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5G Network Slicing: Funktionsweise und Vorteile

5G Network Slicing verspricht eine neue Generation von Services mit hohen Datenraten, darunter die Übertragung von 4K- und AR/VR-Anwendungen auf die Mobiltelefone der Nutzer.

Der neue 5G-Mobilfunk unterstützt unter anderem Slicing, eine Technik, die eine einzelne physische Netzwerkinfrastruktur in mehrere virtuelle Netzwerke unterteilt. Virtuelle Netzwerk-Slices sind nur deshalb möglich, da 5G im Vergleich zu bestehenden 4G- und LTE-Netzwerken (Long Term Evolution) deutliche Verbesserungen bei Bandbreite und Latenzzeit verspricht.

Jede durch 5G Network Slicing erzeugte virtuelle Netzwerkinstanz stellt ein isoliertes, End-to-End-Netzwerk bereit, das für einen bestimmten Geschäftszweck optimiert ist. Diese virtuellen Netzwerke unterstützen eine breite Palette von Services und Anwendungen, die sich in drei allgemeine Kategorien einteilen lassen:

  • Enhanced Mobile Broadband (eMBB): Aktuelle Mobilfunkdienste mit hoher Bandbreite umfassen Sprache und SMS. Höhere 5G-Bandbreiten ermöglichen auf dem Smartphone Anwendungen wie Videos mit 4K-Auflösung und Augmented Reality (AR) beziehungsweise Virtual Reality (VR), die Durchsatzraten von 10 GBit/s und höher erfordern.
  • Hochzuverlässige und latenzarme Kommunikation: Eine typische Anwendung ist hier die Vernetzung zwischen autonomen Fahrzeugen, die eine schnelle und zuverlässige Kommunikation erfordert.
  • M2M-Kommunikation von Maschine zu Maschine: Dazu gehören IoT-Anwendungen für drahtlose Mess- und Steuergeräte etwa in einer Fabrik.

Die 5G Infrastructure Public-Private Partnership Architecture Working Group beschreibt (PDF) die Entwicklung der Architektur für 5G Network Slicing näher. Die Architektur verwendet ein rekursives, mandantenfähiges Modell, bei dem das physische Netzwerk eines Infrastrukturanbieters in mehrere Teilnetze gegliedert ist.

Jedes dieser Teilnetze ist an die Betreiber mobiler virtueller Netz vermietet, die das zugewiesene Netz in spezifischere Teilnetze aufteilen. Jedes Teilnetz wiederum wird mit Cloud-Diensten gebündelt, die die Computing- und Speicherinfrastruktur umfassen, um einer bestimmten Anforderung gerecht zu werden (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: 5G Network Slicing verbindet Services in einem separaten End-to-End-Netzwerk mit den für ihre Bereitstellung notwendigen Ressourcen.
Abbildung 1: 5G Network Slicing verbindet Services in einem separaten End-to-End-Netzwerk mit den für ihre Bereitstellung notwendigen Ressourcen.

Geschäftszwecke und Business-Anwendungen bestimmen den Mix aus Bandbreite, Latenz, Ausfallsicherheit, Verarbeitungsleistung und Speicherung, der für jeden Slice erforderlich ist. Die Verteilung von Inhalten, IoT-Edge-Computing und die Virtualisierung von Netzwerkfunktionen (Network Functions Virtualization, NFV) beeinflussen die Verteilung von Computing-Leistung und Storage innerhalb der einzelnen Slices.

Steuern und Management der Slices

Beim Management des 5G Network Slicing geht es darum, Slices zu erstellen, zu betreiben und zu löschen. Diese Schritte müssen automatisiert werden, um eine schnelle und genaue Kontrolle zu ermöglichen. In jeder Schicht werden die gleichen Systemabstraktionen verwendet, unabhängig davon, ob das Underlay auf einer physischen Infrastruktur oder einem logischen Netzwerk-Slice basiert. Das vereinfacht die Automatisierung. Der IT-Abteilung ermöglicht die Automatisierung darüber hinaus das schnelle Bereitstellen neuer Slices sowie die Stilllegung von Slices, wenn sie nicht mehr benötigt werden.

Steuerungs- und Managementsysteme verwenden für die Kontrolle der Netzwerk-Slices gemeinsame APIs. Anbieter physischer Infrastrukturen benötigen aber weiterhin spezielle Tools, um Teile der zugrunde liegenden physischen Infrastruktur zu kontrollieren und zu verwalten. Ein virtualisierter Netzwerk-Slice kann zwar Netzwerkfehler erkennen und melden, aber er kann nicht die physische Infrastrukturkomponente identifizieren, die als Ursache in Frage kommt.

Ein weiterer Aspekt ist die Netzwerksicherheit. Es gibt Vertrauensprobleme zwischen dem delegierten Betreiber eines Teilnetzwerk-Slices und dem Eigentümer/Betreiber des übergeordneten Slices. Der Datenverkehr in einem Slice muss auch von anderen Slices getrennt werden. Diese Praxis kennen wir heute bereits von virtuellen Routing-Instanzen.

5G-Aggregation - oder das Gegenteil von Slicing

Ein weiterer Ableger des virtuellen Slicings ist die 5G-Netzwerkaggregation. Ein Beispiel: Ein Mobilfunk-Carrier muss einen Service anbieten, der sich über die Netzwerke und physische Infrastruktur mehrerer Anbieter erstreckt. Vielleicht besitzt ein Anbieter eine außergewöhnliche Abdeckung in einem Teil einer Stadt, während ein anderer Anbieter die anderen Stadtteile gleichwertig abdeckt.

Um den Verkehrsfluss in der kompletten Stadt mit einem IoT-Sensornetzwerk zu überwachen, könnte der Provider den dafür notwendigen Slice durch die Aggregation von Slices der beiden Anbieter aufbauen. Dieses Design würde es den IoT-Sensoren ermöglichen, direkt mit Edge-Computing-Systemen zu kommunizieren, anstatt ein größeres Volumen an Rohdaten zurück zu den Applikationsservern zu transportieren.

5G Network Slicing bringt eine neue Dimension in das Netzwerk. Mehrere Anbieter haben gezeigt, wie die Technologie arbeitet. Jetzt geht es um den reibungslosen Einsatz in der Praxis.

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