5Gネットワ​​ークスライシング

5Gネットワ​​ークスライシングは、同じ物理ネットワークインフラストラクチャ上で仮想化された独立した論理ネットワークの多重化を可能にするネットワークアーキテクチャです。 ^{[1] [2]各ネットワークスライスは、特定のアプリケーションによって要求される多様な要件を満たすように調整された、分離された}エンドツーエンドのネットワークです。^{[3] [1]}

このため、この技術は、サービスレベル要件 (SLR) が大きく異なる多数のサービスを効率的に取り入れるように設計された5Gモバイル ネットワークをサポートする上で中心的な役割を担っています。このサービス指向のネットワーク ビューの実現には、共通のネットワーク インフラストラクチャ上に柔軟でスケーラブルなネットワーク スライスを実装できるソフトウェア定義ネットワーク(SDN) とネットワーク機能仮想化(NFV) の概念が活用されています。^{[1] [4] [5]}

ビジネスモデルの観点から見ると、各ネットワークスライスはモバイル仮想ネットワーク事業者（MVNO）によって管理されます。インフラストラクチャプロバイダー（通信インフラストラクチャの所有者）は、基盤となる物理ネットワークを共有するMVNOに物理リソースをリースします。割り当てられたリソースの可用性に応じて、 MVNOは、自社のユーザーに提供されるさまざまなアプリケーションに合わせてカスタマイズされた複数のネットワークスライスを自律的に展開できます。^{[1] [6] [7] [8]}

ネットワーク スライシングの歴史は、ネットワーク分野に「スライス」という概念が導入された 80 年代後半にまで遡ります。オーバーレイ ネットワークは、異種のネットワーク リソースを組み合わせて共通のインフラストラクチャ上に仮想ネットワークを作成するという、ネットワーク スライシングの最初の形態を提供しました。ただし、プログラム可能性を実現するメカニズムが欠けていました。^{[9] [10]}

2000年代初頭、PlanetLabは仮想化フレームワークを導入し、ユーザーグループがネットワーク機能をプログラムして、分離されたアプリケーション固有のスライスを取得できるようにしました。2009年のSDNテクノロジーの登場により、オープンインターフェースを介してプログラミング機能がさらに拡張され、完全に構成可能でスケーラブルなネットワークスライスを実現できるようになりました。^{[9] [10]}

モバイルネットワークの分野では、ネットワークスライシングはLTE標準で最初に導入されたRAN共有の概念から発展しました。 ^[11]このような技術の例としては、マルチオペレータ無線アクセスネットワーク（MORAN）やマルチオペレータコアネットワーク（MOCN）があり、これによりネットワークオペレータは同じ無線アクセスネットワーク（RAN）内で共通のLTEリソースを共有できます。

過去のモバイルネットワーク（ 2G、3G、4G ）で採用されていた「万能」なネットワークパラダイムは、マシン型通信、超信頼性低遅延通信、拡張モバイルブロードバンドコンテンツ配信など、非常に異なるアプリケーションで構成される市場モデルに効率的に対応するのに適していません。^{[1] [3] [12]}

ネットワークスライシングは、単一の物理ネットワークインフラストラクチャを活用して、このような異なる、場合によっては対照的なサービス品質（QoS）要件に対応するために、5Gネットワ​​ークで不可欠な技術として登場しました。 ^{[1] [13]}

ネットワークスライシングの基本的な考え方は、元のネットワークアーキテクチャを複数の論理的かつ独立したネットワークに「スライス」し、さまざまなサービス要件を効果的に満たすように構成することです。この概念を定量的に実現するために、いくつかの手法が採用されています。^{[1] [2] [4] [5]}

• ネットワーク機能:すべてのネットワーク スライスを作成するための「ビルディング ブロック」として使用される基本的なネットワーク機能を表します。
• 仮想化:統一された均質なスキームの下で物理リソースの抽象表現を提供します。さらに、NFV に依存するスケーラブルなスライス展開を可能にし、各ネットワーク機能インスタンスを、それが実行されるネットワーク ハードウェアから分離できるようにします。
• オーケストレーション: 各ネットワーク スライスのライフサイクルに関係するさまざまなネットワーク コンポーネントの調整を可能にするプロセスです。このコンテキストでは、SDN が採用され、動的で柔軟なスライス構成が可能になります。

商業的には、ネットワークスライシングにより、モバイルオペレータは特定のクライアントやユースケースに対応する特定の仮想ネットワークを作成できます。モバイルブロードバンド、マシンツーマシン通信（製造や物流など）、スマートカーなどの特定のアプリケーションは、5Gテクノロジーのさまざまな側面を活用することでメリットが得られます。1つは高速化、もう1つは低遅延、さらにもう1つはエッジコンピューティングリソースへのアクセスを必要とする場合があります。特定のリソースを優先する個別のスライスを作成することで、5Gオペレータは特定の業界に合わせたソリューションを提供できます。^{[14] [15] : 3}一部の情報源は、これがマーケティング、拡張現実、モバイルゲームなどの業界に革命をもたらすと主張していますが、^{[16] [17]}他の情報源は、ネットワークカバレッジの不均一性と速度の向上以外の利点の到達範囲の狭さを指摘し、より慎重です。^{[18] [19]}

スライシングは、 OTTに重点を置いた MVNOのビデオ ストリーミングの低遅延高速などのパラメータに基づいてレイヤーでさまざまなユース ケースをサポートできるため、MVNOにとって非常に便利です。同様に、テレメトリ操作には低速パラメータなどを設定できます。

スライシングは、複数のローカルネットワークまたは国内ネットワークにまたがる物理インフラストラクチャ上で実行される仮想ネットワークを作成することにより、ネットワーク間のローミングを改善してサービスの継続性を高めることもできます。また、ホストネットワークがローミングデバイスのホームネットワークによって提供されるネットワークを複製する最適化された仮想ネットワークを作成できるようにすることでも実現できます。^{[15] : 6}

ネットワークスライスアーキテクチャにはさまざまな提案があるが^{[20] [21] [22]} 、各ソリューションの共通要素を一般的で統一されたフレームワークにマッピングする一般的なアーキテクチャを定義することは可能である。高レベルの観点から見ると、ネットワークスライシングアーキテクチャは、実際のスライス実装専用のブロックと、スライスの管理と構成専用のブロックの2つのメインブロックで構成されていると考えることができる。^[3]最初のブロックは、 3つの層（サービス層、ネットワーク機能層、インフラストラクチャ層）で構成される多層アーキテクチャとして設計されており、各層は異なるタスクでスライスの定義と展開に貢献する。2番目のブロックは、一般的にネットワークスライスコントローラと呼ばれる集中型ネットワークエンティティとして設計されており、複数のスライスの共存を効率的に調整するために、3つの層間の機能を監視および管理する。^[9]

サービス層は、基盤となる物理ネットワークを共有するネットワークビジネスエンティティ（MVNOやサードパーティのサービスプロバイダーなど）と直接インターフェースし、サービス要件の統一されたビジョンを提供します。各サービスは正式にはサービスインスタンスとして表現され、適切なスライスの作成によって完全に満たされることが期待されるSLA要件の形式ですべてのネットワーク特性が埋め込まれます。^[20]

ネットワーク機能層は、上位層からのサービスインスタンス要求に応じて各ネットワークスライスの作成を担当します。これは、明確に定義された動作とインターフェースを具体化するネットワーク機能のセットで構成されています。複数のネットワーク機能が仮想ネットワークインフラストラクチャ上に配置され、連鎖して、サービスによって要求されたネットワーク特性を反映するエンドツーエンドのネットワークスライスインスタンスを作成します。 ^{[1] [4]ネットワーク機能の構成は、一連の}ネットワーク操作によって実行され、そのライフサイクル全体（スライス作成時の配置から、提供された機能が不要になったときの割り当て解除まで）を管理できます。^[3]

リソースの使用効率を高めるために、同じネットワーク機能を異なるスライスで同時に共有することができますが、その代償として運用管理の複雑さが増します。逆に、各ネットワーク機能と各スライス間の1対1のマッピングは構成手順を容易にしますが、リソースの使用効率が悪く非効率的になる可能性があります。^{[1] [5]}

インフラストラクチャ層は、各ネットワークスライスが多重化される実際の物理ネットワークトポロジ（無線アクセスネットワーク、トランスポートネットワーク、コアネットワーク）を表し、各スライスを構成するいくつかのネットワーク機能をホストするための物理ネットワークリソースを提供します。^[23]

利用可能なリソースのネットワークドメインには、データセンター（ストレージおよび計算容量リソース）、ルーター（ネットワークリソース）などのネットワーク接続を可能にするデバイス、基地局（無線帯域幅リソース）などの異種のインフラストラクチャコンポーネントが含まれます。^[13]

ネットワークスライスコントローラは、各レイヤーで実行されるさまざまな機能とインターフェイスして、各スライス要求を一貫して管理するネットワークオーケストレーターとして定義されます。このようなネットワーク要素の利点は、ライフサイクル中に再構成できる効率的で柔軟なスライス作成を可能にすることです。 ^[4]運用上、ネットワークスライスコントローラは、前述のレイヤー間のより効果的な調整を提供するいくつかのタスクを監視します。^{[2] [3] [9]}

• エンドツーエンドのサービス管理: SLA 要件の観点から表現されるさまざまなサービス インスタンスを、サービス制約を満たすことができる適切なネットワーク機能にマッピングします。
• 仮想リソースの定義: ネットワーク機能を割り当てるために実行されるリソース管理操作を簡素化するために、物理ネットワーク リソースを仮想化します。
• スライスのライフサイクル管理: 3 つのレイヤーすべてにわたってスライスのパフォーマンスを監視し、各スライスを動的に再構成して、SLA 要件の変更に対応します。

異なる目的に対応するタスクの実行の複雑さのため、ネットワークスライスコントローラは、各層の機能のサブセットを独立して管理する複数のオーケストレータで構成できます。サービス要件を満たすには、さまざまなオーケストレーションエンティティが、スライスの作成と展開に関連する操作の状態に関する高レベルの情報を交換して、相互に調整する必要があります。^[5]

スライスの分離は、同じインフラストラクチャを共有する複数のスライスの同時共存に関するネットワークスライシングのコアコンセプトを強制することを可能にする重要な要件です。^[1]この特性は、各スライスのパフォーマンスが他のスライスのパフォーマンスに影響を与えてはならないことを課すことによって実現されます。この設計選択の利点は、ネットワークスライスアーキテクチャを2つの主要な側面で強化することです。^{[1] [3]}

• スライス セキュリティ:サイバー攻撃や障害の発生はターゲット スライスにのみ影響し、他の既存のスライスのライフサイクルへの影響は限定的です。
• スライスのプライバシー: 各スライスに関連する個人情報 (ユーザー統計、MVNO ビジネス モデルなど) は、他のスライス間で共有されません。

スライシングは5Gネットワ​​ークの重要な部分となっていますが、QoSの保証を忘れてはいけません。いくつかの研究では、QoSの問題を確率的問題として定式化することで、QoSに関連する制約を満たしながら、APの平均スループットを最大化できることが実証されています。^{[1] [24]}

5G ネットワークの構築と維持にかかるコストが高く、5G サービスの需要を予測することが難しいため、5G サービスの収益化をより迅速に行うことは、ネットワーク オペレータにとって最も関心の高いトピックの 1 つです。5G ネットワーク スライシングは、製造、輸送、医療など、さまざまな業界向けにカスタマイズされたサービスを提供する効果的な方法の 1 つです。AIOps、ML/AI 駆動型自動化、5G ライフサイクル最適化と組み合わせることで、運用コストを削減し、ネットワーク オペレータの収益を増やすことができます。

3GPP 5Gコアアーキテクチャでは、ユーザープレーンとコントロールプレーンの機能が分離されています。セッション管理、アクセス認証、ポリシー管理、ユーザーデータストレージなどのコントロールプレーン機能は、ユーザープレーンの機能とは独立しています。ユーザープレーンは、パケット転送、カプセル化またはカプセル化解除、および関連するトランスポートレベルの詳細を処理します。この分離により、ユーザープレーン機能はネットワークスライスのエッジ近くに分散され（たとえば、レイテンシを削減するため）、コントロールプレーンから独立します。^[1]主要な5Gコアネットワークエンティティは、認証サーバー機能（AUSF）、非構造化データストレージネットワーク機能（UDSF）、ネットワークエクスポージャー機能（NEF）、NFリポジトリ機能（NRF）、ポリシー制御機能（PCF）、統合データ管理（UDM）、ネットワークスライス選択機能（NSSF）、通信サービス管理機能（CSMF）、AMF、SMF、およびUPFです。 AMF（CPの機能として）は、オペレータのサービスを使用するために認証されたUEを制御し、gNB全体でUEのモビリティを管理します。SMF（これもCPの一部）はUEのセッションを管理し、AMFはUEとSMFの間でセッション管理メッセージを送信します。UPF（UPの一部）は、ユーザーデータの処理と転送を実行します。NSSF（CPの機能として）は、ネットワークスライスの管理とオーケストレーションを担当します。CSMF（CPの機能として）は、サービスの要件をネットワークスライスに関連する要件に変換します。^[1] 5Gコアネットワーク機能は、異なるUEの特定のサービスをサポートするためにスライスできます。5Gコアのモジュール性により、5Gコアのネットワーク機能を分割して異なるネットワークスライス間で共有し、管理の複雑さを軽減できます。^[1]一般に、5Gコアネットワークスライシングは2つの方法で実行できます。ネットワークスライスごとに専用のコアネットワーク機能を実装できます。このアーキテクチャでは、各ネットワーク スライスには、完全に専用のコア ネットワーク機能のセット (AUSF、AMF、SMF、UDM など) があります。UE は、ネットワーク スライスやさまざまなコア ネットワークからさまざまなサービスにアクセスできます。あるいは、一部のコントロール プレーン機能をネットワーク スライス間で共有し、ユーザー プレーン機能などの他の機能はスライス固有 (UPF など) にすることもできます。AMF は通常、複数のネットワーク スライスで共有されますが、SMF と UPF は通常、特定のネットワーク スライス専用です。AMF 機能は、UE が異なるネットワーク スライスのサービスを同時に使用する場合のモビリティ管理シグナリングを削減するために、異なるネットワーク スライス間で共有されます。たとえば、UE が別のネットワーク スライスの新しい AMF に接続されると、UE の位置管理や UE と古い AMF 間のコントロール シグナリングが削減されます。また、UDM と NSSF は通常、すべてのネットワーク スライスで共有され、ネットワーク スライスの管理の複雑さを軽減します。^[1]

ネットワークスライシングの出現により、ネットワークスライシングのライフサイクルセキュリティ、スライス間セキュリティ、スライス内セキュリティ、スライスブローカーセキュリティ、ゼロタッチネットワークと管理セキュリティ、ブロックチェーンセキュリティなどの側面に関連する新たなセキュリティとプライバシーの課題も明らかになりました。^[25]そのため、ネットワークスライシングのセキュリティ、プライバシー、信頼性を強化することは、5Gの真の機能を実現するための重要な研究分野となっています。ネットワークスライシングのセキュリティ上の脅威、課題、問題を解決するために、さまざまなセキュリティソリューションが提案されています。これらのソリューションには、人工知能ベースのソリューション、セキュリティオーケストレーション、ブロックチェーンベースのソリューション、セキュリティサービスレベルアグリーメント（SSLA）とポリシーベースのソリューション、セキュリティ監視ベースのソリューション、スライス分離、セキュリティバイデザインとプライバシーバイデザイン、セキュリティアズアサービスの提供などがあります。^[25]

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