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エッジ コンピューティング、電気通信ネットワーク、クラウドの交差

2022年2月1日 に投稿済み

Microsoft Technical Fellow and Chief Technology Officer, Azure for Operators

データの生成と消費のソースにクラウドを近づけるという、パラダイムシフトを起こすエッジ コンピューティングのストーリーに Microsoft が着手してから 12 年余りが経ちました。現在では、待機期間の低減が進む中で、クラウドによって豊富なリソースのコンピューティングやストレージ機能、リモート管理、新しいアプリケーションやサービスが提供されています。エッジ コンピューティングが主流になったことは、数多くのカンファレンスやワークショップ、何千もの研究論文、主要メディアの記事、博士論文、そして Microsoft のものを含む多くの製品からも証明されています。

数年前 Microsoft は、エッジ コンピューティングのキラー アプリケーションはビデオ分析であるという記事を書きました。IEEE が発表したこの記事では、あらゆる場所にカメラとビデオが設置され、これらのビデオ ストリームを理解する能力が向上し、そしてエッジでのリアルタイム ビデオ分析から生まれる適切な対応能力が強化されることが想定されていました。Microsoft は何年も前に私たちが指摘したときと変わらず、エッジ ビデオ分析がエッジ コンピューティングでの主流サービスになると信じています。それ以来、Microsoft はエッジ ファブリックへと進化し、ユビキタス コンピューティングを実現しています。ここでは、コンピューティング ファブリックは、さまざまな場面で私たちの周りにあり、私たちのために働き、効率を高め、問題から私たちを守り、私たちを楽しませてくれます。

この記事では、次のイノベーションの波として進化している電気通信用エッジ コンピューティングのトピックを含め、私たちが取り入れるべき新機能を中心にご紹介します。Microsoft は、電気通信のエッジが、電気通信およびクラウド業界が協力して重複を排除しながら、遅延に敏感なアプリケーションとサービスの新時代を築くきっかけになると考えています。

Azure プライベート マルチアクセス エッジ コンピューティング (MEC) でプライベート 5G ネットワークを実現する

プライベート 5G ネットワークは、ローカルエリア モバイル ネットワークです。技術的には、パブリックなワイドエリア 5G ネットワークと同じものです。この次世代ネットワークにより、現在主流の Wi-Fi テクノロジではサポートされていない高度なユース ケースが実現します。たとえば、プライベート 5G ネットワークによって、接続性が統一され、企業特有のさまざまなセキュア IoT サービスやアプリケーションをサポートすることができます。

2021 年 6 月、Microsoft は、Azure プライベート マルチアクセス エッジ コンピューティング (Azure PMEC) マネージド ソリューションを発表し、電気通信業界向けの新しい製品カテゴリを発表しました。Azure プライベート MEC は、Azure Stack Edge、Azure Network Function Manager、ファーストおよびサードパーティ製のネットワーク機能、Azure Arc による管理性で構成される、企業ネットワークのモダン化を実現するソリューションです。これにより、通信事業者やエコシステム パートナーは、5G モバイル コア、無線アクセス ネットワーク (RAN) ソリューション、ソフトウェア定義のワイド エリア ネットワーク (SD-WAN) 製品などのネットワーク機能を Azure Marketplace から簡単かつ迅速に直接デプロイおよび管理することが可能になります。Microsoft のオープン プラットフォーム ソリューションは、通信事業者やシステム インテグレータ (SI) が、RAN や遅延に敏感なアプリケーションの選択など、ファーストおよびサードパーティが提供する柔軟性があり厳選されたマネージド ソリューションを企業に提供することで、プライベート 5G の機会を解き放てるようサポートします。

私たちのような IT および電気通信業界の多くの人々は、エッジ コンピューティングが今までの流れを一変させるようなアーキテクチャのイノベーションであると認めており、これにより、ソースで生成された後のパケット処理に必要な時間を短縮することができます。現在存在するすべてのエッジ コンピューティング製品はこれを提供していますが、Azure プライベート MEC を使用すれば、さらに多くのことを実現できます。まったく新しいソフトウェアのみの 5G 実装の登場により、エッジ コンピューティングがパケット生成インフラストラクチャのエキサイティングな一部となるよう進化しています。

仮想無線アクセス ネットワークとエッジ コンピューティングの融合

次の図は、特化型モノリシック ネットワーク インフラストラクチャから、プログラミング可能で仮想化された無線アクセス ネットワーク (vRAN) 要素への移行を表しています。仮想化 RAN は、5G RAN をコモディティ ハードウェア上で仮想ネットワーク機能 (VNF) として実行するためのコスト効率の高いソリューションを提供します。vRAN を実装するためには、通信事業者には信号取得とコンピューティング ハードウェアの間に低遅延の接続が必要であり、つまり vRAN を実現するためにはエッジ コンピューティングが必要になります。

エッジ インストールの階層上に vRAN を実装することが可能です。3GPP RAN の用語では、物理レイヤー処理 (しばしば L1 と呼ばれます) と媒体アクセス制御 (しばしば L2/L3 と呼ばれます) を含む RAN の準リアルタイム機能を実装する分散ユニット (DU) は、"ファー エッジ" に実装されます。 残りの RAN スタックは、ネットワーク コアとともに、"ニア エッジ" に実装されます。 Microsoft は、このエッジ インフラストラクチャを Microsoft のコア オファリングの一部として通信事業者に提供することに取り組んできました。

RAN アーキテクチャの進化と 5G ネットワークにおけるイノベーション。

図 1:RAN アーキテクチャの進化と 5G ネットワークにおけるイノベーション

このように 5G ネットワークは進化していますが、まだまだやるべきことはあります。ファー エッジとニア エッジに RAN 機能を実装する場合、所定の数のセル サイトをサポートするためにどれだけの数のサーバー コアが必要であるかを決定する必要があります。この種の問題は、簡単に解決できます。Microsoft のコンピューター サイエンティストは、クライアント デバイスにサービスを提供するために必要なコア数を決定することができ、さらに、実行中のシステムでスケーリング、エネルギー管理、フォールト トレランス、機能のデプロイを可能にするアルゴリズムと技術を発明し、開発してきました。サーバー コアは、パケット生成、およびアプリケーションやサービスの実行の両方に対応できるようプロビジョニングすることができます。

Microsoft は ACM SIGCOMM 2021 で、『Concordia: Teaching the 5G vRAN to Share Compute』と題する論文を発表しました。この出版物で述べられているように、vRAN が従来の RAN よりも効率的である理由の 1 つは、同じコンピューター ハードウェア上で複数の基地局のワークロードが多重化されるためです。この多重化により効率は向上しますが、一般的な vRAN の設定では、CPU サイクルの 50% 以上が依然として未使用のままです。

ここで、vRAN 機能を汎用ワークロードと同一場所に配置することで、CPU 使用率が向上するだけでなく、同じハードウェア上で低遅延のアプリケーションのサービスを提供できるようになります。ここで重要なことは、vRAN のタスクは、99.999% の時間を達成する必要のあるミリ秒以下の待機時間が要求されるため、既存のシステムでは達成することが困難であるということです。

また、Microsoft は vRAN 向けに、ユーザー スペースのデッドライン スケジューリング フレームワークを構築しました。このシステムには、vRAN の信号処理タスクのワースト ケース実行時間の概要を示す、分位数デシジョン ツリーを用いた予測モデルが含まれています。20 マイクロ秒ごとに実行される超高速スケジューラによって正確な予測モデルが提供され、vRAN タスクに必要な最小限のコア数を確保し、残りを汎用ワークロードに割り当てることができます。商用グレードの参照 vRAN プラットフォームで評価したところ、Microsoft の設計は 99.999% の信頼性要件を満たし、RAN パフォーマンスに影響を与えることなく、アイドル CPU サイクルを 70% 以上取り戻しました。

今後の予定

エッジ コンピューティングは、Microsoft と社内の学術関係者が共同で開発したものです。Microsoft は、私たちが解決しようとしている多くの新しい問題に対するソリューションを微調整しながら、エッジ コンピューティング製品を進化させてきました。Microsoft のソフトウェアには、コモディティ ハードウェアに 5G インフラストラクチャを実装するだけでなく、機械学習技術を応用してエッジ ノードのパフォーマンスを向上させるという最新の発見が活かされています。Microsoft は、学術関係者の同僚たちと密接に連携しており、また全米科学財団 (NSF) が資金提供する 2 つのエッジ AI 研究センター (The Institute for Future Edge Networks and Distributed IntelligenceThe Institute for Edge Computing Leveraging Next Generation Networks) の諮問委員を務めています。両研究機関は、エッジ コンピューティングの一部として AI テクノロジの開発に注力し、次世代通信ネットワークを活用して、これまでは不可能だったサービスを提供します。

Azure プライベート MEC で正しい道を歩んでいるからこそ、未来は明るいものとなります。Microsoft が開発しているアーキテクチャおよび提供している製品は、エッジ コンピューティングを確かなものにします。モバイル ネットワークのすべてのパケットがエッジ ノードで処理され、これまでにない大規模なユビキタス処理ファブリックにつながるからです。

さらに学ぶ

Microsoft の Azure for Operators 戦略の詳細については、e-Book 『Azure for Operators』をご覧ください。