5G und Network Slicing
Wenn 5G häufig erwähnt wird, ist Network Slicing die am meisten diskutierte Technologie unter ihnen. Netzbetreiber wie KT, SK Telecom, China Mobile, DT, KDDI, NTT und Geräteanbieter wie Ericsson, Nokia und Huawei sind alle davon überzeugt, dass Network Slicing die ideale Netzwerkarchitektur für das 5G-Zeitalter ist.
Diese neue Technologie ermöglicht es Betreibern, mehrere virtuelle End-to-End-Netzwerke in einer Hardware-Infrastruktur aufzuteilen, und jeder Netzwerkabschnitt ist logisch vom Gerät, Zugangsnetzwerk, Transportnetzwerk und Kernnetzwerk isoliert, um den unterschiedlichen Merkmalen verschiedener Arten von Diensten gerecht zu werden.
Für jeden Netzwerkabschnitt sind dedizierte Ressourcen wie virtuelle Server, Netzwerkbandbreite und Servicequalität vollständig garantiert. Da Slices voneinander isoliert sind, haben Fehler oder Ausfälle in einem Slice keinen Einfluss auf die Kommunikation anderer Slices.
Warum braucht 5G Network Slicing?
Von der Vergangenheit bis zum aktuellen 4G-Netzwerk bedienen Mobilfunknetze hauptsächlich Mobiltelefone und führen im Allgemeinen nur eine gewisse Optimierung für Mobiltelefone durch. Im 5G-Zeitalter müssen Mobilfunknetze jedoch Geräte unterschiedlicher Art und Anforderungen bedienen. Viele der genannten Anwendungsszenarien umfassen mobiles Breitband, groß angelegtes IoT und geschäftskritisches IoT. Sie alle benötigen unterschiedliche Arten von Netzwerken und haben unterschiedliche Anforderungen an Mobilität, Abrechnung, Sicherheit, Richtlinienkontrolle, Latenz, Zuverlässigkeit usw.
Beispielsweise verbindet ein groß angelegter IoT-Dienst feste Sensoren, um Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Niederschlag usw. zu messen. Übergaben, Standortaktualisierungen und andere Funktionen der wichtigsten Telefone im Mobilfunknetz sind nicht erforderlich. Darüber hinaus erfordern geschäftskritische IoT-Dienste wie autonomes Fahren und Fernsteuerung von Robotern eine End-to-End-Latenz von mehreren Millisekunden, was sich stark von mobilen Breitbanddiensten unterscheidet.
Hauptanwendungsszenarien von 5G
Bedeutet das, dass wir für jeden Dienst ein eigenes Netzwerk benötigen? Zum Beispiel bedient einer 5G-Mobiltelefone, einer bedient 5G-Massen-IOT und einer bedient 5G-Mission-Critical-IOT. Das ist nicht nötig, denn wir können Network Slicing verwenden, um mehrere logische Netzwerke von einem separaten physischen Netzwerk abzutrennen, was ein sehr kosteneffektiver Ansatz ist!
Anwendungsanforderungen für Network Slicing
Der im 5G-Whitepaper des NGMN beschriebene 5G-Netzwerk-Slice ist unten dargestellt:
Wie implementieren wir End-to-End Network Slicing?
(1) 5G-Wireless-Zugangsnetzwerk und Kernnetzwerk: NFV
Im heutigen Mobilfunknetz ist das Mobiltelefon das Hauptgerät. RAN (DU und RU) und Kernfunktionen werden aus dedizierter Netzwerkausrüstung erstellt, die von RAN-Anbietern bereitgestellt wird. Um Network Slicing zu implementieren, ist Network Function Virtualization (NFV) eine Voraussetzung. Grundsätzlich besteht die Hauptidee von NFV darin, die Netzwerkfunktionssoftware (d. h. MME, S/P-GW und PCRF im Paketkern und DU im RAN) alle in den virtuellen Maschinen auf den kommerziellen Servern bereitzustellen, anstatt separat in ihren dedizierten Netzwerkgeräte. Auf diese Weise wird das RAN als Edge Cloud behandelt, während die Kernfunktion als Core Cloud behandelt wird. Die Verbindung zwischen VMS am Edge und in der Core Cloud wird über SDN konfiguriert. Anschließend wird für jeden Dienst ein Slice erstellt (z. B. Telefon-Slice, massiver IoT-Slice, geschäftskritischer IoT-Slice usw.).
Wie implementiert man eines der Network Slicing(I)?
Die folgende Abbildung zeigt, wie jede dienstspezifische Anwendung virtualisiert und in jedem Slice installiert werden kann. Das Slicing kann beispielsweise wie folgt konfiguriert werden:
(1)UHD-Slicing: Virtualisierung von DU-, 5G-Core- (UP) und Cache-Servern in der Edge-Cloud sowie Virtualisierung von 5G-Core- (CP) und MVO-Servern in der Core-Cloud
(2) Phone Slicing: Virtualisierung von 5G-Kernen (UP und CP) und IMS-Servern mit vollständigen Mobilitätsfunktionen in der Core Cloud
(3) IoT-Slicing in großem Maßstab (z. B. Sensornetzwerke): Die Virtualisierung eines einfachen und leichten 5G-Kerns in der Kern-Cloud bietet keine Mobilitätsverwaltungsfunktionen
(4) Geschäftskritisches IoT-Slicing: Virtualisierung von 5G-Kernen (UP) und zugehörigen Servern (z. B. V2X-Servern) in der Edge-Cloud zur Minimierung der Übertragungslatenz
Bisher mussten wir dedizierte Slices für Dienste mit unterschiedlichen Anforderungen erstellen. Und die virtuellen Netzwerkfunktionen werden entsprechend unterschiedlichen Dienstmerkmalen an unterschiedlichen Orten in jedem Slice (z. B. Edge-Cloud oder Core-Cloud) platziert. Darüber hinaus können einige Netzwerkfunktionen wie Abrechnung, Richtlinienkontrolle usw. in einigen Slices erforderlich sein, in anderen jedoch nicht. Betreiber können das Netzwerk-Slicing nach ihren Wünschen anpassen, und zwar auf die wahrscheinlich kostengünstigste Weise.
Wie implementiert man eines der Network Slicing(I)?
(2) Netzwerk-Slicing zwischen Edge- und Core-Cloud: IP/MPLS-SDN
Obwohl softwaredefinierte Netzwerke bei ihrer Einführung ein einfaches Konzept waren, werden sie zunehmend komplexer. Am Beispiel von Overlay kann die SDN-Technologie eine Netzwerkverbindung zwischen virtuellen Maschinen in der vorhandenen Netzwerkinfrastruktur bereitstellen.
End-to-End-Netzwerk-Slicing
Zunächst schauen wir uns an, wie sichergestellt werden kann, dass die Netzwerkverbindung zwischen der Edge-Cloud und den virtuellen Maschinen der Core-Cloud sicher ist. Das Netzwerk zwischen den virtuellen Maschinen muss auf Basis von IP/MPLS-SDN und Transport SDN implementiert werden. In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf IP/MPLS-SDN, das von Router-Anbietern bereitgestellt wird. Ericsson und Juniper bieten beide IP/MPLS-SDN-Netzwerkarchitekturprodukte an. Die Vorgänge unterscheiden sich geringfügig, aber die Konnektivität zwischen SDN-basierten VMS ist sehr ähnlich.
In der Kerncloud befinden sich virtualisierte Server. Führen Sie im Hypervisor des Servers den integrierten vRouter/vSwitch aus. Der SDN-Controller stellt die Tunnelkonfiguration zwischen dem virtualisierten Server und dem DC G/W-Router (dem PE-Router, der das MPLS L3 VPN im Cloud-Rechenzentrum erstellt) bereit. Erstellen Sie SDN-Tunnel (z. B. MPLS GRE oder VXLAN) zwischen jeder virtuellen Maschine (z. B. 5G IoT-Kern) und DC-G/W-Router in der Kern-Cloud.
Der SDN-Controller verwaltet dann die Zuordnung zwischen diesen Tunneln und dem MPLS L3 VPN, beispielsweise dem IoT VPN. Der Prozess ist in der Edge-Cloud derselbe, es wird ein IoT-Slice erstellt, der von der Edge-Cloud über das IP/MPLS-Backbone bis hin zur Core-Cloud verbunden ist. Dieser Prozess kann auf Basis ausgereifter und verfügbarer Technologien und Standards umgesetzt werden.
(3) Netzwerk-Slicing zwischen Edge- und Core-Cloud: IP/MPLS-SDN
Was jetzt bleibt, ist das mobile Fronthawall-Netzwerk. Wie trennen wir dieses mobile Fronthold-Netzwerk zwischen der Edge-Cloud und dem 5G-RU? Zunächst muss zunächst das 5G-Fronthaul-Netz definiert werden. Es werden einige Optionen diskutiert (z. B. die Einführung eines neuen paketbasierten Weiterleitungsnetzwerks durch Neudefinition der Funktionalität von DU und RU), aber es wurde noch keine Standarddefinition erstellt. Die folgende Abbildung ist ein Diagramm, das in der ITU IMT 2020-Arbeitsgruppe vorgestellt wurde und ein Beispiel für ein virtualisiertes Fronhaul-Netzwerk zeigt.
Beispiel für 5G C-RAN Network Slicing durch die ITU-Organisation
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 02.02.2024
