5G ja verkon viipalointi
Kun 5G:stä puhutaan laajalti, verkon viipalointi (Network Slicing) on niistä eniten keskustelua herättänyt teknologia. Verkko-operaattorit, kuten KT, SK Telecom, China Mobile, DT, KDDI ja NTT, sekä laitetoimittajat, kuten Ericsson, Nokia ja Huawei, uskovat kaikki, että verkon viipalointi on ihanteellinen verkkoarkkitehtuuri 5G-aikakaudelle.
Tämä uusi teknologia mahdollistaa operaattoreiden jakaa useita virtuaalisia päästä päähän -verkkoja laitteistoinfrastruktuurissa, ja jokainen verkkosiivu on loogisesti eristetty laitteesta, tukiasemaverkosta, siirtoverkosta ja ydinverkosta, jotta se täyttää erityyppisten palveluiden erilaiset ominaisuudet.
Jokaiselle verkkoviipaleelle taataan täysin omat resurssinsa, kuten virtuaalipalvelimet, verkon kaistanleveys ja palvelun laatu. Koska viipaleet ovat eristettyjä toisistaan, yhden viipaleen virheet tai häiriöt eivät vaikuta muiden viipaleiden tiedonsiirtoon.
Miksi 5G tarvitsee verkon viipalointia?
Menneisyydestä nykyiseen 4G-verkkoon mobiiliverkot palvelivat pääasiassa matkapuhelimia ja yleensä vain jonkin verran optimointia matkapuhelimille. 5G-aikakaudella mobiiliverkkojen on kuitenkin palveltava erityyppisiä ja -vaatimuksiltaan erilaisia laitteita. Monet mainituista sovellusskenaarioista sisältävät mobiililaajakaistan, laajamittaisen esineiden internetin ja kriittisen esineiden internetin. Ne kaikki tarvitsevat erityyppisiä verkkoja ja niillä on erilaiset vaatimukset liikkuvuuden, kirjanpidon, turvallisuuden, käytäntöjen hallinnan, viiveen, luotettavuuden ja niin edelleen suhteen.
Esimerkiksi laajamittainen IoT-palvelu yhdistää kiinteitä antureita mittaamaan lämpötilaa, kosteutta, sademäärää jne. Mobiiliverkon pääasiallisten puhelimien handovereille, sijaintipäivityksille ja muille ominaisuuksille ei ole tarvetta. Lisäksi kriittiset IoT-palvelut, kuten autonominen ajaminen ja robottien etäohjaus, vaativat useiden millisekuntien päästä päähän -latenssin, mikä on hyvin erilainen kuin mobiililaajakaistapalvelut.
5G:n tärkeimmät sovellusskenaariot
Tarkoittaako tämä, että tarvitsemme jokaiselle palvelulle oman verkon? Esimerkiksi yksi palvelee 5G-matkapuhelimia, yksi 5G-massiivista esineiden internetiä ja yksi 5G-kriittistä esineiden internetiä. Meidän ei tarvitse, koska voimme käyttää verkon viipalointia useiden loogisten verkkojen erottamiseen erillisestä fyysisestä verkosta, mikä on erittäin kustannustehokas lähestymistapa!
Verkon viipaloinnin sovellusvaatimukset
NGMN:n julkaisemassa 5G-raportissa kuvattu 5G-verkon osa on esitetty alla:
Miten toteutamme kokonaisvaltaisen verkon viipaloinnin?
(1) 5G-langaton tukiasemaverkko ja ydinverkko: NFV
Nykypäivän mobiiliverkossa päälaite on matkapuhelin. RAN (DU ja RU) ja ydintoiminnot rakennetaan RAN-toimittajien toimittamista erillisistä verkkolaitteista. Verkon viipaloinnin toteuttaminen edellyttää verkkotoimintojen virtualisointia (NFV). NFV:n pääajatuksena on ottaa käyttöön verkkotoimintojen ohjelmistot (eli MME, S/P-GW ja PCRF pakettiytimessä ja DU RANissa) kaupallisten palvelimien virtuaalikoneissa sen sijaan, että ne olisivat erikseen omissa verkkolaitteissaan. Tällä tavoin RANia käsitellään reunapilvenä, kun taas ydintoimintoa käsitellään ydinpilvenä. Yhteys reunalla ja ydinpilvessä sijaitsevien VMS:ien välillä konfiguroidaan SDN:n avulla. Sitten jokaiselle palvelulle luodaan oma viipale (eli puhelinviipale, massiivinen IoT-viipale, kriittinen IoT-viipale jne.).
Miten toteutetaan yksi verkon viipaloinnista (I)?
Alla oleva kuva näyttää, miten kukin palvelukohtainen sovellus voidaan virtualisoida ja asentaa kuhunkin lohkoon. Esimerkiksi lohkominen voidaan konfiguroida seuraavasti:
(1) UHD-viipalointi: DU-, 5G-ydin- (UP) ja välimuistipalvelimien virtualisointi reunapilvessä sekä 5G-ydin- (CP) ja MVO-palvelimien virtualisointi ydinpilvessä
(2) Puhelinviipalointi: 5G-ydinverkkojen (UP ja CP) ja IMS-palvelimien virtualisointi täysillä liikkuvuusominaisuuksilla ydinpilvessä
(3) Laajamittainen esineiden internetin viipalointi (esim. anturiverkot): Yksinkertaisen ja kevyen 5G-ytimen virtualisoinnissa ydinpilvessä ei ole liikkuvuudenhallintaominaisuuksia.
(4) Kriittinen IoT-viipalointi: 5G-ytimien (UP) ja niihin liittyvien palvelimien (esim. V2X-palvelimet) virtualisointi reunapilvessä lähetysviiveen minimoimiseksi
Tähän mennessä olemme joutuneet luomaan erillisiä siivuja palveluille, joilla on erilaiset vaatimukset. Ja virtuaaliverkon toiminnot sijoitetaan eri paikkoihin kussakin siivussa (eli reunapilvessä tai ydinpilvessä) eri palvelun ominaisuuksien mukaan. Lisäksi jotkin verkkotoiminnot, kuten laskutus, käytäntöjen hallinta jne., voivat olla tarpeen joissakin siivuissa, mutta eivät toisissa. Operaattorit voivat mukauttaa verkon viipalointia haluamallaan tavalla, ja luultavasti kustannustehokkaimmalla tavalla.
Miten toteutetaan yksi verkon viipaloinnista (I)?
(2) Verkon viipalointi reuna- ja ydinpilven välillä: IP/MPLS-SDN
Ohjelmistomääritelty verkko, vaikka se olikin yksinkertainen käsite alun perin, on muuttumassa yhä monimutkaisemmaksi. Esimerkiksi päällekkäislaskennan muodossa SDN-teknologia voi tarjota verkkoyhteyden virtuaalikoneiden välille olemassa olevassa verkkoinfrastruktuurissa.
Päästä päähän -verkon viipalointi
Ensinnäkin tarkastelemme, miten varmistetaan reunapilven ja ydinpilvivirtuaalikoneiden välinen verkkoyhteys. Virtuaalikoneiden välinen verkko on toteutettava IP/MPLS-SDN:n ja Transport SDN:n pohjalta. Tässä artikkelissa keskitymme reititinvalmistajien tarjoamiin IP/MPLS-SDN-protokolliin. Sekä Ericsson että Juniper tarjoavat IP/MPLS SDN -verkkoarkkitehtuurituotteita. Toiminnot ovat hieman erilaisia, mutta SDN-pohjaisten virtuaalikoneiden välinen yhteys on hyvin samanlainen.
Ydinpilvessä on virtualisoituja palvelimia. Palvelimen hypervisorissa suoritetaan sisäänrakennettu vRouter/vSwitch. SDN-ohjain tarjoaa tunnelikonfiguraation virtualisoidun palvelimen ja DC G/W -reitittimen (PE-reititin, joka luo MPLS L3 VPN:n pilvidatakeskuksessa) välille. Luo SDN-tunneleita (esim. MPLS GRE tai VXLAN) kunkin virtuaalikoneen (esim. 5G IoT -ydin) ja DC G/W -reitittimien välille ydinpilvessä.
SDN-ohjain hallinnoi sitten näiden tunnelien ja MPLS L3 VPN:n, kuten IoT VPN:n, välistä kartoitusta. Prosessi on sama reunapilvessä, luoden IoT-siivun, joka on yhdistetty reunapilvestä IP/MPLS-runkoverkkoon ja aina ydinpilveen asti. Tämä prosessi voidaan toteuttaa jo saatavilla olevien ja kypsien teknologioiden ja standardien pohjalta.
(3) Verkon viipalointi reuna- ja ydinpilven välillä: IP/MPLS-SDN
Jäljelle jää enää mobiili etuseinäverkko. Miten tämä mobiili etuseinäverkko erotetaan reunapilven ja 5G RU:n välillä? Ensinnäkin on määriteltävä 5G:n etuseinäverkko. Joitakin vaihtoehtoja on keskusteltavissa (esim. uuden pakettipohjaisen eteenpäin suunnatun verkon käyttöönotto määrittelemällä DU:n ja RU:n toiminnallisuus uudelleen), mutta standardoitua määritelmää ei ole vielä tehty. Seuraava kuva on ITU:n IMT 2020 -työryhmässä esitetty kaavio, joka antaa esimerkin virtualisoidusta etuseinäverkosta.
Esimerkki ITU-organisaation 5G C-RAN -verkon viipaloinnista
Julkaisun aika: 02.02.2024
