УДК 004.72
Концепция слайсинга в сетях 5 G
Слайсинг сетей- концепция, связанная с 5 G. Пятое поколение сетей будет предоставлять услуги с гораздо более высокой пропускной способностью, намного меньшей задержкой. У 5 G будет гораздо более широкий диапазон с гораздо более широкими возможностями, чем у предыдущих поколений, ориентированными только на потребителя.
Так почему слайсинг сети является важным элементом сети 5 G? Из-за высокой ориентированности сети на устройства, мы видим более широкий спектр требований, осуществлять которые возможно именно с помощью технологии слайсинга, с новыми динамическими архитектурами и топологиями.
Для реализации таких требований нам необходимо использовать преимущества принципов SDN и NFV.
5 G, SDN, VFN, слайсинг
Введение
Слайсинг сетей - концепция, обычно связанная с 5 G. Давайте разберемся, почему. Начнем с вопроса, что такое 5 G? 5 G — это новое поколение сотовых сетей, которое предоставляет услуги с гораздо более высокой пропускной способностью, намного меньшей задержкой, например, в сверхнадежных массовых IoT, которая больше ориентирована на предоставление услуг устройствам, чем просто потребителям.
Таким образом, у 5 G гораздо более широкий диапазон с гораздо более широкими возможностями, чем у предыдущих поколений, которые были строго ориентированы на потребителей. Благодаря широте возможностей, которые дает 5 G, он считается одним из ключевых факторов новой экономики данных в условиях цифровой трансформации. Чтобы оценить объем данных, посмотрим, например, на автономный автомобиль, который генерирует один гигабайт данных в секунду. Это затмевается автоматизированной фабрикой, которая может генерировать до одного миллиона гигабайт в день. Все эти данные, которые генерируют различные умные устройства, должны быть перенесены туда, где их можно анализировать и получать информацию. 5 G является ключевым фактором этого. Это одна из главных технологий, которая может надежно транспортировать огромные объемы данных в облако, где их можно обрабатывать и анализировать.
Возможности технологии 5 G
Возможности 5 G можно разделить на три категории (рис.1). Мы рассмотрим сверхнадежность и низкую задержку, часто называемые критическими параметрами. Этот тип возможностей может обеспечить множество различных типов использования, таких как, например, здравоохранение, удаленная хирургия или автономное вождение, или возможность создания платформы для служб экстренной помощи, чтобы коммуникация между отдельными службами могла осуществляться сверхбыстро и безопасно.
Второй тип возможностей, предоставляемых 5 G — это возможность соединения между компьютерами. Этот тип возможностей в первую очередь ориентирован на подключение к сети очень большого количества устройств, которые обычно не отправляют значительный объем данных, наиболее вероятно они будут посылать короткие пакеты. К сожалению, иногда они не расположены близко к базовой станции. Порой они расположены достаточно далеко друг от друга, как например, в умном сельском хозяйстве. К примеру, большая умная ферма имеет большое множество датчиков, расположенных вне зоны досягаемости сети, или на умной фабрике, где в помещении очевидно плохое покрытие.
Наконец, третьей категорией возможностей является расширенная мобильная широкополосная связь. Этот тип возможностей может включать различные типы сценариев использования. От виртуальной и дополненной реальности до широкополосной связи дома, игр, развлечений, высококачественного потокового видео и т.п.
Рис.1. Категории возможностей сети 5 G.
Слайсинг сети
Из-за большого разнообразия требований, которые разные варианты использования предъявляют к сети, в 5G нам необходима концепция сетевого слайсинга (рис.2). Каждый отдельный тип сетевого слайса может предоставлять различные типы возможностей. Требования беспроводных широкополосных сетей к слайсу, которые требуются для обеспечения высокой пропускной способности, например, устройства, такого как смартфон, будут сильно отличаться по требованиям сверхнизкой задержки и управления в режиме реального времени, в которых нуждается автономный автомобиль, поэтому автономный автомобиль будет иметь другой тип слайса для предоставления этого типа услуг.
Рис.2. Реализация различных типов возможностей при помощи слайсинга.
То же самое касается IoT, которому требуется малая полоса пропускания, очень низкое энергопотребление, чтобы обеспечить длительное время автономной работы.
Другим типом слайса может быть потоковое видео, когда вы передаете видео очень высокого качества на более крупное устройство, такое как смарт-телевизор, то есть мы говорим о видео сверхвысокой четкости, такое как 4K.
Концепции 5G и слайсинга сетей тесно связаны с тем преобразованием сети, которое мы наблюдаем на рынке в течение последних нескольких лет. Под преобразованием сети имеется ввиду переход от физических сетей и устройств к по большей части программно-конфигурируемым сетям. Поскольку для сети 5G и различных слайсов, которые ей необходимо реализовать, потребуются очень разные архитектуры с очень разными топологиями, возможность использования программного обеспечения и вычислительных платформ общего назначения станет ключевым аспектом 5G.
Так почему же слайсинг сети является важным элементом 5G? Давайте посмотрим, как это отражается на сетевой архитектуре. Когда мы сравним сеть 4G с сетью 5G (рис.3), мы увидим, что сеть 4G достаточно фиксирована в своей архитектуре. Существует сеть доступа, которая состоит из eNodeB, базовых станций и пр. Эта фиксированная архитектура очень оптимальна для предоставления широкополосных услуг, для которых и была создана 4G. Однако с 5G, поскольку нам необходимо доставлять различные типы слайсов, фиксированная сетевая архитектура нам больше не подходит. Нужно сконцентрироваться на конкретных потребностях каждого из слайсов.
Рис.3. Виды слайсов и различные типы возможностей.
Принимая во внимание, что развитая или улучшенная мобильная широкополосная сеть может иметь топологию сети и архитектуру сети, аналогичную сети 4G, massive IoT и mission-critical IoT будут иметь совершенно разные оптимальные архитектуры. Когда мы смотрим на конкретные требования, которые устанавливаются для каждого из различных типов услуг, мы видим, что в случае с 4G все было довольно просто. Были в основном два разных типа KPI. Это скорость передачи данных на пользователя, а также сквозная задержка. С 5G мы имеем гораздо более широкий спектр требований и вариантов использования. Существует множество типов использования, где KPI, скорость передачи данных пользователя, сквозная задержка и мобильность будут отличаться. Это то, что действительно нужно принимать во внимание, и мы можем рассматривать каждую из этих категорий вариантов использования почти как сетевой слайс.
Итак, когда мы смотрим на реализацию различных типов сетевых слайсов в сети, мы понимаем, что существуют различные аспекты, которые необходимо учитывать. С одной стороны, рассмотрим радиосеть. Какова идеальная технология радиодоступа, которую необходимо использовать для каждого слайса? Например, для мобильной широкополосной связи типичный размер пакета, типичная сквозная задержка будет отличаться от, например, тех же параметров в massive IoT. Следовательно, технология радиодоступа должна быть разной для каждого типа слайса. В случае базовой сети также необходимо, чтобы в некоторых случаях базовая сеть была ближе к пользователю, ближе к базовой станции, например, при передаче данных с низкой задержкой. В некоторых других случаях вам может потребоваться более централизованная базовая сеть, например, massive IoT. Таким образом, необходимо программировать сетевые элементы, использовать преимущества программно-конфигурируемых сетей [1], и виртуализация сетевых функций оказывается ключевым фактором. Главным аспектом сетевого слайсинга является многоуровневая архитектура (рис.4), где, например, существует слой сетевого (структурного) уровня, который отвечает за фактические характеристики сети, необходимые для предоставления той или иной услуги и также существует контрольный уровень, который фактически отвечает за физические и виртуальные сетевые функции, которые необходимы для реализации конкретного экземпляра слайса.
Рис.4. Многоуровневая структура в сетях SDN.
Давайте посмотрим на некоторые из ключевых факторов для осуществления концепции слайсинга.
Начиная сверху, у нас есть программно-конфигурируемые сети, что крайне важно для обеспечения программируемых и автоматизированных операций управления сетью. Визуализация сетевых функций абстрагирует аппаратное обеспечение и обеспечивает гибкость для выполнения сетевых функций там, где они необходимы.
Также очень важно иметь возможность управлять сетью 5G, которая является очень динамичной и очень адаптируемой к различным типичным процессам, необходимым для управления сетью, таким как управление производительностью, управление отказами и т.д.
И, наконец, отказоустойчивость и надежность, которые требуются в некоторых случаях использования, например, автономное вождение или удаленная хирургия.
Давайте рассмотрим, как 3GPP спроектировали систему 5G [2] (рис.5), чтобы обеспечить реализацию различных типов сетевых слайсов в сети. Они четко отделили функции плоскости пользователя от функций плоскости управления. Это позволяет независимо масштабировать каждый тип функции и использовать в той части сети, где это требуется. Такой тип модульной конструкции позволяет гибко и эффективно осуществлять слайсинг сети, используя преимущества принципов SDN и NFV [3].
Рис.5. Перспективное отображение концепции сетевого слайсинга 3GPP и концепции NFV.
Заключение
Итак, мы убедились, что отчасти из-за концепции слайсинга сетей сети будущего 5G будут построены на универсальных вычислительных платформах и будут использовать концепцию виртуализации сетевых функций, а также программно-конфигурируемые сети.
Список используемых источников
1. Condolucia M., Mahmoodib T. Softwarization and virtualization in 5G mobile networks: Benefits, trends and challenges [Электронный ресурс] // Computer Networks 146. 2018. С. 65-84. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1389128618302500?via%3Dihub
2. de Foy X., Rahman A. Network Slicing - 3GPP Use Case [Электронный ресурс]. 2017. URL: https://tools.ietf.org/id/draft-defoy-netslices-3gpp-network-slicing-02.html
3. Sattar D., Matrawy A. Optimal slice allocation in 5g core networks [Электронный ресурс] // IEEE Networking Letters (Early Access). 2018. С. 1.URL: https://arxiv.org/pdf/1802.04655.pdf
Статья представлена научным руководителем,
кандидатом технических наук, доцентом Елагиным В.С.