Verkon viipaloinnin avulla voidaan tuoda uusia ominaisuuksia 5G-verkkoja käyttäville tahoille sekä tarjota eritasoista palvelulaatua eri sovelluksille. Tämä edellyttää uudenlaista lähestymistapaa verkon ja laitteiden palvelutason testaamiseen. Tähän vaaditaan aivan uusia testausmenetelmiä laitteiden ja sovellusten yhteensopivuuden ja suorituskyvyn varmistamiseksi.

5G-verkot tarjoavat fokusoidusti uutta kapasiteettia eri toimialojen teollisille vertikaalisektoreille. Näitä ovat esimerkiksi älykkäät tehtaat, terveydenhoito ja autoteollisuus, joiden toimintaan korkealaatuinen langaton yhteys voi tuoda merkittäviä parannuksia. Mutta kaikilla näillä sektoreilla on hyvin erityisiä suorituskykyvaatimuksia, jotka tulee saavuttaa parhaan mahdollisen toiminnan ja laadun varmistamiseksi.

Tämän mahdollistamiseksi 5G-järjestelmissä voidaan ottaa käyttöön verkon viipalointi, jonka ansiosta operaattorit voivat tarjota eri organisaatioille erikoistuneita virtuaaliverkkoja, joissa yhden verkkoviipaleen suorituskyky on eriytetty muiden viipaleiden suorituskyvystä. Tämä tarkoittaa, että erillisellä verkkolohkolla toimivat käyttäjät eivät kärsi palvelulaadun heikkenemisestä verkon muiden osien käyttäjien takia.

Verkon viipalointia verrataan joskus palvelun laatutasoon (QoS), kun halutaan analysoida sitä, kuinka tietoliikenneverkossa voitaisiin tarjota palveluja eri laatutasoilla. QoS:n arvioinnissa käytetään 3GPP:n 5QI-määritelmää (TS23.501, Section 5.7). 3GPP:n spesifikaatiot sisältävät palveluesimerkkejä, mutta tarjolla ei ole määritelmiä palvelujen kuvaamiseksi QoS/5QI-arvoilla.

Verkon viipalointi huomioi sekä 5QI:n että todelliset palvelut. Esimerkiksi puhedataa sisältämättömässä videodataliikenteessä 2K-tasoinen videovirta ja 8K-videovirta tarjoavat kaksi eriytettyä palvelukokemusta. Vaikka molemmat videovirrat käyttävät samaa 5QI-arvoa, nämä kaksi ’palvelua’ ovat merkittävästi erilaisia, ja halutun laatutason saavuttamiseen vaadittavat verkon ominaisuudet ja resurssit ovat huomattavan erilaisia. 5QI-arvoon ja verkon viipalointiin perustuva laatutaso antaa mahdollisuuden käyttökokemusten erilaistamiseen, mutta viipalointi keskittyy enemmän palvelutason eriyttämiseen.

5G-viipaloinnin avainparametrit

5G-päätelaitteet on suunniteltu tukemaan useita verkkosovelluksia (NetApp), jotka hyödyntävät 5G-verkkoviipaleita. Verkkosovellusten näkökulmasta päätelaitteet vastaavat viipaloinnin määritystietojen hallinnasta, verkko-osien valinnasta sovelluksia varten, 5G-verkkoviipaleiden kommunikaation aloittamisesta sekä PDU-istuntojen ylläpitämisestä liikkumisen ja verkkovierailujen aikana. 5G-verkon näkökulmasta päätelaitteet puolestaan auttavat verkkoa valitsemaan resursseja, jotka tarjoavat päästä päähän -palveluja 5G-verkon kautta.

S-NSSAI-informaatiota (Specific – Network Slice Selection Assistance Information) käytetään tunnistamaan tietty 5G-verkkoviipale, ja se edustaa verkon kyseisessä osassa käytettyjä verkkoresursseja. Useista tiedoista muodostuu ryhmä nimeltä NSSAI. Verkon tilaajatietokanta sisältää myös luettelon S-NSSAI-tiedoista, joita käyttäjä on tilannut, ja tällaisia tietoja kutsutaan tilatuiksi (Subscribed S-NSSAI).

URSP-käytäntö (UE Route Selection Policy) puolestaan on määritelty 3GPP-standardeissa kuvaamaan liikennevirtojen ja vastaavan reitityksen välistä suhdetta. URSP sisältää useita liikennevirtoja ja reititystä koskevia sääntöjä, joista jokainen koostuu liikenteen kuvaajasta (Traffic Descriptor) ja reitinvalinnan kuvaajasta (Route Selection Descriptor). Niitä käytetään kuvaamaan S-NSSAI-tietoja ja niihin liittyviä reittiominaisuuksia, jotka vastaavat liikennevirran kuvausta.

Alla on lueteltu tärkeimmät liikenteen kuvaajat, joita käytetään tunnistamaan, mikä liikennevirta liitetään mihinkin viipaleeseen, radioyhteystyyppiin ja niihin liittyviin reititysparametreihin.

• DNN
• IP-kolmikko (IP-osoite tai IP-etuliite, portin numero, protokollatunnus)
• Kohteen FQDN
• OSId ja OSAppID

Päätelaitteet vastaavat verkkoviipaleiden tarvitsemien tietojen hallinnasta ja ylläpidosta, ja niillä voi olla yleinen oletusmääritetty NSSAI tai erikseen määritetty NSSAI kullekin mobiiliverkolle (PLMN). Verkko voi myös tarjota konfiguroidun NSSAI:n kullekin PLMN-verkolle, ja päätelaitteet voivat päivittää URSP:n ja NSSAI:n hyödyntämällä UE Configuration Update -menettelyä. Sovelluksen/palvelun yhdistämiseksi verkkoviipaleeseen päätelaitteet voivat käyttää joko UE/USIM-konfiguroitua tai verkkokonfiguroitua URSP:tä.

Kun sovellus käynnistyy, päätelaite aloittaa dataistunnon (PDU). Päätelaite voi ilmoittaa halutun S-NSSAI:n PDU-istunnon asetusproseduurin aikana (URSP:n perusteella), tai verkko voi osoittaa verkkoviipaleen käytettäväksi PDU-istunnossa. Jos verkkosovelluksen palveluvuon on käytettävä tiettyä verkkoviipaletta, tulisi operaattorin yleensä määrittää URSP:ssä tämä viipale kyseiselle palvelulle.

Testausvaatimukset 5G-viipaloinnille päätelaitteissa

Laitetestauksen keskeinen periaate on varmistaa laitteiden ja verkkojen yhteentoimivuus. Tällä varmistetaan, että käyttäjälle tarjotaan odotettu toiminnallisuus ja käyttökokemus eri verkkojen välillä liikuttaessa tarvitsematta huolehtia siitä, mitä verkkoa käytetään ja miten verkko on määritetty. Tällä varmistetaan myös se, ettei verkon suorituskyky heikkene, kun laitteet toimivat verkossa ja että verkko toimii vakaasti riippumatta siitä, mitkä laitteet on kytketty verkkoon.

Tärkeimmät testausvaatimukset on jaettu kahteen luokkaan: ’Standardien noudattaminen’ verkon ja laitteen välisten viestien (eli NSSAI- ja URSP-määritystietojen) vaihdossa sekä ’UE-toteutus’ laitteen käyttäytymiselle, kun se käyttää URSP:tä tiettyjen viipaleiden konfiguraatioiden valitsemiseen ja pyytämiseen. ’Standardien noudattaminen’ sisältyy yleensä 3GPP RAN5 -testausvaatimuksiin ja -menetelmiin, ja sitä tukevat esimerkiksi GCF-sertifioidut testausjärjestelmät (Global Certification Forum).

’UE-toteutus’ puolestaan perustuu yleensä operaattori- tai laitetoimittajakohtaiseen testaussuunnitelmaan. Sen tulee testata, kuinka sovellus/laite käyttää konfiguraatiotietoja ja triggereitä, jotka saavat laitteen pyytämään/vaihtamaan käytössä olevaa verkkoviipaletta ja reititystä. Nämä näkökohdat on valittu ’UE-toteutukselle’ spesifisesti, eikä niille ole standardoitu tiettyä käyttäytymistä tai testausproseduuria.

Testauksen mahdollistaminen ’päästä päähän’ edellyttää sovelluskerroksen toimintojen sisällyttämistä laitteen puolella, koska viipaleiden valinta- ja liikenteen reititysmenettelyt käyttävät sovelluksiin liittyviä valintakriteerejä ja kartoituksia, jotka on määritetty laitteessa. Tämä sovelluskerros- ja laitetoteutuskohtainen toiminnallisuus vaatii lisää testausrajapintoja ja testaus-/vahvistusmenettelyjä älypuhelinten verkkoviipaloinnin toteutuksen ja yhteentoimivuuden sekä johdonmukaisuuden testaamiseksi.

Verkon viipaloinnin testausalueet

NSSAI-tietojen vaihto verkon ja UE:n välillä (käytettävissä olevien viipaleiden luenta, valtuutus ja päivitys) hoidetaan 3GPP:n määrittämien TS38.523-yhteensopivuustestien avulla. Tämä varmistaa vaaditun tiedonsiirron ilmarajapinnan signaloinnin kautta.

Prioriteettisäännöt verkkoon annetuille ja UE-määritetyille (kaikki oletusarvoiset mukaan luettuina) viipaleasetuksille ja vaihtoehdoille on annettu 3GPP:n TS23.501-määritysten osiossa 5.15.4. Ne on vahvistettava sen varmistamiseksi, että kaikkia kolmannen osapuolen toimittamia määrityksiä käsitellään oikein verrattuna verkon toimittamiin määrityksiin.

Tämä on UE-toteutuskohtainen alue nykyisen 3GPP-yhteensopivuustestin kattavuuden ulkopuolella. 3GPP TS23.501 -määritysten osion 5.15.5 teksti sisältää yksityiskohtaiset tiedot NSSAI:n käsittelystä. Tämä sisältää NSSAI-sääntöjen täytäntöönpanon, menettelyt NSSAI-luetteloiden rekisteröimiseksi ja muokkaamiseksi UE:ssa sekä prosessin PDU-istunnon muodostamiseksi näitä listoja käyttämällä.

URSP-testausalueet

3GPP:n TS31.124-määritys kattaa USIM-pohjaisen Routing Indicator -datan päivittämisen NAS-viestien (Non Access Stratum) avulla sekä uuden radiosiirtotien avaamisen URSP-käytännön päivitysdatan vastaanottamisen jälkeen. Tämä varmistaa vaadittujen tietojen siirtämisen ilmarajapinnan signaloinnin kautta USIM-moduuliin kaikkien siihen tallennettujen/konfiguroitujen URSP-sääntöjen osalta.

3GPP:n TS23.503-määrityksen osa 6.6.2.3 puolestaan tarjoaa UE-proseduurin sovellusten liittämiseksi PDU-istuntoihin URSP-tietojen perusteella. UE:n käyttäytyminen näiden proseduurien toteuttamisessa on testausalue, joka on ’UE-toteutukselle’ spesifinen. Sovellusten kartoitus URSP-sääntöihin ja eri URSP-sääntöjen valintaprosessi on UE-toteutuskohtainen ja nykyisen 3GPP-yhteensopivuustestin kattavuuden ulkopuolella. Jos operaattorit tarjoavat erityisiä URSP-sääntöjä vaadituilla parametreilla/asetuksilla, UE:n kartoitus tulisi tarkistaa sääntöjen valinnan ja priorisoinnin johdonmukaisuuden sekä PDU-istuntotyyppien yhdistämisen suhteen.

UE:lla voi myös olla ’paikallisia konfiguraatioita’, joita käytetään tiettyjen PDU-istuntotyyppien valitsemiseen tietyille sovelluksille (tallennettuina UE:ssa tai USIM:ssa). Vastaavasti jos samat säännöt tarjotaan eri UE-laitteille, jokaisen UE:n tulkinta ja vastaus näihin sääntöihin tulisi testata johdonmukaisuuden ja odotetun oikean toiminnan suhteen. Verkkovierailun tapauksessa PLMN-kotiverkon ja vierailtavan mobiiliverkon tarjoamissa säännöissä voi olla eroja, ja näiden sääntöjen oikea prioriteettikäsittely tulee varmistaa.

3GPP:n määritys TS24.562 puolestaan kuvaa UE-käytännöt URSP:lle. Osa 4.2 kattaa URSP:n käsittelyprosessin ja jakso 5 kattaa URSP-sääntöjen koodauksen yksityiskohdat. URSP-säännöt voidaan esikonfiguroida USIM:ssä ja/tai UE:ssä, ja verkko-operaattori voi tarjota ne myös PCF:stä (Policy Control Function) käyttämällä NAS-sanomanvälitystä ’UE Policy Delivery Service’. Sääntöjen oikea käyttöönotto ja yhteentoimivuus (vastaavuus) on ehkä tarkistettava, jotta voidaan varmistaa UE-laitteiden johdonmukainen ja ennustettavissa oleva valintakäyttäytyminen, kun ne toimivat eri verkoissa (esim. verkkovierailutilanteissa).

Tarjolla ei ole standardoitua tapaa käynnistää (trigger, liipaista) URSP-säännön valinta, vaan tämä tapahtuu sovelluskerroksen ohjaamana ja UE-toteutuskohtaisesti. Testauksen mahdollistamiseksi päätelaitteelle on annettava sopiva testausmenetelmä (esim. etäkomentona) tai sopiva testisovellus, joka voi käynnistää vaaditut valintamenettelyt.

Prosessi UE-sovelluksen (PDU-istunnon) sovittamiseksi URSP-käytäntöön ja sopivien verkkoviipaleiden pyytämiseen on kuvattu aiemmin eri vaihtoehtoihin viitaten. Jokainen menetelmistä edellyttää NSSAI- ja URSP-provisioiden yhdistelmää, jota seuraa sovelluskohtainen valinta säännöistä/profiileista, jotka ovat käyttöjärjestelmäkohtaisia toteutuksia.

Oikean toiminnan varmistaminen edellyttää NSSAI-testien, URSP-testien ja käyttöjärjestelmän valintamenettelyjen yhdistämistä. Tiettyjen profiilien valintojen liipaisu edellyttää joko ‘testisovellusta’ tai erityisiä testausrajapintoja käyttöjärjestelmään, jotta määrätty valinta voidaan ottaa käyttöön UE:ssa.

Verkon viipaloinnin testausalusta

Kattava testausympäristö verkon viipalointia ja URSP-käytäntöä varten voidaan rakentaa käyttäen Anritsun radioliikennetesteriä MT8000A. Tämä alusta mahdollistaa verkon signaloinnin tarkasti ohjatun konfiguroinnin (mukaan lukien S-NSSAI ja URSP), jotta tietyt testaustapaukset ja kokoonpanot voidaan vahvistaa.

MT8000A voidaan myös liittää suoraan ulkoisiin MEC-palvelimiin (Multi-access Edge Computing), jotta käyttäjätietoja voidaan tarjota eri reitityksillä. Samaa MT8000A-alustaa käytetään myös protokollan testausjärjestelmässä ME7834NR, jotta protokollapinon 3GPP-mukainen käyttäytyminen voidaan vahvistaa.

Uusi lähestymistapa

Verkon viipalointi tuo uusia ominaisuuksia 5G-laitteisiin, joilla voidaan tarjota eritasoista palvelulaatua eri sovelluksille. Tämä edellyttää uudenlaista lähestymistapaa 5G-laitteiden sovellus- ja palvelutason testaamiseen. Erityisesti 3GPP:n protokolla/modeemikerrosten ja käyttöjärjestelmä/sovelluskerrosten välillä on uudenlainen vuorovaikutus.

Tähän vaaditaan uusia testausmenetelmiä ja -proseduureja laitteiden ja sovellusten suorituskyvyn ja yhteentoimivuuden sekä verkkovierailu/liikkumistilanteiden varmistamiseksi. Koska verkon viipalointi on suunniteltu tarjoamaan kullekin käyttäjälle eriytetty palvelu, käyttäjäkokemuksen varmistamisesta tulee kriittinen osa verkon viipaloinnin käyttöönottoa.