Definition Was ist Network Slicing?

Mit Network Slicing lassen sich auf einer gemeinsamen physischen Netzwerkinfrastruktur verschiedene virtuelle Netzwerke bereitstellen. Die einzelnen Network Slices erfüllen die unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Anwendungsfälle. Für die 5G-Mobilfunktechnik stellt Network Slicing eine der Schlüsseltechnologien dar.

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Mit Network Slicing ist es möglich, physische Netzwerkinfrastrukturen in virtuelle Netzwerkpartitionen mit unterschiedlichen Eigenschaften aufzuteilen. Die Technik ist auf die komplette Infrastruktur kabelgebundener Netzwerke oder drahtloser Mobilfunknetze inklusive Access- und Core-Netzwerke sowie der Netzwerke in den Rechenzentren anwendbar.

Zur Realisierung kommen das Software-Defined Networking (SDN) und die Network Functions Virtualization (NFV) zum Einsatz. Die verschiedenen Netzwerk-Slices stellen spezifische Funktionen und Leistungsmerkmale für unterschiedliche Anwendungsfälle bereit. Beispielsweise lassen sich Slices schaffen, die besonders hohe Übertragungsraten oder minimale Latenzzeiten ermöglichen.

Dank dem Network Slicing implementieren Netzwerkbetreiber bedarfsgerechte, an die verschiedenen Anforderungen der Anwendungen angepasste Netzwerke rein softwarebasiert ohne jegliche Veränderung der Hardware. Für die Mobilfunknetze der fünften Generation (5G) stellt das Konzept des Network Slicings eine Schlüsseltechnologie dar. Es sorgt dafür, dass sich Anforderungsprofile und Dienste wie Enhanced Mobile Broadband (eMBB), Ultra Reliable and Low Latency Communications (uRLLC) und Massive Machine Type Communications (mMTC) auf einer gemeinsamen 5G-Netzwerkinfrastruktur realisieren lassen.

Warum Network Slicing?

Anwendungen, Geräte oder Benutzer haben hinsichtlich Übertragungsraten, Latenzzeiten, Reichweiten, Verfügbarkeiten oder maximaler Gerätedichte sehr unterschiedliche Anforderungen. So haben bspw. Multimediaanwendungen andere Netzwerkanforderungen als Endgeräte des Internets der Dinge (IoT, Internet oft Things). Ein gemeinsames Netzwerk für alle Anwendungsfälle kann nicht sämtliche Anforderungen gleichermaßen gut abdecken.

Beispielsweise sind in Netzwerken, die eine große Gerätedichte zulassen, die maximalen Bandbreiten und Datenraten pro Endgerät begrenzt. Für jeden Anwendungsfall ein eigenes physisches Netzwerk zu schaffen, ist aufwendig und kostspielig. Das Network Slicing schafft Abhilfe aus diesem Dilemma, indem es auf einer gemeinsamen physischen Netzwerkinfrastruktur virtuelle Netzwerkpartitionen mit den jeweils gewünschten Eigenschaften bereitstellt. Es sind keine zusätzlichen Investitionen in Hardware notwendig, da die Network Slices softwarebasiert realisiert sind.

Die technische Umsetzung von Network Slicing

Die grundlegenden Funktionen für Network Slicing stellen das Software-Defined Networking (SDN) und die Network Functions Virtualization (NFV) zur Verfügung. SDN abstrahiert das Netzwerkverhalten von der physischen Netzinfrastruktur und NFV erlaubt die Implementierung und Bereitstellung von Netzfunktionen rein auf Basis von Software. Jeder Network Slice verhält sich von außen betrachtet wie ein eigenständiges physisches Netzwerk. Die einzelnen Slices lassen sich trotz der gemeinsamen Infrastruktur hinsichtlich spezifischer Netzwerkeigenschaften unterschiedlich optimieren. Typische Eigenschaften, auf die die einzelnen Slices optimiert werden, sind Übertragungsrate, Reichweite, Gerätedichte, Latenzzeit, Verfügbarkeit oder Kapazität. Der Datenverkehr der Slices ist logisch voneinander getrennt und beeinflusst sich gegenseitig nicht. Die Slices können unabhängig betrieben und gemanagt werden.

Network Slicing als eine der Kerntechnologien der 5G Mobilfunknetze

In der Vergangenheit waren Mobilfunknetze so konzipiert, dass sie auf Basis einer gemeinsamen Netzinfrastruktur versuchten, alle Anwendungsfälle möglichst gut zu bedienen. Da die wichtigsten Anwendungsfälle die Sprach- und Datenkommunikation von Personen mit Mobiltelefonen oder Smartphones waren, erfüllten die Mobilfunknetze die Anforderungen relativ gut.

Die zunehmende Vernetzung, Multimediaanwendungen und Technologien wie das Internet der Dinge (IoT), Machine-to-Machine-Kommunikation oder das autonome Fahren führen jedoch dazu, dass die vom Mobilfunknetz bereitzustellenden Funktionen und Leistungsmerkmale immer unterschiedlicher werden. 5G-Mobilfunknetze haben per Definition aber dennoch all diesen Anwendungsfällen gerecht zu werden. Die Lösung hierfür schaffen unterschiedliche Network Slices für die verschiedenen Anwendungen mit ihren jeweils spezifischen Anforderungen. Das Konzept des Network Slicings mit seinen parallel betriebenen virtuellen Netzen sorgt für mehr Flexibilität im 5G-Mobilfunknetz und verhindert ausufernde Kosten der Infrastruktur.

Die verschiedenen 5G-Anwendungsfälle der Network Slices

Für die verschiedenen 5G-Applikationen sind in den Standards spezifische Profile vorgesehen. Sie sorgen dafür, dass alle Anforderungen abgedeckt werden. Die Anforderungen der Profile reichen von hohen Bandbreiten für das Streaming von ultrahoch auflösenden Videos über die ungestörte mobile Kommunikation bei Massenveranstaltungen bis zu extrem kurzen Antwortzeiten und hoher Ausfallsicherheit für selbstfahrende Fahrzeuge oder vernetzte Fabriken. Die drei wichtigsten in den Standards definierten Anforderungsprofile sind:

• uRLLC (Ultra Reliable and Low Latency Communication)

• eMBB (Enhanced Mobile Broadband)

• mMTC (Massive Machine Type Communications)

uRLLC ist ein Profil für Anwendungen, die ultrakurze Antwortzeiten, hohe Mobilität sowie hohe Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit benötigen. Dazu zählen zeitkritische Anwendungen wie autonomes Fahren oder Predictive Maintenance im Industrie-4.0-Umfeld. eMBB ist für Anwendungen mit sehr hohen Bandbreiten wie High Definition Video, Virtual Reality oder Augmented Reality vorgesehen. Die hierfür bereitgestellten Network Slices arbeiten mit hohen Frequenzbereichen und Technologien wie Massive MIMO. Dadurch sind sie in der Lage, pro Flächeneinheit hohe Kapazitäten zu liefern, wie sie beispielsweise auch für die massenhafte Datenübertragung bei Großveranstaltungen notwendig sind. Typische Eigenschaften eines Network Slices für mMTC sind hohe Energieeffizienz für die Endgeräte und eine große unterstützte Gerätedichte pro Flächeneinheit, wie sie beispielsweise im Umfeld vernetzter Sensoren anzutreffen sind.

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