Perché il 5G ha bisogno del Network Slicing? Come implementarlo?

5G e Network Slicing
Quando si parla di 5G, il Network Slicing è la tecnologia più discussa. Operatori di rete come KT, SK Telecom, China Mobile, DT, KDDI, NTT e fornitori di apparecchiature come Ericsson, Nokia e Huawei ritengono che il Network Slicing sia l'architettura di rete ideale per l'era del 5G.
Questa nuova tecnologia consente agli operatori di suddividere più reti virtuali end-to-end in un'infrastruttura hardware, e ogni Network Slice è logicamente isolata dal dispositivo, dalla rete di accesso, dalla rete di trasporto e dalla rete core per soddisfare le diverse caratteristiche dei vari tipi di servizi.
Per ogni Network Slice, risorse dedicate come server virtuali, larghezza di banda di rete e qualità del servizio sono completamente garantite. Poiché le slice sono isolate l'una dall'altra, errori o guasti in una slice non comprometteranno la comunicazione delle altre slice.

Perché il 5G ha bisogno del Network Slicing?
Dal passato all'attuale rete 4G, le reti mobili servono principalmente i telefoni cellulari e generalmente prevedono solo alcune ottimizzazioni per i dispositivi mobili. Tuttavia, nell'era del 5G, le reti mobili devono servire dispositivi di vario tipo e con requisiti diversi. Molti degli scenari applicativi menzionati includono la banda larga mobile, l'IoT su larga scala e l'IoT mission-critical. Tutti richiedono tipologie di rete diverse e presentano requisiti diversi in termini di mobilità, contabilità, sicurezza, controllo delle policy, latenza, affidabilità e così via.
Ad esempio, un servizio IoT su larga scala collega sensori fissi per misurare temperatura, umidità, precipitazioni, ecc. Non sono necessari handover, aggiornamenti di posizione e altre funzionalità dei principali telefoni di servizio nella rete mobile. Inoltre, i servizi IoT mission-critical come la guida autonoma e il controllo remoto dei robot richiedono una latenza end-to-end di diversi millisecondi, molto diversa da quella dei servizi a banda larga mobile.

Principali scenari applicativi del 5G
Questo significa che abbiamo bisogno di una rete dedicata per ogni servizio? Ad esempio, una serve i telefoni cellulari 5G, una serve l'IoT 5G massive e una serve l'IoT 5G mission critical. Non ne abbiamo bisogno, perché possiamo usare il network slicing per suddividere più reti logiche da una rete fisica separata, il che è un approccio molto conveniente!

Requisiti applicativi per il Network Slicing
Di seguito è mostrata la porzione di rete 5G descritta nel white paper 5G pubblicato dalla NGMN:

Come implementiamo il Network Slicing end-to-end?
(1)Rete di accesso wireless 5G e rete core: NFV
Nelle reti mobili odierne, il dispositivo principale è il telefono cellulare. RAN (DU e RU) e le funzioni core sono sviluppate a partire da apparecchiature di rete dedicate fornite dai fornitori RAN. Per implementare lo slicing di rete, la virtualizzazione delle funzioni di rete (NFV) è un prerequisito. In sostanza, l'idea principale della NFV è quella di distribuire il software delle funzioni di rete (ovvero MME, S/P-GW e PCRF nel core dei pacchetti e DU nella RAN) nelle macchine virtuali sui server commerciali, anziché separatamente nei rispettivi dispositivi di rete dedicati. In questo modo, la RAN viene trattata come cloud edge, mentre le funzioni core vengono trattate come cloud core. La connessione tra le VMS situate nell'edge e nel cloud core viene configurata tramite SDN. Quindi, viene creata una slice per ciascun servizio (ovvero slice telefono, slice IoT massive, slice IoT mission-critical, ecc.).

 

Come implementare uno dei Network Slicing(I)?
La figura seguente mostra come ciascuna applicazione specifica del servizio può essere virtualizzata e installata in ogni slice. Ad esempio, lo slicing può essere configurato come segue:
(1)Slicing UHD: virtualizzazione di server DU, core 5G (UP) e cache nel cloud edge e virtualizzazione di server core 5G (CP) e MVO nel cloud core
(2) Phone slicing: virtualizzazione dei core 5G (UP e CP) e dei server IMS con funzionalità di mobilità complete nel cloud core
(3) Slicing IoT su larga scala (ad esempio, reti di sensori): la virtualizzazione di un core 5G semplice e leggero nel cloud core non ha capacità di gestione della mobilità
(4) Slicing IoT di importanza critica: virtualizzazione dei core 5G (UP) e dei server associati (ad esempio, server V2X) nel cloud edge per ridurre al minimo la latenza di trasmissione
Finora, abbiamo dovuto creare slice dedicate per servizi con requisiti diversi. E le funzioni di rete virtuale sono collocate in posizioni diverse in ogni slice (ad esempio, edge cloud o core cloud) in base alle diverse caratteristiche del servizio. Inoltre, alcune funzioni di rete, come la fatturazione, il controllo delle policy, ecc., potrebbero essere necessarie in alcune slice, ma non in altre. Gli operatori possono personalizzare lo slicing di rete come desiderano, probabilmente nel modo più conveniente.

Come implementare uno dei Network Slicing(I)?
(2) Slicing di rete tra edge e core cloud: IP/MPLS-SDN
Il networking definito dal software, sebbene un concetto semplice al momento della sua introduzione, sta diventando sempre più complesso. Prendendo ad esempio la forma di Overlay, la tecnologia SDN può fornire connessioni di rete tra macchine virtuali sull'infrastruttura di rete esistente.

Slicing di rete end-to-end
In primo luogo, esamineremo come garantire la sicurezza della connessione di rete tra il cloud edge e le macchine virtuali del cloud core. La rete tra le macchine virtuali deve essere implementata su IP/MPLS-SDN e Transport SDN. In questo articolo, ci concentreremo su IP/MPLS-SDN fornito dai fornitori di router. Ericsson e Juniper offrono entrambi prodotti con architettura di rete IP/MPLS SDN. Le operazioni sono leggermente diverse, ma la connettività tra VMS basate su SDN è molto simile.
Nel cloud core sono presenti server virtualizzati. Nell'hypervisor del server, eseguire il vRouter/vSwitch integrato. Il controller SDN fornisce la configurazione del tunnel tra il server virtualizzato e il router DC G/W (il router PE che crea la VPN MPLS L3 nel data center cloud). Creare tunnel SDN (ad esempio MPLS GRE o VXLAN) tra ciascuna macchina virtuale (ad esempio, core IoT 5G) e i router DC G/W nel cloud core.
Il controller SDN gestisce quindi la mappatura tra questi tunnel e la VPN MPLS L3, come la VPN IoT. Il processo è lo stesso nell'edge cloud, creando una slice IoT connessa dall'edge cloud al backbone IP/MPLS e fino al core cloud. Questo processo può essere implementato sulla base di tecnologie e standard maturi e disponibili al momento.
(3) Slicing di rete tra edge e core cloud: IP/MPLS-SDN
Ciò che rimane ora è la rete mobile fronthaul. Come possiamo tagliare questa rete mobile fronthaul tra il cloud edge e la RU 5G? Innanzitutto, è necessario definire la rete fronthaul 5G. Sono in fase di discussione alcune opzioni (ad esempio, l'introduzione di una nuova rete forward basata su pacchetti ridefinendo le funzionalità di DU e RU), ma non è ancora stata elaborata una definizione standard. La figura seguente è un diagramma presentato nel gruppo di lavoro ITU IMT 2020 e fornisce un esempio di rete fronthaul virtualizzata.

Esempio di suddivisione della rete 5G C-RAN da parte dell'organizzazione ITU