1. Zróżnicowane Wymagania Usług a Jednolita Sieć
Sieci komórkowe od początku rozwijały się jako wspólna infrastruktura, która obsługiwała jeden główny profil usług dla wszystkich użytkowników. Sieci 2G i 3G zbudowano z myślą o rozmowach głosowych. Sieć 4G LTE zaprojektowano przede wszystkim do zapewnienia szybkiego mobilnego internetu szerokopasmowego dla smartfonów. Podejście "jeden rozmiar dla wszystkich" odniosło duży sukces i napędziło rozwój aplikacji mobilnych, lecz ograniczało dopasowanie sieci do odmiennych wymagań.
Wymagania różnych aplikacji są odmienne. Streaming filmu 4K wymaga dużej przepustowości. Sterowanie robotem fabrycznym wymaga niemal natychmiastowych, niezawodnych poleceń. Inteligentny licznik wody może wysyłać tylko mały pakiet danych raz dziennie, a odpowiednia konstrukcja urządzenia może zakładać pracę baterii przez dekadę. Jednolita architektura sieci 4G nie była w stanie efektywnie zaspokoić tych różnych i często sprzecznych potrzeb. Zapewnienie ultraniskiego opóźnienia dla robota oznaczałoby zaprojektowanie całej sieci w tym celu, co czyniłoby ją nieefektywną dla strumieniowania wideo o dużej przepustowości.
To jest problem, który Plastrowanie Sieci (Network Slicing) zostało zaprojektowane, by rozwiązać. Jest to kluczowa zdolność 5G, która pozwala operatorowi komórkowemu obsługiwać różne profile usług na wspólnej infrastrukturze. Może on logicznie podzielić fizyczne zasoby na wiele dostosowanych . Każda z nich nazywana jest "plastrem sieciowym", a jej zasoby, polityki i charakterystyki mogą odpowiadać potrzebom konkretnej usługi, aplikacji lub klienta. Stopień izolacji zależy od sposobu wdrożenia i współdzielenia funkcji.
2. Definicja Plastra Sieciowego
Plaster sieciowy opisuje zakres szerszy niż prosty profil Jakości Usługi (QoS). Jest to logiczna sieć od końca do końca, tworzona i zarządzana zgodnie z wymaganiami usługi. Może korzystać z funkcji współdzielonych z innymi plastrami, zachowując własne polityki, identyfikację i parametry zasobów.
Zakres Od Końca do Końca
Zakres od końca do końca (end-to-end) oznacza, że plaster sieciowy wykracza poza funkcję sieci rdzeniowej. Jest to ciągła, logiczna partycja, która obejmuje cały łańcuch komunikacyjny:
- Urządzenie Użytkownika (UE): Smartfon lub urządzenie IoT może przekazać w rejestracji preferowany identyfikator Requested NSSAI, jeśli obsługuje wybór plastra. Sieć sprawdza subskrypcję, politykę i dostępność, a następnie przydziela Allowed NSSAI.
- Sieć Dostępu Radiowego (RAN): Stacje bazowe 5G (gNB) koordynują zasoby radiowe z wymaganiami plastra, na przykład przez odpowiednie bearery, priorytety lub numerologię. Konkretna konfiguracja zależy od implementacji i polityki operatora.
- Sieć Transportowa: Zależnie od wdrożenia połączenia dosyłowe i pośrednie (backhaul/midhaul), które łączą stacje radiowe z rdzeniem sieci, mogą również wymagać różnicowania i priorytetyzowania ruchu należącego do różnych plastrów.
- Sieć Rdzeniowa 5G (5GC): To tutaj implementowana jest główna logika plastrowania. Każdy plaster może mieć własny, dedykowany zestaw zwirtualizowanych Funkcji Sieciowych lub może współdzielić funkcje z innymi plastrami, posiadając jednocześnie własne polityki i zasoby płaszczyzny użytkownika.
Izolacja i Parametry Usługi
Każdy plaster sieciowy jest projektowany jako logicznie odrębna sieć, a izolacja ogranicza wpływ ruchu i incydentów między usługami. Gwałtowny wzrost ruchu lub problem bezpieczeństwa w jednym plastrze, na przykład rozproszony atak typu denial-of-service wymierzony w urządzenia IoT, może zostać ograniczony przez polityki zasobów i bezpieczeństwa, lecz rezultat zależy od współdzielonych funkcji oraz implementacji. Dobrze zaprojektowana izolacja wspiera mierzalne dla każdego plastra. Poziom izolacji jest właściwością projektową i zarządczą wdrożenia.
Personalizacja pozwala operatorowi zdefiniować dla każdego plastra:
- Topologię: Które funkcje sieciowe są włączone i jak są ze sobą połączone.
- Charakterystykę Wydajnościową: Docelowe lub uzgodnione przepływności, maksymalne opóźnienie, jitter, poziomy niezawodności.
- Reguły Bezpieczeństwa: Niestandardowe polityki szyfrowania i uwierzytelniania.
- Kontrolę Dostępu: Definiowanie, którzy użytkownicy i urządzenia mogą łączyć się z danym plastrem.
3. Profile Usług Obsługiwane przez Plastrowanie
Plastrowanie sieci pomaga pojedynczej infrastrukturze 5G obsługiwać trzy scenariusze opisane przez ITU: eMBB, URLLC i mMTC. Poniższe profile są modelem dydaktycznym, a operator dobiera ich parametry do usługi. W 3GPP standardowe wartości SST obejmują eMBB, URLLC i MIoT, natomiast mMTC jest nazwą scenariusza IMT-2020.
Plaster Ulepszonego Mobilnego Internetu Szerokopasmowego (eMBB)
Ten plaster jest zaprojektowany z myślą o doświadczeniach użytkowników smartfonów. Jego głównym celem jest zapewnienie wysokich prędkości transmisji danych i pojemności sieci w ramach wybranego profilu usługi.
Konfiguracja:
- Sieć Radiowa: Skonfigurowana do używania szerokich pasm kanałów i technik takich jak Massive MIMO i Agregacja Nośnych w celu maksymalizacji przepustowości.
- Sieć Rdzeniowa: Funkcja Płaszczyzny Użytkownika (UPF) może być zlokalizowana bardziej centralnie, aby zoptymalizować dostarczanie treści z internetu.
- Usługa Docelowa: Streaming wideo 4K/8K, szybkie pobieranie plików, gry online, Rzeczywistość Wirtualna i Rozszerzona.
Plaster Ultrawysokiej Niezawodności i Niskich Opóźnień (URLLC)
Ten plaster jest zaprojektowany dla aplikacji o znaczeniu krytycznym, w których responsywność i niezawodność są określonymi priorytetami. Przepustowość jest często kwestią drugorzędną.
Konfiguracja:
- Sieć Radiowa: Może korzystać z elastycznej numerologii i krótkich interwałów transmisyjnych, aby ograniczać opóźnienie radiowe. Wymagania niezawodności mogą także prowadzić do użycia redundantnych bearerów radiowych.
- Sieć Rdzeniowa: UPF może zostać wdrożony na brzegu sieci (Edge Computing), blisko urządzeń końcowych, aby zmniejszyć czas przetwarzania danych. Wybór lokalizacji zależy od topologii i usługi.
- Usługa Docelowa: Komunikacja między autonomicznymi pojazdami (V2X), zdalne sterowanie robotami przemysłowymi, kontrola inteligentnych sieci energetycznych w czasie rzeczywistym.
Plaster Masowej Komunikacji Maszynowej (mMTC)
Ten plaster jest konfigurowany do obsługi dużej liczby prostych, niskomocowych urządzeń IoT. Priorytetem nie jest tu prędkość ani opóźnienie, ale gęstość połączeń i wydajność baterii.
Konfiguracja:
- Sieć Radiowa: Skonfigurowana do używania technologii wąskopasmowych, które maksymalizują zasięg i ograniczają moc wymaganą do transmisji. NB-IoT jest odrębną technologią dostępu radiowego i może współpracować z 5GC. Nie stanowi funkcji NR plastra.
- Sieć Rdzeniowa: Funkcje rdzeniowe są konfigurowane do obsługi sygnalizacji od dużej liczby urządzeń, które często raportują dane rzadko. Funkcje mogą być uproszczone, aby zmniejszyć narzut dla małych transmisji danych. Musi również obsługiwać długie cykle uśpienia dla urządzeń w celu oszczędzania baterii.
- Usługa Docelowa: Inteligentne liczniki mediów, miejskie sieci czujników środowiskowych, śledzenie zasobów.
4. Architektura Implementacji Plastrowania
Plastrowanie sieci opiera się na zasadach architektonicznych systemu 5G, w szczególności na sieci rdzeniowej 5G i jej funkcjach opartych na usługach.
- Architektura Oparta na Usługach (SBA): Modułowy projekt SBA dobrze pasuje do plastrowania. Plaster korzysta z funkcji sieciowych, które mogą być dedykowane albo współdzielone, a polityki i zasoby są przypisywane do konkretnej usługi. Na przykład plaster URLLC o niskim opóźnieniu może używać innej instancji Funkcji Zarządzania Sesją (SMF) i Funkcji Płaszczyzny Użytkownika (UPF) niż standardowy plaster mobilnego internetu szerokopasmowego. Dynamiczne odkrywanie usług przez SBA wspiera tworzenie i zarządzanie takimi konfiguracjami.
- Wirtualizacja Funkcji Sieciowych (NFV): Ponieważ NF są implementowane programowo, NFV może pozwolić operatorowi uruchomić instancje SMF lub UPF dla nowego plastra, gdy wymaga tego polityka usługi, oraz zwolnić zasoby po zakończeniu zapotrzebowania. Dynamiczne przydzielanie mocy obliczeniowej i pamięci wspiera elastyczność plastrowania sieci.
- Sieci Definiowane Programowo (SDN): SDN wspiera orkiestrację przez centralizację części logiki sterowania i widoku zasobów. Kontrolery oraz orkiestrator koordynują infrastrukturę radiową, transportową i funkcje użytkownika, aby egzekwować polityki ruchu plastra. Zakres programowania zależy od domeny i użytych interfejsów.
Identyfikacja i Wybór Plastra
Urządzenie użytkownika może przekazać w sygnalizacji Requested NSSAI z identyfikatorem S-NSSAI (Single Network Slice Selection Assistance Information). S-NSSAI zawiera typ SST i opcjonalny identyfikator SD. Podczas rejestracji sieć sprawdza subskrypcję, politykę PLMN i dostępność, a AMF współpracuje z innymi funkcjami przy wyborze Allowed NSSAI oraz zasobów dla sesji użytkownika.
5. Modele Usługowe dla Operatorów
Plastrowanie Sieci może poszerzać model biznesowy operatorów komórkowych. Operator może łączyć funkcję dostawcy łączności z rolą platformy dla specjalistycznych usług, których parametry są opisane w politykach i umowach SLA.
- Usługi dla Przedsiębiorstw: Operatorzy mogą oferować standardowe plastry mobilnego internetu szerokopasmowego dla konsumentów, a dostosowane plastry mogą obsługiwać klientów korporacyjnych i przemysłowych.
- Sieć jako Usługa (NaaS): Operator może sprzedawać plan danych wraz z wirtualnym plastrem sieci i uzgodnionymi parametrami wydajności. Na przykład:
- Firma logistyczna może kupić ogólnokrajowy plaster mMTC dla swoich czujników śledzenia aktywów.
- Operator portowy może zamówić lokalny plaster mMTC dla czujników kontenerów i urządzeń magazynowych.
- Nadawca telewizyjny może wynająć plaster eMBB o dużej przepustowości z gwarantowaną przepływnością w łączu w górę, aby obsłużyć transmisję na żywo z dużego wydarzenia sportowego.
- Samorząd miejski może obsługiwać plaster URLLC dla swoich służb ratowniczych, ograniczając ryzyko zakłóceń komunikacji podczas kryzysu.
- Fabryka może wdrożyć prywatny plaster URLLC na swoim terenie dla zautomatyzowanej robotyki, utrzymując wszystkie dane o krytycznym opóźnieniu na miejscu.
- Dodatkowe Możliwości Przychodów i Innowacje: Zdolność do oferowania zróżnicowanych usług opartych na SLA może tworzyć dodatkowe możliwości przychodów dla operatorów. Może wspierać wejście na rynki wertykalne, takie jak motoryzacja, opieka zdrowotna i produkcja, gdzie łączność jest częścią cyfrowej transformacji klienta.
Plastrowanie Sieci jest zdolnością architektoniczną, która rozszerza 5G poza jednolity profil usług znany z 4G. Wspólna infrastruktura może otrzymywać elastyczne, dynamiczne i programowalne profile do obsługi zróżnicowanych potrzeb łączności w kolejnych wdrożeniach.