La commercialisation des réseaux mobiles de la cinquième génération a dépassé de façon décisive l'accent mis initialement sur le haut débit mobile renforcé pour les consommateurs. Comme les entreprises de fabrication, de logistique, d'énergie et de soins de santé déploient à l'échelle 5G, les limites d'une architecture réseau unique sont devenues de plus en plus évidentes. Les robots autonomes, les systèmes chirurgicaux à distance et les réseaux de capteurs massifs imposent chacun des exigences fondamentalement différentes, souvent mutuellement exclusives, en matière de latence, de débit, de fiabilité et de sécurité.

Démontrer l'architecture des sections réseau

Le slice réseau n'est pas une seule fonction mais plutôt un cadre d'orchestration qui s'étend sur le réseau d'accès radio, le réseau de transport et le réseau central. Le projet de partenariat de la 3e génération (3GPP[) a normalisé le slice réseau depuis la version 15, le définissant comme un réseau logique qui fournit des capacités de réseau spécifiques et des caractéristiques du réseau.

Les trois domaines opérationnels

Une instance de tranche réseau unique est composée de trois domaines principaux qui doivent être configurés et gérés de concert :

  • Réseau d'accès radio (RAN) Tranche: Le RAN est souvent le domaine le plus restreint pour le slice. Différentes tranches doivent être efficacement multiplexées sur le même spectre physique. Cela nécessite des algorithmes de programmation avancés au sein de la station de base gNB (5G) qui peuvent prioriser les ressources en fonction de l'Accord de niveau de service de la tranche.
  • Réseau de transport (TN) Tranche:[ Les réseaux backhaul et Midhaul reliant le RAN au cœur doivent fournir une latence déterministe et une bande passante dédiée. Des technologies telles que FlexEthernet et Segment Routing over IPv6 (SRv6) sont utilisées pour créer des voies de transport isolées durement qui garantissent les budgets de jitter et de latence spécifiques requis par les tranches industrielles ou véhiculaires.
  • Core Network (CN) Slice:[ Le réseau central abrite la fonction de sélection des tranches de réseau (NSSF), qui authentifie l'équipement utilisateur (UE) et l'oriente vers la bonne instance de tranche de réseau. Chaque instance peut contenir des fonctions d'utilisation dédiées (UPF) pour le traitement du trafic et des fonctions de gestion de session dédiées (SMF) pour la signalisation de contrôle, en veillant à ce que la charge et les postures de sécurité d'une tranche n'affectent pas une autre.

Le rôle de l'information sur l'aide à la sélection des tranches de réseau unique (S-NSAI)

Chaque tranche est identifiée par une valeur S-NSSAI (S-NSSAI). Un appareil utilisateur inclut son S-NSSAI demandé ou configuré dans la demande d'enregistrement initiale. L'infrastructure réseau utilise cet identifiant pour sélectionner les fonctions réseau de base appropriées et pour faire appliquer les politiques de ressources radio correctes dès la première connexion. Ce mécanisme assure que le trafic est dirigé vers le réseau virtuel de bout en bout correct, du périphérique au serveur d'application.

Profils verticaux et profilés de tranches sur mesure

La valeur commerciale réelle du slice réseau est réalisée lorsque ces capacités techniques sont cartographiées selon les indicateurs clés de performance (ICP) spécifiques de verticales distinctes de l'industrie. Chaque industrie nécessite un mélange spécifique des trois principales catégories de services 5G : eMBB, URLLC et mMTC.

Large bande mobile améliorée (eMBB) pour les médias et les divertissements

Pour la diffusion sportive en direct, une tranche dédiée peut garantir une liaison ascendante cohérente de 100 Mbps pour les caméras 4K ou 8K, contournant les voies publiques d'Internet encombrées et assurant des flux de contribution fiables des stades. Dans la logistique ou le commerce de détail, une tranche eMBB combinée à Mobile Edge Compute (MEC) prend en charge les applications de réalité augmentée (AR). La tranche consacre la bande passante pour le rendu graphique haute fidélité, réalisant la latence sous--10ms nécessaire pour une expérience utilisateur sans faille sans interférer avec le trafic d'autres entreprises.

Communication ultra-fiable à faible latence (URLLC) pour l'automatisation industrielle

Les tranches URLLC ciblent une latence de 1 à 5 millisecondes et une fiabilité de transmission de données de 99,999%. Ce sont les configurations de tranches les plus exigeantes techniquement.

  • Fabrication: Dans une usine intelligente, une tranche URLLC relie un contrôleur logique programmable central (PLC) aux bras robotiques et aux véhicules guidés automatisés (AGV).Cette configuration remplace les bus de terrain câblés coûteux et inflexibles, permettant des lignes de production reconfigurables. La tranche doit garantir une jitter déterministe pour soutenir l'intégration de réseaux sensibles au temps (TSN) pour les processus de fabrication synchronisés.
  • Energy: Les grilles intelligentes nécessitent une communication très fiable pour la détection et l'isolement des défauts. Une tranche URLLC dédiée garantit que les relais de protection et les systèmes d'automatisation des sous-stations peuvent communiquer en millisecondes, empêchant les pannes à grande échelle.
  • Santé: Les systèmes de rétroaction à distance et haptiques représentent le cas d'utilisation le plus critique pour la sécurité. Une tranche URLLC isole les signaux de contrôle du robot chirurgical de tout autre trafic réseau. Cet isolement est nécessaire non seulement pour la latence mais aussi pour la sécurité; une brèche dans une tranche de fabrication ne doit pas être en mesure d'affecter une tranche chirurgicale.

Communication de type machine massive (mMTC) pour la logistique et l'agriculture

Les tranches mMTC sont optimisées pour une densité de connexion élevée et une efficacité énergétique élevée, conçues pour supporter jusqu'à un million de dispositifs par kilomètre carré avec une durée de vie de dix ans de la batterie.

  • Logistique:[ Un fournisseur de logistique peut déployer une tranche nationale mMTC pour suivre des millions de conteneurs, palettes et colis d'expédition à l'aide de capteurs à batterie à faible coût. La tranche est configurée pour une couverture intérieure profonde et de faibles taux de données, ne transmettant que quelques octets de données de localisation et de température par jour.
  • Smart Agriculture:[ Les capteurs d'humidité du sol, les moniteurs de santé du bétail et les dispositifs d'imagerie à base de drones fonctionnent tous sur une seule tranche de mMTC. La durée de vie prolongée de la batterie réduit considérablement le coût opérationnel de l'entretien des réseaux de capteurs répartis sur des milliers d'acres.

Automobile et véhicule à tout (V2X)

L'industrie automobile nécessite une tranche hybride qui peut affecter dynamiquement les ressources. La communication V2X exige URLLC pour les messages de sécurité comme l'évitement des collisions et le freinage d'urgence. Simultanément, le même véhicule nécessite une connexion eMBB pour l'infodivertissement des passagers et la télémétrie. Une tranche réseau pour un parc autonome doit donc supporter plusieurs flux QoS dans une seule instance de tranche et s'intégrer profondément aux nœuds MEC pour la cartographie haute définition en temps réel et la fusion des capteurs.

Le rôle de SDN, NFV et l'orchestration native du nuage

Le tronçonnage des réseaux est fondamentalement le résultat du virage plus large de l'industrie des télécommunications vers une infrastructure virtualisée définie par logiciel.

Fonctions réseau Virtualisation (NFV) découple les fonctions réseau comme l'UFP et SMF à partir d'appareils matériels dédiés, leur permettant de fonctionner comme des instances logicielles sur des serveurs commerciaux hors-le-siège. Cela permet à un opérateur d'injecter ou de détruire un ensemble complet de fonctions réseau de base pour une tranche spécifique en quelques minutes. Les déploiements modernes se déplacent vers les principes de nuage-natif, en installant ces fonctions comme conteneurs orchestrés par Kubernetes. Cela fournit l'élasticité à l'échelle des ressources de tranche vers le haut ou vers le bas automatiquement en fonction de la demande en temps réel.

Un contrôleur SDN centralisé programme les commutateurs du réseau de transport pour créer des chemins isolés et dédiés à chaque tranche, en appliquant des garanties strictes de bande passante et de latence à travers une infrastructure multi-tenus. La combinaison de NFV et SDN permet à l'orchestre de construire une tranche de bout en bout en enchaîneant les fonctions du réseau virtuel et en configurant le réseau de transport sous-jacent dans un seul flux automatisé.

Relever les défis critiques en matière de sécurité et d'isolement

Bien que les avantages du slice réseau soient importants, l'architecture introduit une surface d'attaque plus grande et des exigences de sécurité complexes. Le principe de base régissant le slice sécurisé est isolement de slice.

RAN-Niveau Isolation:[ Au niveau de la couche radio, différentes tranches partagent les mêmes antennes et spectre. Une attaque de déni de service lancée contre une tranche pourrait potentiellement priver une autre tranche de ressources radio si les mécanismes d'isolement sont faibles.

Isolation réseau de base:[ Les tranches réseau peuvent partager des fonctions réseau de base ou avoir des fonctions entièrement dédiées. Les fonctions partagées, telles qu'une fonction commune de gestion de l'accès et de la mobilité (AMF), offrent une meilleure utilisation des ressources. Les fonctions dédiées offrent une meilleure isolation.

Authentification et autorisation inter-slices : L'orchestreur doit appliquer des politiques strictes pour empêcher un locataire d'une tranche d'accéder aux données ou au plan de contrôle d'une autre tranche. Cette exigence est analogue à l'isolement VLAN dans les réseaux Ethernet d'entreprise, mais elle doit être appliquée à travers un réseau 5G à large zone et à accès multiple.

Modèles d'affaires et commercialisation du scintillement du réseau

La transition d'un modèle de connectivité unique à un modèle de service scendant en un seul modèle nécessite une refonte fondamentale des systèmes de soutien aux entreprises (SSE) de l'exploitant.

Les modèles d'abonnement traditionnels sont statiques. Le slice réseau permet une commande dynamique et à la demande. Une entreprise devrait pouvoir se connecter à un portail opérateur, définir ses exigences en termes de latence, de dispositifs, de zone de couverture et de durée, et recevoir une soumission pour la tranche. L'automatisation permet à l'orchestreur réseau d'injecter la tranche en temps quasi réel sur accord. Cela nécessite une intégration étroite entre le catalogue, les systèmes de commande et la couche d'orchestration réseau.

Modèles de facturation et de comptabilité:[ La facturation des tranches est radicalement différente de la facturation des plans de données standard. Les modèles de facturation sont en train d'évoluer pour inclure:

  • SLA Conformité:[ Le prix est lié directement à la performance garantie, comme un « SLA d'or » avec une fiabilité de 99,99 %.
  • Durée:[ Charger par heure ou par jour une tranche d'événement temporaire.
  • Densité de connexion:[ Charge par appareil IoT connecté à la tranche mMTC.
  • Gluderput: Les tranches de débit binaire (GBR) garanties pour la production vidéo nécessitent une charge pour la bande passante engagée.

La feuille de route technologique: 5G-Avancé et 6G

Le slice de réseau n'est pas une technologie statique. Il continue d'évoluer rapidement lorsque la version 18 et 19 de la 3GPP (collectivement connue sous le nom de 5G-Advanced) introduit des améliorations importantes.

Sélection améliorée des tranches de réseau

Les futures normes permettront de répondre à des critères de sélection plus granulaires, permettant à un seul appareil de se connecter simultanément à plusieurs tranches en fonction de l'application utilisée. Un taxi autoconduit, par exemple, pourrait utiliser une tranche eMBB pour le divertissement des passagers, une tranche URLLC pour le contrôle de conduite en temps réel, et une tranche mMTC pour la télémétrie, tous simultanément.

AI/ML pour la gestion prédictive des tranches

L'intelligence artificielle et l'apprentissage machine sont censés transformer l'orchestration de tranche d'un modèle réactif en un modèle prédictif à toucher zéro. L'automatisation en boucle fermée permettra au réseau de prévoir les violations de SLA causées par les pics de trafic ou les interférences radio et de réaffecter les ressources de manière proactive.

Intégration avec Edge Computing

Le potentiel de slice réseau est pleinement réalisé lorsqu'il est étroitement couplé avec Multi-Access Edge Computing (MEC). En déployant un serveur local UPF et d'applications dans le cadre d'une tranche spécifique, le trafic est terminé localement, obtenant une latence de sous-miliseconde. Cette architecture est essentielle pour l'automatisation industrielle, la réalité augmentée et l'analyse vidéo en temps réel.

Sciage en 6G

En ce qui concerne la 6G, le cadre UIT-R IMT-2030 comprend explicitement le scendage en réseau comme capacité de base, la prévision d'une évolution ultérieure de la granularité et du dynamisme. Des concepts tels que le « sous-scendage » ou les « séries réseau » peuvent permettre le partage de ressources à grain fin au sein d'un seul appareil ou d'un seul plancher industriel. De plus, la 6G devrait introduire la Sensation et la Communication Intégrées (SACC), où le réseau peut sentir son environnement.

L'évolution des réseaux mobiles vers une infrastructure programmable définie par logiciel modifie fondamentalement la relation entre les opérateurs et leurs clients d'entreprise. Le découpage des réseaux est l'instrument principal de ce changement. En permettant la création de réseaux virtuels sur mesure et à haute performance avec des niveaux de service garantis, le découpage permet aux industries de numériser et d'automatiser à une échelle qui était auparavant impossible. Bien que des défis importants subsistent en matière de sécurité, d'intégration opérationnelle et de systèmes de soutien aux entreprises, les incitations économiques et l'élan technologique stimulent l'innovation rapide.