5G Network Slicing

5G network slicing คือ โครงสร้างของโครงข่าย 5G ที่สามารถหรือรองรับโครงข่ายจำลองแยกตัวออกมาสำหรับการใช้งานในรูปแบบต่าง ๆ ซึ่งจะแบ่งเครือข่ายส่วนต่าง ๆ ออกเป็นสไลด์ โดยแต่ละสไลด์จะแสดงถึงโครงข่ายต้นทางถึงปลายทาง (end-to-end network) จำลองที่ผู้ให้บริการสามารถให้บริการรูปแบบต่าง ๆ บนหลากหลายโครงสร้างขนานกันได้ ดังนั้น network slice จะแสดงถึงโครงข่ายเชิงตรรกะ (logical network) ต่าง ๆ ที่เกิดขึ้น [1]

เนื่องจากโครงข่าย 5G ได้เพิ่มการรองรับบริการอย่างหลากหลายทั้งการใช้งานในรูปแบบ massive machine-type communication (mMTC) และ ultra reliable low latency communication (URLLC) ที่ไม่เคยมีมาก่อนหรือ enhanced mobile broadband (eMBB) ที่มีความสามารถมากขึ้นจากเทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายที่ผ่านมา จึงมีความจำเป็นที่ต้องสร้างโครงข่ายที่สามารถรองรับบริการได้ทุกอย่าง network slicing จึงมีบทบาทสำคัญในโครงข่าย 5G ที่สามารถปรับรูปแบบโครงข่ายได้อย่างมากมาย

Network slice ในมุมมองของโครงข่ายเชิงตรรกะถือว่าเป็นโครงข่ายที่สมบูรณ์ในตัวมันเอง (self-contained) ซึ่งจะประกอบด้วยฟังก์ชันต่าง ๆ รวมถึงอุปกรณ์ผู้ใช้งาน (user equipment: UE) และใช้งานการเชื่อมโยงฟังก์ชันโครงข่าย (network function chain) สำหรับการให้บริการแก่อุปกรณ์ต่าง ๆ ในโครงข่ายนั้น การให้บริการ network slicing ในโครงข่าย 5G ก่อให้เกิดความท้าทายในด้านต่าง ๆ ทั้งในส่วนของการจำลองและการจัดสรรโครงข่ายการเข้าถึงวิทยุ (radio access network: RAN) ในสไสด์ต่าง ๆ network slicing จะถูกสร้างขึ้นมาให้รองรับข้อกำหนดที่หลากหลายของโครงข่าย 5G โดยประกอบด้วยเทคนิคหลักดังนี้ [2]

1. ฟังก์ชันโครงข่าย (network functions) แสดงถึงฟังก์ชันย่อยพื้นฐานที่จะเป็นฐานในการสร้างโครงข่ายสไลด์ต่าง ๆ ขึ้นมา
2. การจำลองเสมือน (virtualization) แสดงถึงอุปกรณ์จริงที่ทำงานร่วมกันภาย ซึ่งสามารถรองรับขยายความสามารถของอุปกรณ์ภายใต้ฟังก์ชันโครงข่ายเสมือน (network function virtualization: NFV) ที่สามารถจัดสรรฟังก์ชันโครงข่ายจากอุปกรณ์ที่ทำงานอยู่ได้
3. orchestration คือกระบวนการประสานอุปกรณ์ต่าง ๆ ในโครงข่ายที่ทำงานร่วมกันในแต่ละ network slice ซึ่งในโครงข่าย 5G จะเป็น software-defined networking (SDN) ในการประสานได้อย่างรวดเร็วและยืดหยุ่น

Network slicing ตามมาตรฐานของ 3GPP

นิยามตาม 3GPP network slice ถูกมองเป็นโครงข่ายต้นทางถึงปลายทางเชิงตรรกะที่สามารถสร้างขึ้นได้อย่างรวดเร็วและยืดหยุ่น โดยอาจมีผู้ใช้งานติดต่อสื่อสารผ่านหลายสไลด์ผ่านทางโครงข่ายการเข้าถึงที่เหมือนกัน เช่น เชื่อมต่อหลายโครงข่ายสไลด์ผ่านโครงข่ายการเข้าถึงวิทยุเหมือนกัน แต่ละสไลด์จะให้บริการรูปแบบต่าง ๆ ตาม service-level agreement (SLA)

เนื้อหาดังกล่าวจะอ้างอิงจะมาตรฐาน network slicing ของ 3GPP TS 23.501 ใน SA2 [3] โดยสไลด์โครงข่ายของนิยาม ไว้ใน public land mobile network (PLMN) และรวมถึง control plane ของโครงข่ายหลัก user plane ของฟังก์ชันโครงข่าย รวมถึง 5G access network (AN) ซึ่งนิยามความหมายของฟังก์ชันโครงข่าย สไลด์ และสไลด์กรณีตัวอย่าง ดังนี้

1. ฟังก์ชันโครงข่าย คือฟังก์ชันการทำงานที่กำหนดโดย 3GPP ในโครงข่าย ซึ่งถูกกำหนดพฤติกรรมและส่วนต่อผสานไว้ เช่นกัน โดยฟังก์ชันโครงข่ายสามารถเป็นซอฟต์แวร์ที่ทำงานบนอุปกรณ์เฉพาะทางหรือเป็นฟังก์ชันเสมือนที่ถูกจำลองบนคลาวด์
2. สไลด์โครงข่าย คือโครงข่ายเชิงตรรกะที่มีคุณสมบัติและลักษณะการทำงานโดยเฉพาะ
3. สไลด์โครงข่ายกรณีตัวอย่าง คือสไลด์โครงข่ายที่ต้องมีทรัพยากร เช่น หน่วยประมวลผล หน่วยความจำ โครงข่ายอื่น ๆ ในการทำงานซึ่งรวมกันเป็นสไลด์โครงข่าย

การระบุและการคัดเลือกสไลด์โครงข่าย

การระบุและการคัดเลือกถูกทำโดย the single network slice selection assistance information (S-NSSAI) และ the network slice selection assistance information (NSSAI) คือกลุ่มของ S-NSSAI โดย 3GPP กำหนดให้จำนวนของ S-NSSAI สูงสุด 8 อยู่ใน NSSAI ส่งข้อความระหว่าง UE กับโครงข่าย หมายความว่าหนึ่ง UE สามารถใช้บริการได้กว่า 8 สไลด์โครงข่าย S-NSSAI ส่งสัญญาณจาก UE ไปสู่โครงข่าย ช่วยโครงช่ายในการเลือกสไลด์โครงข่ายต่าง ๆ โดย S-NSSAI ประกอบด้วย

1. ประเภทของสไลด์หรือบริการ (slice/service type: SST) หมายถึงพฤติกรรมที่ต้องการของสไลด์โครงข่ายในมุมมอง ของฟีเจอร์และบริการ ได้แก่ eMBB URLLC หรือ mMTC
2. ตัวคัดแยกสไลด์ (slice differentiator: SD) เป็นส่วมเสริมของ SST ที่ช่วยคัดแยกสไลด์ต่าง ๆ ของสไลด์ที่มี SST เดียวกัน

S-NSSAI อาจมีส่วนเกี่ยวข้องกับ PLMN และถูกกำหนดค่าเฉพาะของแต่ละโครงข่ายหรือค่าตามมาตรฐานของโครงข่าย โดย S-NSSAI ถูกใช้งานโดย UE ในโครงข่ายเข้าถึงใน PLMN ที่มี S-NSSAI เกี่ยวข้อง

ค่า SST ตามมาตรฐาน

SA2 ได้กำหนดมาตรฐานค่า SST ใน TS 23.501 ค่า SST เหล่านี้จะแสดงถึง SST ที่นิยมใช้งานและช่วยใน การทำงานร่วมกันของการแบ่งสไลด์ ในมาตรฐาน SA2 ปัจจุบันได้นิยามคุณสมบัติสั้น ๆ ของ eMBB SST แสดงดังตาราง แต่อาจจะเปลี่ยนได้ในมาตรฐาน 3GPP Rel.15 ที่กำลังออกมา ส่วน SST อื่น ๆ กำลังอยู่ในกระบวนการออกมาตรฐาน

ลักษณะทั่วไปของ network slicing

Access and mobility management function (AMF) ที่ให้บริการแก่ UE จะประกอบอยู่ในทุกสไลด์โครงข่ายที่ให้ บริการแก่ UE ฟังก์ชันโครงข่ายอื่น เช่น session management function (SMF) หรือ user plane function (UPF) อาจประกอบด้วยอยู่ในบางสไลด์โครงข่าย

การเลือกสไลด์โครงข่ายของ UE อยู่ในขั้นตอนของการลงทะเบียน (registration) โดยที่ AMF จะรับข้อมูลการขอ ลงทะเบียนจาก UE AMF จะรับข้อมูลของสไลด์ต่าง ๆ ที่สามารถให้บริการโดย user subscription และทำงานร่วมกัน network slice selection function (NSSF) เพื่อที่จะเลือกสไลด์โครงข่ายที่เหมาะสม เช่น สามารถให้บริการได้จาก S-NSSAI หรือ PLMN ID เป็นต้น ซึ่งเงื่อนไขการให้บริการสามารถเปลี่ยนแปลงได้เสมอ

Protocol data unit (PDU) session ทำงานร่วมกับ S-NSSAI และ data network name (DNN) อย่างละ 1 สไลด์ เท่านั้น การสร้าง PDU session ใน NSSAI ที่ถูกเลือกจะถูกสร้างเมื่อ AMF ได้รับข้อความ session management จาก UE AMF จะพบ SMF หลายตัวเลือกโดยการใช้พารามิเตอร์หลายรูปแบบรวมถึง S-NSSAI และให้บริการคำร้องขอแก่ UE และเลือก SMF ที่เหมาะสม UPF ที่ถูกเลือกทำงานได้โดย SMF และใช้งาน S-NSSAI ในการให้บริการ network repository function (NRF) มีหน้าที่ค้นหาฟังก์ชันเครือข่ายที่ใช้งานในแต่ละสไลด์โครงข่ายต่าง ๆ

ซึ่งกระบวนการค้นหาได้ระบุไว้ในมาตรฐาน 3GPP TS 23.502 การสื่อสารข้อมูลจะสามารถทำได้หลังจาก PDU session ถึงโครงข่ายข้อมูล (data network) ถูกสร้างในสไลด์โครงข่าย S-NSSAI เกี่ยวข้องกับ PDU session เพื่อให้บริการแก่โครงข่ายเข้าถึงและยังคอยกำหนดเงื่อนไข ข้อตกลง หรือการเรียกเก็บค่าบริการจากสไลด์นั้น ๆ

สำหรับการใช้งานข้ามเขตแดน ค่า S-NSSAI ถูกใช้งานใน visited PLMN (VPLMN) เพื่อค้นหา SMF ใน VPLMN และการเชื่อมต่อเส้นทางไปยังประเทศผู้ใช้งาน ค่า S-NSSAI ยังถูกใช้งานใน home PLMN (HPLMN) เพื่อค้นหา SMF ใน HPLMN

การจัดการ network slicing และการ orchestration

เนื้อหาต่อไปนี้จะแสดงถึงการจัดการและการ orchestration ในมุมมองของ network slicing ในมาตรฐาน 3GPP SA5 TR 28.801 ซึ่งอาจมีการปรับปรุงมาตรฐานดังกล่าวใน SA5 จากการพัฒนามาตรฐาน SA2 ที่กำลังพัฒนาอยู่

การจัดการทั่วไปและการ orchestration ในมมุมมองของ network slicing ตามมาตรฐาน TR 28.801

SA5 ได้กำหนดมาตรฐานการจัดการสำหรับ network slicing ดังนี้

1. การจัดการสไลด์โครงข่ายกรณีตัวอย่างอย่างสมบูรณ์ ไม่เพียงแค่จัดการการทำงานของฟังก์ชันโครงข่ายทั้งหมด แต่ต้องรองรับทรัพยากรที่สามารถรองรับการให้บริการการสื่อสารต่าง ๆ ได้
2. สไลด์โครงข่ายกรณีตัวอย่างไม่เพียงแค่ประกอบไปด้วยฟังก์ชันโครงข่าย เช่น สไลด์ดังกล่าวคือโครงข่ายเข้าถึงหรือโครงข่ายหลัก แต่รวมถึงการเชื่อมต่อระหว่างฟังก์ชันโครงข่ายต่าง ๆ (interface) หากฟังก์ชันโครงข่ายมีการเชื่อมต่อภายใน ระบบการจัดการของ 3GPP จะประกอบไปด้วยข้อมูลการเชื่อมต่อของฟังก์ชันโครงข่าย เช่น ทอพอโลยี (topology) ของการเชื่อมต่อ ข้อมูลควบคุม (QoS) เป็นต้น สำหรับโครงข่ายการขนส่ง (transport network: TN) ที่รองรับการเชื่อมต่อระหว่างฟังก์ชันโครงข่าย ระบบการจัดการของ 3GPP ให้ข้อมูลควบคุมแก่ระบบการจัดการที่ดูแลส่วนของโครงข่ายขนส่ง
3. สไลด์โครงข่ายกรณีตัวอย่างสามารถประกอบขึ้นจากสไลด์โครงข่ายย่อยของฟังก์ชันโครงข่ายทั้งจากอุปกรณ์จริงหรือจากการจำลองฟังก์ชันโครงข่ายได้

การจัดการวงจรชีวิต (lifecycle) สไลด์โครงข่ายกรณีตัวอย่าง

3GPP TR 28.801 ได้นำเสนอการจัดการวงจรชีวิตสไลด์โครงข่ายกรณีตัวอย่าง โดยทั่วไปไปสไลด์โครงข่ายถูกออกแบบในช่วงเตรียมการ (preparation phase) และถูกสร้างกรณีตัวอย่างขึ้นในช่วงการสร้างกรณีตัวอย่าง โครงแบบ และเปิดใช้งาน (instantiation phase configuration phase และ activation phase) จากนั้นทำงานในช่วงเฉพาะใช้งาน (run time phase) สุดท้ายสไลด์อาจถูกเลิกใช้งานเมื่อไม่ต้องการใช้งานแล้วในช่วงรื้อถอน (decommissioning phase) ซึ่งช่วงต่าง ๆ ถือเป็นส่วนหนึ่งของฟังก์ชันการจัดการสไลด์โครงข่าย

ฟังก์ชันการจัดการสไลด์โครงข่ายประกอบด้วย

1. ฟังก์ชันการจัดการบริการการสื่อสาร (communication service management function: CSMF) รับผิดชอบส่วนการแปลการบริการการสื่อสารตามความต้องการสไลด์โครงข่าย
2. ฟังก์ชันการจัดการสไลด์โครงข่าย (network slice management function: NSMF) รับผิดชอบต่อการจัดการและการ orchestration ของสไลด์โครงข่ายกรณีตัวอย่างและสร้างสไลด์โครงข่ายย่อยตามความต้องการของสไลด์โครงข่าย
3. ฟังก์ชันการจัดการสไลด์โครงข่ายย่อย (network slice subnet management function: NSSMF) รับผิดชอบต่อการจัดการและการ orchestration ของสไลด์โครงข่ายย่อยกรณีตัวอย่าง

อ้างอิง

[1] P. Rost et al., “Network Slicing to Enable Scalability and Flexibility in 5G Mobile Networks,” in IEEE Communications Magazine, vol. 55, no. 5, pp. 72-79, May 2017.

[2] F. Z. Yousaf, M. Bredel, S. Schaller and F. Schneider, “NFV and SDN – Key Technology Enablers for 5G Networks,” in IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 35, no. 11, pp. 2468 – 2478, Nov. 2017

[3] Tony Saboorian and Amanda Xiang, “Network Slicing and 3GPP Service and Systems Aspects (SA) Standard”, December 2017

[4] 3GPP: TS 23.501 “System Architecture for the 5G System”, 2016

[5] 3GPP: TR 28.801 “Study on management and orchestration of network slicing for next generation network”, 2016