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2019年5月6日 星期一

Network Slicing for 5G Networks by Leveraging SDN- Balaji Ethirajulu


科寶電子官網 www.cop-security.com

leiphone 作者:赵鑫龙

如果說4G網路是一把刀,足可削鐵如泥、吹毛斷發。那麼,5G網路就是一把瑞士刀,靈活方便、多功能用途。

一篇文章看懂,5G网络切片是什么?

4G網路主要為智慧手機而生。進入5G時代,我們將面臨「下一件大事(the next big thing)」 — 物聯網。無物不聯的時代,將有大量的設備接入網路,這些設備分屬不同的工業領域,它們具有不同的特點和需求。

換句話說,它們對於網路的行動性、安全性、時延、可靠性,甚至是計費方式的需求是不同的。所以,5G網路必須得像瑞士刀一樣,靈活方便且具有多功能性。

舉兩個例子。

用於森林防火的物聯網應用中,分布於森林的大量傳測器檢測溫度、濕度和降水,它們是靜止不動的,它們並不需要像智慧手機一樣需要切換、位置更新等移動性管理。一份NOKIA的報告顯示,預計5G網路中有70%的設備,是靜止不動的,而行動用戶僅佔30%。

一篇文章看懂,5G网络切片是什么?

當5G應用於無人駕駛、遠端機器人控制等領域中,則要求超低的端到端時延,這個時延比智慧手機無線上網的時延要低得多,通常不能超過幾毫秒。

所以,面向不同的應用領域,5G網路得像瑞士刀一樣。怎麼辦?當全世界都在談5G的時候,通信業界裡談論得最多的是 —— 5G網路切片技術(Network Slicing)。網路切片,已成為韓國KT、SK電信,日本KDDI 和NTT,以及愛立信、諾基亞、華為、中國移動等設備商,公認的最理想的5G網路構架。

什麼是網路切片?最簡單的理解,就是將一個物理網路,切割成多個虛擬的端到端的網路,每個虛擬網路之間,包括網路內的設備、接入、傳輸和核心網,是邏輯獨立的,任何一個虛擬網路發生故障,都不會影響到其它虛擬網路。

每個虛擬網路就像是瑞士刀上的鉗子、鋸子一樣,具備不同的功能特點,面向不同的需求和服務。

或者可以這麼說,就像你安裝電腦的時候,將你的物理硬碟分區,劃分成C盤、D盤、E盤…

為了進一步瞭解5G網路切片,我們先將5G網路的應用場景劃分為三類:行動寬頻、海量物聯網(Massive IoT)和任務關鍵性物聯網(Mission-critical IoT)。

一篇文章看懂,5G网络切片是什么?

如上表所示,5G網路的三類應用場景的服務需求是不一樣的:

1)行動寬頻
5G時代將面向4K/8K超高清影像、全像技術、增強現實/虛擬現實等應用,行動寬頻的主要需求,是更高的數據容量。

2)海量物聯網
海量感測器部署於測量、建築、農業、物流、智慧城市、家庭等領域,這些感測器設備是非常密集的,大部分是靜止的。

3)任務關鍵性物聯網
任務關鍵性物聯網主要應用於無人駕駛、自動工廠、智慧電網等領域,主要需求是超低時延和高可靠性。

4G網路主要服務於人,連接網路的主要設備是智慧手機,不需要網路切片,以面向不同的應用場景。

一篇文章看懂,5G网络切片是什么?

5G時代,不同領域的不同設備大量接入網路,網路將面向三類應用場景:行動寬頻、海量物聯網和任務關鍵性物聯網。

一篇文章看懂,5G网络切片是什么?

如何網路切片呢?我們並不需要為每一類應用場景,建構一個網路,所以,它不是這樣的...

一篇文章看懂,5G网络切片是什么?

我們要做的是,將一個物理網路,分成多個虛擬的邏輯網路,每一個虛擬網路對應不同的應用場景,這就叫網路切片。

一篇文章看懂,5G网络切片是什么?

5G白皮書裡,關於網路切片的架構是這樣的:

一篇文章看懂,5G网络切片是什么?

我們將如何完成端到端的網路切片呢?上面的內容太抽象,在實際的網路部署中我們是怎麼做的呢?

1)5G無線接入網和核心網:NFV
目前4G網路中主要終端設備是手機,網路中的無線接入網部分(包括數位單元(DU)和射頻單元(RU))和核心網部分都採用設備商提供的專用設備。
如下圖:

一篇文章看懂,5G网络切片是什么?

為了實現網路切片,網路功能虛擬化(NFV,Network Function Virtualization)是先決條件。本質上講,所謂NFV,就是將網路中的專用設備的軟硬體功能(比如核心網中的MME, S/P-GW和PCRF,無線接入網中的數位單元DU等),轉移到虛擬主機(VMs,Virtual Machines)上。

這些虛擬主機是基於行業標準的商用伺服器,它們是COTS商用現成產品,低成本且安裝簡便。 簡單的說,就是用基於行業標準的伺服器、儲存和網路設備,來取代網路中的專用的網元設備。

網路經過功能虛擬化後,無線接入網部分叫邊緣雲(Edge Cloud),而核心網部分叫核心雲(Core Cloud)。邊緣雲中的VMs和核心雲中的VMs,透過SDN(軟體定義網路)互聯互通。

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這樣,網路採用NFV和SDN後,執行切片就非常容易了,像切麵包一樣水平將網路「切」成多個虛擬子網路(片)就可以了。

一篇文章看懂,5G网络切片是什么?

如上圖所示,針對不同的應用場景,網路被「切」成4「片」:

高清影像切片:原來網中數位單元(DU),和部分核心網功能被虛擬化後,加上儲存伺服器,統一放入邊緣雲。而部分被虛擬化的核心網功能,放入核心雲。

手機切片:原網路無線接入部分的數位單元(DU)被虛擬化後,放入邊緣雲。而原網的核心網功能,包括IMS,被虛擬化後放入核心雲。

海量物聯網切片:由於大部分感測器都是靜止不動的,並不需要行動性管理,在這一切片裡,核心雲的任務,相對輕鬆簡單。

任務關鍵性物聯網切片:由於對時延要求很高,為了最小化端到端時延,原網的核心網功能和相關器,均下沈到邊緣雲。

網路結構是這樣的:

一篇文章看懂,5G网络切片是什么?

當然,網路切片技術,並不僅限於這幾類切片,它是靈活的,營運商可以隨心所欲的,根據應用場景客製化自己的虛擬網路。

2)邊緣雲與核心雲的連接: IP/MPLS-SDN

一篇文章看懂,5G网络切片是什么?

5G切片網路透過SDN,連接邊緣雲和核心雲裡的VMs。核心雲裡有虛擬化的伺器,伺器的Hypervisor裡,運行著內置的vRouter/vSwitch,SDN控制器負責在虛擬伺器,與DC G/W路由器之間,創建SDN tunnels,隨後,SDN控制器執行SDN tunnels,和MPLS L3 VPN之間的映射,從而建立核心雲與邊緣雲之間的連接。

3)邊緣雲與基地台射頻單元的網路切片
現在,我們來到前傳部分。如何完成5G 射頻單元(RU)與邊緣雲之間(前傳)部分的切片?首先需要定義5G前傳的標準,目前並沒有統一的標準。下圖是國際電信聯盟(ITU)5G行動通信標準研究小組(Focus Group on IMT-2020)曾提出的一個虛擬化前傳的結構圖,有興趣可以看看:

一篇文章看懂,5G网络切片是什么?

這就是5G網路切片技術,有了它,5G才會成為無線網路領域鋒利的瑞士刀。

通信路上,一起走!



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