Open Service Management & Orchestration: un nuovo paradigma per la gestione automatizzata delle reti mobili
Simone Bizzarri, Maurizio Fodrini, Francesco Mauro, Alessandro Verdolini
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Open Service Management
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La sfida evolutiva della rete di accesso radiomobile è garantire l’elevata flessibilità richiesta dall’evoluzione dei servizi, anche associati a prestazioni elevate in termini di velocità e latenza, in un contesto di traffico crescente e di complessità di rete dovuta sia alle differenti tecnologie dispiegate, sia alla presenza di più vendor di rete. L’evoluzione delle reti verso il 5G ha fatto emergere nuovi modelli architetturali dei sistemi di gestione che sono sempre più orientati all’automazione delle prestazioni (SON) ed alla orchestrazione automatica dei processi, proposti sia negli enti di standardizzazione (3GPP ed O-RAN), sia in vari progetti di ricerca. In tale contesto la standardizzazione e l’automazione dei processi di gestione costituiscono un elemento chiave per affrontare e vincere tale sfida. Da questo punto di vista, TIM è attiva nel contesto internazionale per promuovere lo sviluppo di un eco-sistema aperto che ha denominato Open Service Management and Orchestration Framework (Open SMO Framework), che trae spunto dalla definizione di SMO in ambito O-RAN, per l’automazione e l’orchestrazione dei processi di gestione e l’ottimizzazione della rete di accesso radiomobile. In quest’ambito, TIM ha aderito da inizio 2021 all'iniziativa Europea per lo sviluppo di un ecosistema per soluzioni Open RAN, siglando un Memorandum of Understanding (MoU) con i principali operatori europei (MoU G5 [10] con Deutsche Telekom, Orange, Telefónica e Vodafone, vedi url sotto). Si tratta di una piattaforma software aperta, modulare e nativamente cloud-ready che nasce dal connubio tra una esperienza pluri-decennale nello sviluppo di sistemi a supporto del network management1 [2, 3] e dalla profonda conoscenza delle tecnologie software abilitanti all’introduzione dell’orchestrazione automatica dei processi di gestione, degli aspetti di ottimizzazione delle prestazioni di rete tramite algoritmi (ad es. basati su AI/ML) e degli standard, in cui TIM partecipa attivamente da anni [11]. In questo contesto, TIM dispone di un patrimonio brevettuale di oltre 50 brevetti su Self Organizing Network (SON) e Radio Resource Management (RRM). La piattaforma Open SMO è sviluppata, inoltre, secondo le stringenti policies di cyber-security previste dalla normativa di riferimento e necessarie per operare nell’attuale contesto di minacce globali. Tale piattaforma ha lo scopo sia di gestire ed ottimizzare le prestazioni delle reti attualmente in campo, per le diverse tecnologie 2G, 4G e 5G2, e quelle che si aggiungeranno a breve termine (trasformazione verso Open-RAN) e a medio/lungo termine (6G). L’Open SMO Framework sfrutta paradigmi open source (quali ad es. ONAP3, https://www.onap.org) con l’utilizzo e l’integrazione di moduli e tecnologie disponibili, con una Architettura “Service Based” (SBA)4 e lo sviluppo di algoritmi innovativi, al fine di consentire la gestione end-to-end e l’orchestrazione automatizzata delle reti esistenti e future. Il tutto allo scopo di rispondere ai requisiti di flessibilità, legato alla necessità di dover gestire processi di network management molto diversi tra loro e l’integrazione di nuovi moduli funzionali di rete (ad es. di Open RAN), di robustezza, soprattutto per quanto concerne i cambiamenti lato rete, di scalabilità e automazione spinta, sia a livello di orchestrazione, sia di algoritmi di ottimizzazione. In un mercato ormai maturo come quello italiano, caratterizzato da un gran numero di competitor, oltre agli aspetti già analizzati, l’approccio consente anche un cambio di paradigma nella gestione delle reti di accesso mobile, trasformando l’approccio puramente competitivo, caratterizzato da investimenti difficilmente sostenibili per progetti di medio-lungo termine come l’estensione del 5G e l’evoluzione O-RAN e 6G, in uno basato anche sulla cooperazione (si parla di coopetition). Le strategie di coopetition sfruttano una collaborazione di intenti/obiettivi/risorse tra aziende normalmente concorrenti, al fine di ottenere vantaggi comuni (ad es. condividendo costi comuni o garantendo economie di scala), mantenendo la competizione su parti specifiche e differenzianti. Si tratta di fatto di un’estensione di collaborazioni in realtà già in essere da anni tra operatori (ad es. sullo sharing passivo dell’infrastruttura), ma che necessita di essere estesa anche sul piano innovativo e degli investimenti (come ad es. nei piani infrastrutturali del PNRR che richiedono la collaborazione tra soggetti diversi). In questo paradigma la realizzazione di “Software as a Service” (SaaS), sviluppato secondo logiche di multi-tenancy5, può mettere a disposizione dello sviluppo sostenibile dell’ecosistema nazionale processi automatizzati di gestione cooperativi e sistemi software di supporto. In particolare l’Open SMO Framework consente un accesso alla rete, controllato e supervisionato, sia all’operatore (in particolare TIM, con la sua articolazione interna che evolve verso funzioni di Rete, funzioni Enterprise e funzioni Consumer e prevede anche la presenza nel mercato brasiliano), ma anche ad enti/compagnie esterne (università, fornitori, ...), mettendo a disposizione informazioni di rete e consentendo lo sviluppo di specifiche funzionalità di gestione e/o algoritmi di ottimizzazione (ad es. basate su AI/ML) garantendo una gestione flessibile, un miglior utilizzo e riuso delle risorse computazionali, e micro-servizi condivisi tra tutte le applicazioni, favorendone una alta integrabilità. Tale approccio, basato su framework open-source e non su prodotti chiusi, può essere esteso anche alla collaborazione con altri operatori, pur nel mantenimento dei processi, delle particolarità operative e della separazione dei dati finalizzati alla competizione commerciale. L’ambizione dell’Open SMO Framework è quella di assicurare non solo tali aspetti funzionali e architetturali dei sistemi di gestione, ma anche di creare un polo di competenza aperto, che possa diventare un riferimento per il controllo, la gestione e l’orchestrazione delle reti radio, al livello nazionale ed europeo.
L’Open SMO Framework è realizzato come insieme di moduli funzionali basati su tecnologia open source a partire da una piattaforma cloud di sviluppo e integrazione sviluppata internamente, detta TIMatom. Le principali funzionalità di SMO (ad es. Service Orchestrator, Analytics, Network Data Model, ecc.) e le funzionalità di ottimizzazione (ad es. basate su tecnologia AI/ML) sono sviluppate direttamente dall’operatore all’interno del Framework, oggi valorizzando gli asset “unici” esistenti in TIM relativamente alla gestione dell’accesso mobile.
TIMatom è una piattaforma cloud nel dominio e sotto il controllo dell’operatore, in grado di ospitare applicazioni a micro-servizi6, a partire dalle misure di Performance Management e dati di Configuration Management, e che garantisce un approccio unificato alla cybersecurity, un’unica gestione flessibile e snella, un miglior utilizzo e riuso delle risorse computazionali e micro-servizi disponibili a tutte le applicazioni, favorendo una alta integrabilità. L’approccio architetturale dell’Open SMO, rappresentato in Fig.1, abilita la gestione dei dispiegamenti 3GPP RAN attuali, richiedendo sempre più ai fornitori di rete la massima aderenza con le interfacce e i servizi standard, e le successive estensioni previste dall’architettura O-RAN, sia in termini di elementi di rete che di interfacce di gestione. In particolare, prevede:
Figura 1: Architettura dell’Open SMO Framework con “API exposure” verso l’esterno
Le funzionalità di SMO si compongono di tutti i sistemi di gestione e orchestrazione attualmente disponibili per i processi di Network provisioning, Performance Analysis, Network Design and Creation. L’approccio a micro-servizi permette, in ambito SMO, di valorizzare le funzionalità a supporto dei processi di gestione sviluppate in TIM nel corso degli anni, integrandole in un framework basato su SW open source. Tra i principali moduli funzionali dell’architettura troviamo:
L’utilizzo di workflow automatizzati e lo sviluppo di algoritmi basati su AI/ML rendono necessaria all’interno del Framework Open SMO una piattaforma (CI/CD) di Continuous Integration/Continuous Deployment (che prevede l’introduzione dell’automazione nelle varie fasi di distribuzione e deployment continui) con approccio MLOps12, in grado cioè di gestire i continui feedback da parte delle operations e di automatizzare la gestione di tutte le fasi del ciclo di vita di tali algoritmi quali, ad esempio: lo sviluppo, il test, il rilascio, il deployment, ... (vedi approfondimento Operations). L’automazione di tali operazioni facilita l’apertura del Framework alle collaborazioni esterne (ad es. su tematiche di ottimizzazione) mediante l’utilizzo della Sandbox, garantendo così lo sviluppo orchestrato di soluzioni innovative che potranno essere direttamente integrate nei processi di gestione. Le funzionalità dello SMO sono esposte mediante API (“API exposure”) verso sistemi esterni ed in particolare verso soluzioni di orchestrazione end-to-end che abilitano il coordinamento con i domini di Core Network e Trasporto, anche per la definizione di istanze di “Network Slicing” dedicate a specifici servizi.
L’utilizzo dell’Open SMO Framework garantisce il miglioramento dei processi di automazione, il disaccoppiamento dal layer di rete e la gestione dei workflow, assicurando un’elevata configurabilità e abilitando modalità di intervento semi-automatico, automatico o autonomo. Questo approccio è abilitato dall’integrazione di nuove funzionalità e algoritmi che sfruttano soluzioni AI/ ML [4]. L’applicazione di tecnologie di Quantum Computing [5] abiliteranno un incremento dell’efficienza e della velocità computazionale a supporto della realizzazione di un efficace “digital twin” della rete per il controllo e la configurazione in real-time. L’Open SMO Framework può essere utilizzato per soluzioni di efficientamento energetico e di garantire il controllo della rete per tutte le applicazioni basate su tecnologia 5G, quali smart cities, industry, health, ... Come descritto in precedenza, uno degli obiettivi dell’Open SMO Framework è quello di consentire l’accesso anche nell’ambito di collaborazioni esterne a TIM. In quest’ottica, il Framework, mostrato in Fig.2, è utilizzato:
Figura 2: Approccio collaborativo del Framework Open SMO
TIM utilizza la piattaforma Open SMO Framework per la gestione e orchestrazione della rete di accesso mobile (RAN), una piattaforma aperta e modulare sviluppata nativamente in cloud considerando stringenti policy di cyber security, che fonda le sue radici su un’esperienza pluri-decennale nello sviluppo di sistemi software dedicati all’accesso radio, in grado di gestire sia le reti di accesso mobile attualmente dispiegate che le f uture reti Open RAN. Tale piattaforma garantisce il miglioramento dei processi di automazione, il disaccoppiamento dal layer di rete e la gestione dei workflow, assicurando un’elevata configurabilità e abilitando modalità di intervento semi-automatico, automatico o autonomo. Questo approccio integra nuove funzionalità e algoritmi che sfruttano soluzioni AI/ML e di Quantum Computing a supporto dello sviluppo di un efficace “digital twin” della rete per il controllo e la configurazione in real-time. Open SMO Framework abilita inoltre soluzioni di efficientamento energetico e garantisce il controllo della rete per tutte le applicazioni basate su tecnologia 5G, quali smart cities, industry, health, ... Infine, per le sue caratteristiche di apertura e flessibilità tale Framework, potenzialmente aperto all’ecosistema nazionale, è utilizzato come soluzione trasversale all’interno di TIM, e supporta progetti di ricerca innovativi in collaborazione con università italiane ed altri partner industriali.
(1) Alcuni esempi sono: Configuration Management, Performance Management, Network Design and Network provisioning
(2) TIM nel 2022 ha completato in tutta Italia lo spegnimento della tecnologia 3G sulla rete mobile (3G witch-off, dismissione rete mobile), riducendo la complessità di rete e focalizzandosi sulle tecnologie più efficienti e performanti in termini energetici e di qualità del servizio
(3) ONAP è un framework software open source che fornisce una piattaforma completa per l’orchestrazione, la gestione e l’automazione in tempo reale basata su policy delle funzioni di rete fisiche e virtuali per una rapida automazione di nuovi servizi e una gestione completa del loro ciclo di vita
(4) Nell’ambito dei sistemi di gestione, la Service Based Archtiecture (SBA) è un paradigma basato sulla sola definizione di componenti del servizio di gestione (MnS – Management Service) per abilitare interazioni di tipo consumatore/produttore attraverso interfacce standard, superando l’architettura basate su reference point costituita da Element Manager (EM) and Network Manager (NM) monolitici
(5) Multi-tenancy è il concetto che definisce un’architettura multi-tenant, in cui una singola istanza di un’applicazione software serve più utenti o, più precisamente, viene usata da più fruitori (chiamati appunto tenant). I prodotti Software-as-a-Service (SaaS) sono un esempio di architettura multi-tenant
(6) La piattaforma TIMatom è basata su Kubernetes (https://kubernetes.io/it/), talvolta abbreviato con K8s, un sistema open-source per la gestione e l’orchestrazione di container che fornisce un’ampia gamma di funzionalità per la gestione dei container, tra cui la distribuzione, la scalabilità automatica, il bilanciamento del carico, il ripristino da guasti, la gestione delle risorse e la gestione dei volumi di storage. Kubernetes è stato originariamente sviluppato da Google, ma ora è ospitato e gestito dalla Cloud Native Computing Foundation (CNCF). Questa piattaforma si sposa perfettamente con un’architettura a micro-servizi, composta da un insieme di servizi indipendenti e autonomi che collaborano tra loro per fornire funzionalità complete all’utente finale. In questo tipo di architettura ogni servizio è progettato per svolgere una funzione specifica e limitata, ed è sviluppato, distribuito e gestito in modo indipendente dagli altri servizi del sistema
(7) TIMqual è il sistema attuale a supporto dell’orchestrazione dei processi di network creation, radio design e ottimizzazione della rete di accesso mobile di TIM. I principali servizi offerti dalla piattaforma sono il Data Management, l’Optimization e il Provisioning. TIMqual interagisce sia con i sistemi del dominio RAN Automation, sia con gli altri domini TIM al fine di garantire allineamento dei dati e automazione dei processi
(8) Il “digital twin” della rete d’accesso implementa una replica virtuale della rete stessa che permette di monitorare, simulare e governare il suo comportamento in real time, dalla fase di progettazione a quella della gestione ottimizzata (basata su AI/ML) prevedendone l’evoluzione realistica
(9) TIM è attiva nell’evoluzione delle metodologie di controllo dell’esposizione ai campi elettromagnetici e negli anni ha sviluppato opportuni strumenti per le relative valutazioni, sia interne in fase simulativa (applicativo GUARDIAN), sia per le analisi di conformità (applicativo ARPIE) utilizzate anche verso l’esterno (ad es. verso le ARPA regionali)
(10) In informatica, la “Sandbox” è un ambiente di esecuzione isolato e controllato all’interno del quale le applicazioni possono essere eseguite senza poter accedere alle risorse del sistema operativo ospite. Definisce pertanto un meccanismo di sicurezza che limita l’accesso dell’applicazione ai file, alle cartelle, alle librerie e ai database, proteggendo così il sistema operativo ospite dalle applicazioni potenzialmente dannose o non attendibili. Abilita quindi un ambiente di test in cui gli utilizzatori possono provare le caratteristiche di un software o di un’applicazione in modo veloce e sicuro
(11) La funzionalità MDT, definita a livello di standard 3GPP per le differenti tecnologie di accesso radio [8, 9], è basata sul servizio di tracing management e prevede la registrazione ed il successivo invio delle misure radio effettuate dal terminale mobile ai nodi di rete secondo una modalità a campagna con l’impostazione della durata della raccolta e dell’area geografica interessata; insieme alle misure vengano riportate anche le coordinate, se disponibili. Queste funzionalità, attualmente in campo sia per i dispiegamenti Ericsson che quelli Nokia, forniscono indicazioni sulla qualità della rete (evitando le costose misurazioni dei drive test tradizionali) e sono utilizzate per l’evoluzione delle metodologie di progettazione ed ottimizzazione (mediante applicazioni di tecniche AI/ML) della rete di accesso mobile [6, 7]
(12) MLOps è una pratica di ingegneria del ML che mira a unificare lo sviluppo e il funzionamento del sistema di ML, supportando l’automazione e il monitoraggio in tutte le fasi della creazione dei sistemi ML, inclusi l’integrazione, i test, il rilascio, il deployment e la gestione dell’infrastruttura
2G 2nd Generation Cellular Network
3GPP 3rd Generation Partnership Project
5G 5th Generation Cellular Network
6G 6th Generation Cellular Network
ACM Automatic Configuration Management
AI Artificial Intelligence
API Application Programming Interface
ARPA Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale
ARPIE Average Radiated Power In the Environment
CCO Coverage and Capacity Optimization
CI/CD Continuous Integration/Continuous Deployment
CNCF Cloud Native Computing Foundation
CU Central Unit
DU Distributed Unit
ERIS Enhanced Reinforcement learning for Innovating Self organizing networks
EGMF Exposure Governance Management Function
EM Element Manager
HCM Hybrid Cloud Manager
HOO Hand Over Optimization
HW Hardware
IN Industrial Network
GUARDIAN Graphical User Application for the RaDiation Intensity
K8s Kubernetes
LTE Long Term Evolution
MCTS MonteCarlo Tree Search
MDT Minimization of Drive Tests
ML Machine Learning
MLB Mobile Load Balancing
MLOps Machine Learning Operations
MnS Management Service
MoU Memorandum of Understanding
NF Network Functions
NM Network Manager
PEV Plans EVolution
RAN Radio Access Network
RESTART RESearch and innovation on future Telecommunications systems and network, to make Italy more smart
RIC Radio Intelligent Controller
RL Reinforcement Learning
RRM Radio Resource Management
RT Real Time
RU Remote Unit
SaaS Software as a Service
SMO Service Management and Orchestration
SON Self Organizing Network
SUPER A SUstainable Edge for Highly Demanding, HyPER-distributed Servi
SW Software
TIMatom TIM AuTOmation Measurement
UTDM Unified TIM Data model