de gerência apresentado na Figura 3. Nesse modelo, o agente é a entidade que se comunica com os recursos gerenciados. Ele é responsável pela execução das operações solicitadas pelo gerente sobre os recursos gerenciados, pelo envio das respostas a essas solicitações ao gerente e pela emissão de notificações ao gerente, informando as alterações ocorridas nos recursos gerenciados. Além disso, o agente implementa e mantém os objetos que representam logicamente os recursos reais gerenciados. Esses objetos gerenciados são definidos por atributos (operações a que podem ser submetidos, notificações que podem emitir e por relacionamentos/associações com outros objetos gerenciados). O conjunto de objetos gerenciados, com seus atributos, operações, notificações e associações, constitui a base de informações de gerência (Management Information Base MIB). O gerente, por sua vez, é responsável pela orquestração das atividades de operação e pelo gerenciamento dos objetos através do envio de solicitações ao agente. A comunicação entre gerente e agente para trocas de informações de gerência é realizada através de protocolo de gerência e via rede IP. Não há restrições no uso de perfis de protocolo para a solução concebida. A padronização 3GPP concentra-se na especificação de modelos de informação e permite o mapeamento de vários perfis de protocolos para gerenciamento, tais como: SNMP, SOAP (suportado pelo protocolo TR-069) e XML. A solução concebida considera objetos gerenciados os recursos/componentes dos elementos enodeb e UE da rede LTE. Para suportar a solução concebida, os elementos gerenciados enodeb e UE devem possuir agente. 6 Arquitetura funcional de gerência de elemento de rede A Figura 5 apresenta a arquitetura funcional de gerência concebida para a solução de gerência dos elementos enodebs e UEs, denominada GW-LTE (Sistema de Gerência Wireless para LTE). Figura 4 Solução de gerência de elemento de rede (UEs e enodebs) Figura 5 Arquitetura funcional do sistema GW-LTE 36 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 8, n. 2, p , jul./dez. 2012

5 Essa arquitetura é totalmente modular. A modularidade visa a obtenção da escalabilidade das aplicações e das funcionalidades de gerência e é suportada por interfaces abertas que permitem trocar informações de gerência de maneira estruturada. Além disso, provê suporte à evolução tecnológica. O acesso às informações de gerência e a execução das tarefas de operação podem ser realizados remotamente através da interface Web. O protocolo SNMP é adotado na solução de gerência para trocas de informações entre o sistema de gerência e os elementos da rede LTE. A escolha desse protocolo é por apresentar facilidade de implementação e por ser o protocolo mais empregado nas soluções de gerência (PEREIRA et al., 2011). Os módulos que compõem o sistema GW-LTE são apresentados a seguir. 6.1 Interfaces Interface southbound: SNMP, CLI (SSH,Telnet) e FTP. Interface Web: HTTP/HTTPS. Interface northbound: XML, SNMP ou baseada em arquivos (transferência de arquivo de dados viasecure File Transfer Protocol SFTP). 6.2 Aplicações de gerência Gerência de Falhas Gerência de Desempenho Gerência de Configuração Gerência de Software Gerência de Inventário Gerência de Segurança 6.3 Base de dados Falhas Desempenho Configuração Software Inventário Segurança 6.4 Cliente/Servidor Web As aplicações/funcionalidades de gerência do sistema GW-LTE podem ser acessadas através de um navegador Web. 7 Descrição dos módulos de aplicação de gerência As principais funções desempenhadas pelos módulos de aplicação de gerência são descritas nesta seção. São funções que suportam grande parte das atividades de operação e manutenção de redes LTE. 7.1 Gerência de Falhas Realiza a supervisão de alarmes dos recursos gerenciados e identifica as falhas nos recursos, provendo informações relacionadas a: grau de severidade, causa provável e localização das falhas. Também provê informações para realização de diagnóstico e eliminação de falhas. As principais funcionalidades deste módulo são: a) tratamento de traps SNMP notificados pelos agentes dos elementos de rede, identificando os alarmes ocorridos nos recursos associados; b) navegador de alarmes e eventos: trata-se de uma ferramenta de visualização de alarmes e eventos, integrada aos mapas da rede. Permite a utilização de filtros para a visualização dos alarmes e eventos e suporta a realização das operações mais comuns do processo de gerenciamento de alarmes (reconhecimento, normalização e exclusão de alarmes e eventos); c) propagação de eventos: possibilita a notificação de eventos da rede e do próprio sistema de gerência a entidades externas, através de envio de e/ou trap SNMP; d) log de alarmes e eventos: registra todos os alarmes e eventos recebidos da rede e do próprio sistema de gerência em base de dados, com data/hora de ocorrência. 7.2 Gerência de Desempenho A principal tarefa deste módulo é a monitoração de desempenho dos elementos da rede em tempo quase real, através da configuração e execução de coleta de dados e do processamento dos dados coletados, refletindo o desempenho dos recursos gerenciados através de parâmetros de desempenho. As principais funcionalidades deste módulo são: a) configuração da coleta de dados de desempenho; b) coleta de dados de desempenho nos agentes dos elementos de rede; c) tratamento de dados de desempenho; d) configuração de limiares de desempenho; e) detecção de violação de limiares de desempenho; f) geração de alarmes de violação de Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 8, n. 2, p , jul./dez

6 limiares de desempenho e eventos de degradação de desempenho; g) visualização gráfica de dados de desempenho correntes e históricos dos elementos de rede. 7.3 Gerência de Configuração Responsável pela configuração dos recursos gerenciados da rede, pela monitoração e pelo controle do estado dos recursos gerenciados. As principais funcionalidades deste módulo são: a) configuração de elementos de rede; b) sincronização de dados de configuração e de alarmes entre a base de dados do sistema de gerência e a base de informações de gerência (MIB) dos agentes do elemento de rede; c) visão topológica da rede: mapa de rede estruturado por domínios administrativos, tecnológicos e geográficos, provendo o mapeamento de cada um dos elementos descobertos nos domínios configurados pelo usuário; d) configuração massiva de elementos de rede. 7.4 Gerência de Segurança Realiza as tarefas de supervisão de segurança dos elementos da rede, provendo suporte a detecção e proteção contra ameaças internas ou externas, acidentais ou maliciosas (destrutivas e fraudulentas) na operação e manutenção dos elementos da rede. Realiza o controle de acesso através de funções de autenticação e autorização, impedindo o acesso não autorizado a quaisquer entidades, como, por exemplo, elementos da rede e sistemas e aplicações de gerência. As principais funcionalidades deste módulo são: a) cadastro de usuários do sistema; b) controle de acesso ao sistema; c) auditoria de operações realizadas pelos usuários do sistema. 7.5 Gerência de Inventário Este módulo se destina ao gerenciamento dos recursos estáticos, como, por exemplo, as unidades de hardware (HW) dos elementos da rede. Oferece subsídios ao planejamento, à operação/manutenção da rede e ao gerenciamento da força de trabalho, principalmente ao prover acesso remoto às informações de dados estáticos dos elementos da rede. As principais funcionalidades deste módulo são: a) descoberta automática dos elementos na rede; b) cadastro de elementos de rede. 7.6 Gerência de Software Responsável pelo controle das versões de software (SW) e firmware (FW) dos dispositivos que constituem os elementos de rede e pela atualização e ativação de SW e FW nesses dispositivos. As principais funcionalidades deste módulo são: a) atualização de SW e FW de elementos de rede; b) ativação de SW e FW de elementos de rede. 7.7 Relatórios Responsável pela geração de relatórios específicos de cada módulo de aplicação de gerência. Os seguintes relatórios são disponibilizados pelo sistema: a) relatórios de histórico de alarmes e eventos; b) relatórios de desempenho; c) relatório de inventário de equipamentos; d) relatórios de auditoria de operações realizadas pelos usuários do sistema. 8 Gerência Autonômica Conceitos de SON (Self-Organizing Networks) para a rede E-UTRAN foram introduzidos pelo 3GPP (Release 8) e envolvem a automatização de processos de configuração e otimização (selfconfiguration e self-optimization) (3GPP, 2010d). Especificamente com relação aos processos de autoconfiguração, as funções de descoberta automática, cadastro de elementos de rede e atualização de SW e FW dos elementos de rede são suportadas pelos seguintes módulos de aplicação do sistema GW-LTE: Gerência de Configuração, Gerência de Inventário e Gerência de Software. Ainda no âmbito de processos de autoconfiguração, a função ANR (Automatic Neighbour Relation) (3GPP, 2010d) implementada nas enodebs provê o gerenciamento automático da lista de células vizinhas desses elementos. A função ANR também permite o gerenciamento da lista de células vizinhas por um sistema de gerência. A Figura 6 apresenta a respectiva arquitetura funcional do GW-LTE, agregando elementos que constituem um diferencial à solução de gerência GW-LTE (ARAKAKI, et al., 2011). A função é composta dos seguintes blocos funcionais: a) Recepção de NRs (Neighbour Relations): responsável pela recepção e pelo envio de informações de células vizinhas recebidas de enodebs ao módulo de processamento de NRs; 38 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 8, n. 2, p , jul./dez. 2012

7 Figura 6 Arquitetura funcional para gerenciamento de NRs de enodebs b) Processamento de NRs: processa as informações de células vizinhas de enodebs e as armazena na base de dados do sistema. Classifica as células em habilitadas (whilelist) e não habilitadas (blacklist), de modo que sejam célulasalvo em procedimentos de handover; c) Configuração de NRs: permite adição, remoção e alteração de células e dados de células vizinhas armazenadas na base de dados. Permite ainda o envio de informações de células vizinhas atualizadas pelo usuário do sistema de gerência às enodebs; d) Base de informação de NRs: base de dados de células vizinhas de enodebs. A comunicação entre o gerente_enb_arn e o agente_enb_arn é realizada através de protocolo de gerência SNMP. 9 Gerência de Tráfego A Gerência de Tráfego suporta a monitoração e o controle de tráfego da rede LTE, com o objetivo de solucionar de forma quase on-line problemas de congestionamento que podem afetar o desempenho da rede e, consequentemente, a qualidade dos serviços providos aos usuários. O módulo de aplicação Gerência de Tráfego é outro diferencial da solução de gerência GW-LTE e é constituído das seguintes funcionalidades (ARAKAKI, et al., 2011): a) Monitoração de tráfego de setores: suporta a análise específica de setores de enodebs, permitindo a identificação de: saturação da capacidade de setores a partir da monitoração de tráfego em tempo real (throughput) no uplink e no downlink; principais ofensores de capacidade de setores (saturação no uplink e no downlink); UEs registrados; UEs com maior tráfego; setores que não apresentam eficiência no uso da modulação adaptativa no uplink e no downlink. b) Controle de tráfego: responsável pela aplicação de um conjunto de regras para controle de tráfego de usuários, de forma a otimizar o desempenho do setor. A aplicação de regras é baseada na análise dos setores de estações radiobase, que é suportada pela funcionalidade Monitoração de tráfego de setores. Para a aplicação de regras, o módulo dispõe de interfaces para integração com entidades da arquitetura PCC (Policy and Charging Control) (3GPP, 2010a), tais como: SPR (Subscription Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 8, n. 2, p , jul./dez

8 Profile Repository) e PCRF (Policy and Charging Rule Function). Conclusão Neste artigo foi apresentada uma solução de arquitetura funcional de gerência que contempla os módulos de aplicação de um sistema de gerência de elemento de rede para suportar a operação e o gerenciamento dos elementos da rede de acesso do sistema LTE. A abrangência das aplicações de gerência da solução apresentada segue as recomendações dos principais órgãos internacionais de padronização no escopo de gerência de elemento de rede e de rede de telecomunicações: 3GPP, ITU-T e TM Forum. Já os módulos de aplicação Gerência Autonômica e Gerência de Tráfego constituem os diferenciais da solução apresentada. A gerência autonômica agiliza processos e minimiza os custos operacionais da rede por meio da redução e eliminação de configuração manual de parâmetros operacionais da rede por ocasião de seu planejamento, implantação, operação e otimização. A gerência de tráfego auxilia a otimização do desempenho da rede móvel, que se apresenta cada vez mais complexa em função da diversidade de serviços e da crescente demanda de usuários. Vale observar que as funcionalidades de gerência que suportam os módulos de aplicação de gerência são dependentes dos reference designs adotados na solução do projeto de desenvolvimento dos equipamentos enodeb e UE e, principalmente, da implementação do software do agente, uma vez que os agentes refletem as capacidades de gerência suportadas pelos elementos do sistema LTE. Considerando as características modular e escalável da arquitetura de gerência concebida, novas funcionalidades e módulos de aplicação de gerência podem ser incorporados à solução, tornando-se fator relevante para suportar e permitir a monitoração de novos serviços de novas tecnologias de redes em constante evolução. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio dado a este trabalho, desenvolvido no âmbito do Projeto RASFA Redes de Acesso Sem Fio Avançadas, que contou com recursos do Fundo para o Desenvolvimento Tecnológico das Telecomunicações (FUNTTEL), do Ministério das Comunicações, através do convênio n o com a Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP). Referências 3rd GENERATION PARTNERSHIP PROJECT (3GPP). 3GPP TS ( ): Technical Security Management concept and requirements (Release 8). V a.. 3GPP TS : Technical Performance Management (PM); Concept and requirements (Release 8). V b.. 3GPP TS : Technical Aspects;Telecommunication management; Configuration Management (CM); Concept and high-level requirements (Release 8). V c.. 3GPP TS : Technical Configuration Management (CM); Generic network resources Integration Reference Point (IRP); Requirements (Release 8). V d.. 3GPP TS : Technical Inventory Management (IM); Requirements (Release 8). V e.. 3GPP TS : Technical Inventory Management (IM) network resources Integration Reference Point (IRP); Network Resource Model (NRM) (Release 8). V f.. 3GPP TS : Technical Fault Management; Part 1: 3G fault management requirements (Release 8). V a.. 3GPP TS : Technical Architecture (Release 8). V b.. 3GPP TS : Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); LTE; Policy and charging control architecture (Release 8). V a.. 3GPP TS : Technical Aspects;Telecommunication management; Principles and high level requirements (Release 8). V b. 40 Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 8, n. 2, p , jul./dez. 2012

9 . 3GPP TS : Technical Software Management (SwM); Concepts and Integration Reference Point (IRP) requirements (Release 8). V c.. 3GPP TS : Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E- UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2 (Release 8). V d. ARAKAKI, C. Y. Especificação de Requisitos do Sistema de Gerência de Elemento de Rede LTE. Código do documento. Campinas: CPqD, maio (Relatório técnico). ARAKAKI, C. Y. et al. Monitoração tecnológica em redes LTE Monitoramento de Oportunidades de Inovação em Redes LTE. PD.30.RA.A A/RT-04-AA. Campinas: CPqD, abr (Relatório técnico). INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION/TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR (ITU-T). Recommendation M.3010: Principles for a Abstract telecommunications management network. 2000a.. Recommendation M.3400: TMN management functions. 2000b.. Recommendation X.731: Information technology - Open Systems Interconnection - Systems Management: State management function. 1992a. Recommendation X.733: Information technology - Open Systems Interconnection - Systems Management: Alarm reporting function. 1992b.. Recommendation M : Security for the management plane: Security requirements TM FORUM. Business Process Framework (etom): GB921 Concepts and Principles. Release 8.1, Version 8.5, Mar Guide to Applying the Business Process Framework: GB921 Addendum G. Release 8.1. Version Apr PEREIRA, L. C. P. et al. Missão Índia Visita aos Fornecedores de Tecnologia LTE (Visão Sistêmica). PD.30.RA.A A/RT-07-AA. Campinas: CPqD, jan (Relatório técnico). This article presents the network management architecture to support the operation and remote management of the LTE network elements. From the perspective of the concepts that are on the border of technical state to meet a wide range of user scenarios of mobile broadband, this solution aims to contribute to the continued availability of an efficient service delivery to different segments of the economy. The reference model, architecture and network management applications are based on researching of solutions suppliers and standardization forums as ITU-T, TM Forum and 3GPP. Key words: Network Management. LTE-Advanced. Wireless broadband access technologies. Cad. CPqD Tecnologia, Campinas, v. 8, n. 2, p , jul./dez