Одна сеть 5G должна одновременно поддерживать совершенно разные сценарии обслуживания. Один пользователь может смотреть видео высокой чёткости, другой — подключать большое количество датчиков IoT, а промышленному заказчику могут требоваться сверхнизкая задержка и повышенная надёжность для локального производственного процесса. Эти услуги предъявляют разные требования к полосе пропускания, задержке, безопасности, плотности устройств и покрытию.

Строить отдельную физическую мобильную сеть для каждого типа услуг нереалистично. Стоимость была бы слишком высокой, ресурсами было бы трудно управлять, а развёртывание заняло бы много времени. Сетевой слайсинг 5GC решает эту задачу, создавая логические частные сети поверх общей физической инфраструктуры. Каждый слайс можно спроектировать с собственными характеристиками обслуживания, одновременно повторно используя общие ресурсы доступа, транспорта, вычислений и ядра сети.

Проще говоря, сетевой слайс — это настроенная логическая сеть для определённой группы услуг, промышленного заказчика или категории приложений. Это не только внутренняя концепция 5GC в ядре сети, а сквозной подход, который может охватывать сеть радиодоступа 5G, транспортную или несущую сеть и ядро 5G. Ценность заключается в балансе двух целей: совместном использовании физических ресурсов ради экономии и логической изоляции ради дифференциации услуг.

Зачем нужны сетевые слайсы

Появление сетевого слайсинга 5GC связано с большими различиями между сценариями услуг 5G. Основные категории — eMBB, mMTC и uRLLC. Улучшенная мобильная широкополосная связь ориентирована на высокую пропускную способность и богатый пользовательский опыт. Массовые межмашинные коммуникации ориентированы на очень большое количество устройств с низкой скоростью передачи данных. Сверхнадёжная связь с малой задержкой ориентирована на строгие требования к задержке, надёжности и гарантии обслуживания.

Эти категории формируют разные приоритеты проектирования сети. eMBB может требовать высокой или сверхвысокой пропускной способности на устройство и широкого покрытия. mMTC может требовать огромной плотности устройств, низкой скорости передачи и низкой стоимости на бит. uRLLC может требовать крайне малой задержки, повышенной надёжности и более строгого контроля поведения услуги. Если обрабатывать все эти услуги как обычный трафик best effort, потенциал 5G будет использован не полностью.

Сетевой слайсинг позволяет оператору обслуживать эти разные потребности посредством логического разделения. Потребительский широкополосный слайс, промышленный управляющий слайс и IoT-слайс могут использовать общую физическую инфраструктуру, но иметь разные политики обслуживания, функции ядра, поведение QoS и эксплуатационные правила. Это создаёт более гибкий способ продажи и эксплуатации возможностей мобильной сети.

Что входит в состав слайса

Сетевой слайс — это логическая сеть, предоставляющая определённые сетевые возможности и характеристики. Экземпляр сетевого слайса, или NSI, представляет собой развёрнутую версию этого слайса. Он включает набор экземпляров сетевых функций и необходимые для их работы вычислительные, дисковые и сетевые ресурсы.

В развёртывании 5GC некоторые функции могут использоваться совместно несколькими слайсами, а другие — быть выделены одному слайсу. Например, в некоторых архитектурах несколько слайсов могут совместно использовать общие функции плоскости управления, такие как AMF. Одновременно каждый слайс может применять собственные SMF и UPF, чтобы обработка сеансов и трафик пользовательской плоскости соответствовали его требованиям.

Так возникает чёткое разделение между общими и специфичными для слайса частями. Общая часть уменьшает дублирование и экономит ресурсы. Специфичная часть задаёт каждой услуге собственное поведение, путь данных и обработку. Во многих архитектурах один UE также может получать доступ к нескольким слайсам, а разные PDU-сеансы используют разные связанные со слайсами пути.

Сетевой слайсинг не требует запуска каждой функции на физически отдельном сервере. Функции разных слайсов могут работать в одном кластере серверов X86 и сохранять изоляцию благодаря виртуализации, KVM, пространствам имён контейнеров, механизмам VPN и политикам управления. Поэтому слайсинг практичнее, чем строительство отдельных физических сетей.

Как работает идентификация слайсов

Выбор слайса зависит от идентификаторов. Ключевой идентификатор — S-NSSAI, или информация содействия выбору одного сетевого слайса. Он однозначно определяет один сетевой слайс. NSSAI представляет собой набор нескольких S-NSSAI и поэтому обозначает группу слайсов, а не один слайс.

S-NSSAI состоит из двух основных частей. SST, или тип слайса/услуги, определяет тип слайса. Типовые значения SST: 1 для eMBB, 2 для URLLC, 3 для MIOT и 4 для V2X. SD, или дифференциатор слайса, различает разные слайсы одного типа. Это полезно, когда два слайса относятся к одному классу услуг, но обслуживают разных клиентов, регионы или бизнес-политики.

В реальных процедурах важны несколько терминов NSSAI. Configured NSSAI может быть заранее настроен в UE или передан AMF и помогает UE сформировать запрашиваемую информацию о слайсе. Subscribed NSSAI — сохранённые для пользователя данные подписки на слайсы. Requested NSSAI передаётся UE в запросе регистрации. Allowed NSSAI — набор слайсов, к которым UE разрешён доступ в текущей области регистрации. Rejected NSSAI сообщает UE, доступ к каким слайсам был отклонён.

Разрешённый набор слайсов определяется не только UE. На него влияют политика NSSF, данные подписки UDM, поддерживаемые AMF возможности и условия области регистрации. Итоговый разрешённый результат AMF передаёт UE в сообщении принятия регистрации. UE может одновременно получить доступ максимум к восьми слайсам, поэтому Allowed NSSAI может содержать до восьми S-NSSAI.

Как принимается решение о выборе

В 5G вводится NSSF, функция выбора сетевого слайса, которая помогает выбрать подходящий экземпляр, определить точку входа AMF для слайса и сформировать Allowed NSSAI. Выбор происходит в два основных этапа. Первый выполняется при первоначальной регистрации, когда сеть выбирает связанный со слайсом AMF и определяет разрешённый для UE набор слайсов. Второй выполняется при установлении PDU-сеанса, когда выбираются SMF, UPF и связанная обработка пользовательской плоскости.

Во время регистрации UE может выбрать Requested NSSAI на основе Configured NSSAI или ранее сохранённого Allowed NSSAI. Когда gNB требуется выбрать AMF, при наличии он может использовать 5G-S-TMSI или GUAMI. Если эти идентификаторы недоступны, gNB может применять Requested NSSAI для выбора AMF. Если ни одно условие не помогает, сообщение может быть отправлено AMF по умолчанию.

Requested S-NSSAI повышает точность первой попытки выбора AMF. Вместо выбора вслепую gNB располагает связанной со слайсом информацией, увеличивающей вероятность выбора подходящего AMF. Если выбранный AMF может обслуживать запрошенный слайс и UE имеет соответствующую подписку, AMF может отправить принятие регистрации с правильным Allowed NSSAI.

Если AMF не может обслуживать запрошенный слайс или UE на него не подписан, AMF может потребоваться запрос к NSSF. NSSF может вернуть другой Allowed NSSAI и подходящий AMF. После этого запрос регистрации может быть прямо или косвенно перенаправлен нужному AMF. Процесс остаётся гибким, но контролируется подпиской, политиками и возможностями сети.

Почему изоляция важна

Изоляция — одна из основных причин интереса предприятий и промышленных заказчиков к слайсингу. Каждый слайс должен вести себя как логическая частная сеть, даже при совместном использовании физических ресурсов. Разные слайсы не должны свободно видеть друг друга или влиять друг на друга. Это поддерживает безопасность, эксплуатационную независимость и контроль уровня обслуживания.

Изоляцию можно реализовать на нескольких уровнях. Выбор слайса разделяет путь доступа к услуге. Виртуальные машины или контейнеры разделяют вычислительные среды. Механизмы пространств имён могут изолировать ресурсы на уровне контейнеров. VPN и разделение транспорта защищают пути трафика. Управление политиками задаёт разные правила QoS и обслуживания. Системы управления также могут разделять видимость клиентов и операционные полномочия.

На бизнес-уровне изоляция упрощает предоставление индивидуальных услуг. Слайсу для завода может требоваться повышенная надёжность и меньшая задержка. Широкополосному видеослайсу может требоваться высокая пропускная способность. IoT-слайсу может требоваться большая ёмкость устройств и низкие расходы на сигнализацию. Каждый слайс можно настроить под разные требования, не неся затрат на полностью отдельную физическую сеть.

Почему важно управление жизненным циклом

Сетевые слайсы не являются статическими объектами. Подобно сетевым функциям, они имеют жизненный цикл. Слайс можно подготовить, инстанцировать, настроить, активировать, контролировать, масштабировать, изменить, деактивировать и завершить. Управление жизненным циклом важно, поскольку коммерческая ценность появляется только тогда, когда слайсы можно эффективно создавать, изменять и удалять.

Жизненный цикл можно представить в виде четырёх этапов. Первый — подготовка, включая разработку шаблона, предварительное выделение ресурсов и подготовку сетевой среды. Второй — инстанцирование, настройка и активация: слайс создаётся, загружается конфигурация услуги и начинается обслуживание. Третий — эксплуатация, во время которой контролируются KPI, аварийные сигналы, отчёты и показатели производительности услуги. По результатам система может запустить самовосстановление или автоматическое масштабирование. Четвёртый — вывод из эксплуатации, когда пользователей можно мигрировать, слайс деактивируется, а ресурсы освобождаются.

Этот процесс обычно выполняется менеджером слайсов совместно с MANO. MANO включает оркестрацию, управление VNF и управление виртуальной инфраструктурой. Функции EMS или NMS отвечают за управление сетевыми элементами, конфигурацию, аварии, производительность и операции безопасности. Вместе эти системы превращают проект слайса в развёрнутую и управляемую сетевую услугу.

Шаблоны обеспечивают NSaaS

Шаблон слайса описывает требуемые сетевые функции, спецификации, ресурсы, соединения и параметры услуг. Для внешнего клиента он выглядит как шаблон слайса. В среде оператора его может потребоваться преобразовать в шаблон сетевой услуги, понятный MANO. В зависимости от среды оркестрации могут использоваться форматы HOT, OVF и TOSCA.

Проектирование шаблона начинается с требований клиента. Оператору необходимо понять требования QoS, полосу пропускания, число одновременно подключённых пользователей, резервирование, безопасность и зону обслуживания. Затем эти требования переводятся в сетевые ресурсы и параметры 5GC, такие как 5QI и соответствующее управление политиками. После этого шаблон можно загрузить в менеджер слайсов или оркестратор для управления жизненным циклом.

Так возникает концепция Network Slice as a Service, или NSaaS. В идеальной модели промышленный клиент может выбрать шаблон онлайн, передать требования, оформить заказ и после автоматического создания получить параметры слайса. Магазин слайсов или клиентский портал передаёт заказ в BOSS и оркестратор. Оркестратор взаимодействует с VNFM, VIM и EMS или NMS, чтобы инстанцировать слайс, выделить ресурсы, настроить сетевые функции и подтвердить готовность услуги.

Результатом становится новая коммерческая модель. Вместо длительных офлайн-переговоров и ручной активации клиент может получить портал самообслуживания, быстрое предоставление и эластичное расширение. Небольшой клиент может начать со слайса на 500 пользователей, использовать его год, а затем расширить до 1000 пользователей. После завершения услуги слайс можно удалить, а ресурсы освободить. В этом практическая ценность слайсинга: индивидуальная услуга, сокращение времени вывода на рынок и более эффективное повторное использование ресурсов.

Часто задаваемые вопросы

Может ли сетевой слайс существовать без выделенного физического оборудования?

Да. Слайс — это логическая сеть. Он может совместно использовать физические серверы, транспортные ресурсы и инфраструктуру доступа, сохраняя разделение с помощью виртуализации, контейнеров и управления политиками.

Зачем одному UE несколько слайсов?

UE может одновременно использовать разные типы услуг. Например, один PDU-сеанс может использовать корпоративный слайс, а другой — общий интернет-слайс или слайс, связанный с IMS.

Что определяет принятие запроса на слайс?

Решение зависит от данных подписки, возможностей AMF, политики NSSF, условий области регистрации и поддержки запрошенного S-NSSAI в текущем сетевом контексте.

Зачем нужен SD, если SST уже определяет тип слайса?

SST определяет тип услуги, а SD различает несколько слайсов одного типа. Это позволяет одновременно использовать несколько eMBB-, URLLC- или IoT-слайсов с разным бизнес-назначением.

Как слайсинг сокращает время коммерческого развёртывания?

Шаблоны, оркестрация и автоматическое управление жизненным циклом уменьшают объём ручного проектирования и развёртывания. Масштабирование, активация и освобождение ресурсов выполняются намного быстрее, чем при традиционном строительстве выделенной сети.

Сетевой слайсинг 5GC — это не только техническая архитектура. Это способ упаковать возможности мобильной сети в логические, изолированные и ориентированные на конкретные услуги сети. Объединяя общую инфраструктуру, идентификацию слайсов, контролируемый выбор, управление жизненным циклом и оркестрацию по шаблонам, операторы могут поддерживать разные отрасли и типы услуг без строительства отдельной физической сети для каждого клиента.