เหตุใด 5G จึงต้องการ Network Slicing และจะนำ Network Slicing ใน 5G ไปใช้งานได้อย่างไร?

5G และการแบ่งส่วนเครือข่าย (Network Slicing)
เมื่อพูดถึง 5G เทคโนโลยีที่ถูกพูดถึงมากที่สุดคือ Network Slicing ผู้ให้บริการเครือข่าย เช่น KT, SK Telecom, China Mobile, DT, KDDI, NTT และผู้ผลิตอุปกรณ์ เช่น Ericsson, Nokia และ Huawei ต่างเชื่อว่า Network Slicing คือสถาปัตยกรรมเครือข่ายที่เหมาะสมที่สุดสำหรับยุค 5G
เทคโนโลยีใหม่นี้ช่วยให้ผู้ให้บริการสามารถแบ่งเครือข่ายเสมือนแบบครบวงจรหลายเครือข่ายในโครงสร้างพื้นฐานฮาร์ดแวร์ โดยแต่ละ Network Slice จะแยกออกจากอุปกรณ์ เครือข่ายการเข้าถึง เครือข่ายการขนส่ง และเครือข่ายหลักอย่างเป็นตรรกะ เพื่อตอบสนองลักษณะที่แตกต่างกันของบริการประเภทต่างๆ
สำหรับแต่ละ Network Slice จะมีการรับประกันทรัพยากรเฉพาะ เช่น เซิร์ฟเวอร์เสมือน แบนด์วิดท์เครือข่าย และคุณภาพการบริการอย่างเต็มที่ เนื่องจาก Slice แต่ละส่วนแยกออกจากกัน ข้อผิดพลาดหรือความล้มเหลวใน Slice หนึ่งจะไม่ส่งผลกระทบต่อการสื่อสารของ Slice อื่นๆ

เหตุใด 5G จึงต้องการ Network Slicing?
จากอดีตจนถึงปัจจุบัน เครือข่ายมือถือให้บริการเฉพาะโทรศัพท์มือถือเป็นหลัก และโดยทั่วไปจะทำการปรับแต่งเฉพาะโทรศัพท์มือถือเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในยุค 5G เครือข่ายมือถือจำเป็นต้องให้บริการอุปกรณ์หลากหลายประเภทและความต้องการ สถานการณ์การใช้งานหลายอย่างที่กล่าวถึง ได้แก่ บรอดแบนด์มือถือ IoT ขนาดใหญ่ และ IoT ที่มีความสำคัญต่อภารกิจ ทั้งหมดนี้ต้องการเครือข่ายประเภทต่างๆ และมีความต้องการที่แตกต่างกันในด้านการเคลื่อนที่ การเข้าถึงข้อมูล ความปลอดภัย การควบคุมนโยบาย ความหน่วง ความน่าเชื่อถือ และอื่นๆ
ตัวอย่างเช่น บริการ IoT ขนาดใหญ่เชื่อมต่อเซ็นเซอร์แบบติดตั้งอยู่กับที่เพื่อวัดอุณหภูมิ ความชื้น ปริมาณน้ำฝน ฯลฯ ไม่จำเป็นต้องมีการส่งต่อ การอัปเดตตำแหน่ง และคุณสมบัติอื่นๆ ของโทรศัพท์หลักที่ให้บริการในเครือข่ายมือถือ นอกจากนี้ บริการ IoT ที่มีความสำคัญต่อภารกิจ เช่น การขับขี่อัตโนมัติและการควบคุมหุ่นยนต์จากระยะไกล ต้องการความหน่วงแฝงแบบ end-to-end เพียงไม่กี่มิลลิวินาที ซึ่งแตกต่างจากบริการบรอดแบนด์มือถืออย่างมาก

สถานการณ์การใช้งานหลักของ 5G
นี่หมายความว่าเราจำเป็นต้องมีเครือข่ายเฉพาะสำหรับแต่ละบริการหรือไม่? ตัวอย่างเช่น เครือข่ายหนึ่งสำหรับโทรศัพท์มือถือ 5G เครือข่ายหนึ่งสำหรับ IoT ขนาดใหญ่ 5G และอีกเครือข่ายหนึ่งสำหรับ IoT ที่สำคัญต่อภารกิจ 5G เราไม่จำเป็นต้องทำเช่นนั้น เพราะเราสามารถใช้การแบ่งส่วนเครือข่าย (network slicing) เพื่อแยกเครือข่ายเชิงตรรกะหลายเครือข่ายออกจากเครือข่ายทางกายภาพที่แยกต่างหาก ซึ่งเป็นวิธีการที่ประหยัดต้นทุนมาก!

ข้อกำหนดการใช้งานสำหรับ Network Slicing
โครงสร้างเครือข่าย 5G ที่อธิบายไว้ในเอกสารไวท์เปเปอร์ 5G ที่เผยแพร่โดย NGMN แสดงอยู่ด้านล่าง:

เราจะนำ Network Slicing แบบครบวงจรมาใช้งานได้อย่างไร?
(1)เครือข่ายการเข้าถึงไร้สาย 5G และเครือข่ายหลัก: NFV
ในเครือข่ายมือถือปัจจุบัน อุปกรณ์หลักคือโทรศัพท์มือถือ RAN (DU และ RU) และฟังก์ชันหลักถูกสร้างขึ้นจากอุปกรณ์เครือข่ายเฉพาะที่จัดหาโดยผู้จำหน่าย RAN ในการใช้งาน Network Slicing นั้น Network Function Virtualization (NFV) เป็นสิ่งจำเป็น โดยพื้นฐานแล้ว แนวคิดหลักของ NFV คือการติดตั้งซอฟต์แวร์ฟังก์ชันเครือข่าย (เช่น MME, S/P-GW และ PCRF ใน Packet Core และ DU ใน RAN) ทั้งหมดในเครื่องเสมือนบนเซิร์ฟเวอร์เชิงพาณิชย์ แทนที่จะติดตั้งแยกต่างหากในอุปกรณ์เครือข่ายเฉพาะ ด้วยวิธีนี้ RAN จะถูกมองว่าเป็น Edge Cloud ในขณะที่ฟังก์ชันหลักจะถูกมองว่าเป็น Core Cloud การเชื่อมต่อระหว่าง VMS ที่อยู่บริเวณ Edge และใน Core Cloud จะถูกกำหนดค่าโดยใช้ SDN จากนั้นจะสร้าง Slice สำหรับแต่ละบริการ (เช่น Phone Slice, Massive IoT Slice, Mission Critical IoT Slice เป็นต้น)

 

วิธีการใช้งาน Network Slicing (I) หนึ่งวิธี?
ภาพด้านล่างแสดงวิธีการสร้างแอปพลิเคชันเสมือนและติดตั้งในแต่ละส่วน (slicing) สำหรับแต่ละบริการ ตัวอย่างเช่น การแบ่งส่วนสามารถกำหนดค่าได้ดังนี้:
(1)การแบ่งส่วน UHD: การสร้างเซิร์ฟเวอร์เสมือน DU, 5G core (UP) และแคชในคลาวด์ขอบ และการสร้างเซิร์ฟเวอร์เสมือน 5G core (CP) และ MVO ในคลาวด์หลัก
(2) การแบ่งส่วนโทรศัพท์: การสร้างเสมือนแกน 5G (UP และ CP) และเซิร์ฟเวอร์ IMS ที่มีความสามารถในการเคลื่อนที่อย่างเต็มรูปแบบในคลาวด์หลัก
(3) การแบ่งส่วน IoT ขนาดใหญ่ (เช่น เครือข่ายเซ็นเซอร์) : การสร้างระบบเสมือนแกน 5G ที่เรียบง่ายและน้ำหนักเบาในคลาวด์หลักไม่มีความสามารถในการจัดการการเคลื่อนที่
(4) การแบ่งส่วน IoT ที่สำคัญต่อภารกิจ: การสร้างคอร์ 5G เสมือน (UP) และเซิร์ฟเวอร์ที่เกี่ยวข้อง (เช่น เซิร์ฟเวอร์ V2X) ในคลาวด์ขอบเพื่อลดความหน่วงในการส่งข้อมูล
ที่ผ่านมา เราจำเป็นต้องสร้างส่วนเครือข่ายเฉพาะสำหรับบริการที่มีข้อกำหนดแตกต่างกัน และฟังก์ชันเครือข่ายเสมือนจะถูกจัดวางไว้ในตำแหน่งที่แตกต่างกันในแต่ละส่วน (เช่น คลาวด์ขอบเครือข่ายหรือคลาวด์หลัก) ตามลักษณะเฉพาะของบริการที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ ฟังก์ชันเครือข่ายบางอย่าง เช่น การเรียกเก็บเงิน การควบคุมนโยบาย ฯลฯ อาจจำเป็นในบางส่วน แต่ไม่จำเป็นในส่วนอื่น ผู้ให้บริการสามารถปรับแต่งการแบ่งส่วนเครือข่ายได้ตามต้องการ และอาจเป็นวิธีที่ประหยัดต้นทุนที่สุด

วิธีการใช้งาน Network Slicing (I) หนึ่งวิธี?
(2) การแบ่งส่วนเครือข่ายระหว่างขอบและคลาวด์หลัก: IP/MPLS-SDN
แม้ว่าแนวคิดเรื่องเครือข่ายที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์ (Software Defined Networking หรือ SDN) จะดูเรียบง่ายเมื่อเริ่มแรก แต่ปัจจุบันกลับมีความซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ ยกตัวอย่างเช่น ในรูปแบบของโอเวอร์เลย์ (Overlay) เทคโนโลยี SDN สามารถสร้างการเชื่อมต่อเครือข่ายระหว่างเครื่องเสมือน (Virtual Machines) บนโครงสร้างพื้นฐานเครือข่ายที่มีอยู่เดิมได้

การแบ่งส่วนเครือข่ายแบบครบวงจร
ประการแรก เราจะพิจารณาถึงวิธีการตรวจสอบให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อเครือข่ายระหว่างคลาวด์ส่วนปลายและเครื่องเสมือนในคลาวด์หลักมีความปลอดภัย เครือข่ายระหว่างเครื่องเสมือนจำเป็นต้องถูกนำไปใช้บนพื้นฐานของ IP/MPLS-SDN และ Transport SDN ในเอกสารนี้ เราจะเน้นที่ IP/MPLS-SDN ที่จัดหาโดยผู้ผลิตเราเตอร์ ทั้ง Ericsson และ Juniper ต่างก็มีผลิตภัณฑ์สถาปัตยกรรมเครือข่าย IP/MPLS SDN การทำงานอาจแตกต่างกันเล็กน้อย แต่การเชื่อมต่อระหว่างเครื่องเสมือนที่ใช้ SDN นั้นคล้ายคลึงกันมาก
ในระบบคลาวด์หลักจะมีเซิร์ฟเวอร์เสมือนอยู่ ในไฮเปอร์ไวเซอร์ของเซิร์ฟเวอร์ จะรัน vRouter/vSwitch ที่ติดตั้งมาด้วย ตัวควบคุม SDN จะกำหนดค่าอุโมงค์ระหว่างเซิร์ฟเวอร์เสมือนและเราเตอร์ DC G/W (เราเตอร์ PE ที่สร้าง MPLS L3 VPN ในศูนย์ข้อมูลคลาวด์) สร้างอุโมงค์ SDN (เช่น MPLS GRE หรือ VXLAN) ระหว่างเครื่องเสมือนแต่ละเครื่อง (เช่น แกนหลัก 5G IoT) และเราเตอร์ DC G/W ในระบบคลาวด์หลัก
จากนั้นตัวควบคุม SDN จะจัดการการแมประหว่างอุโมงค์เหล่านี้กับ VPN MPLS L3 เช่น VPN สำหรับ IoT กระบวนการนี้เหมือนกันในคลาวด์ส่วนปลาย โดยสร้างส่วนเชื่อมต่อ IoT จากคลาวด์ส่วนปลายไปยังโครงข่ายหลัก IP/MPLS และต่อไปยังคลาวด์หลัก กระบวนการนี้สามารถนำไปใช้ได้โดยอาศัยเทคโนโลยีและมาตรฐานที่พร้อมใช้งานและมีความเสถียรแล้ว
(3) การแบ่งส่วนเครือข่ายระหว่างขอบและคลาวด์หลัก: IP/MPLS-SDN
สิ่งที่เหลืออยู่ตอนนี้คือเครือข่าย fronthaul แบบเคลื่อนที่ เราจะตัดผ่านเครือข่าย fronthaul แบบเคลื่อนที่นี้ระหว่าง edge cloud และ 5G RU ได้อย่างไร? อันดับแรก ต้องกำหนดเครือข่าย fronthaul 5G ก่อน มีหลายทางเลือกที่อยู่ระหว่างการพิจารณา (เช่น การแนะนำเครือข่ายส่งต่อแบบแพ็กเก็ตใหม่โดยการกำหนดฟังก์ชันการทำงานของ DU และ RU ใหม่) แต่ยังไม่มีการกำหนดมาตรฐานใดๆ ภาพต่อไปนี้เป็นแผนภาพที่นำเสนอในกลุ่มทำงาน ITU IMT 2020 และแสดงตัวอย่างของเครือข่าย fronthaul เสมือน

ตัวอย่างการแบ่งส่วนเครือข่าย 5G C-RAN โดยองค์กร ITU