基于未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下網(wǎng)絡(luò)切片概念的研究

北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院 肖 健

基于未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下網(wǎng)絡(luò)切片概念的研究

北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院 肖 健

在即將到來(lái)的5G時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)切片作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)概念被廣泛探討和研究。網(wǎng)絡(luò)切片的主要功能是使不同切片相互隔離，確保每個(gè)切片不被其他切片中的擁塞而中斷。本文主要介紹了未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下網(wǎng)絡(luò)切片概念以及網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)現(xiàn)。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)切片；資源隔離；物聯(lián)網(wǎng)（IoT）

一、5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的新概念

目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)屬于一刀切的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，而在未來(lái)的5G系統(tǒng)中，將滿足新興市場(chǎng)的需求，并且可以根據(jù)運(yùn)營(yíng)商及其用戶終端的需求附屬相應(yīng)的功能及特點(diǎn)。一些最常用的有：被增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）和大規(guī)模機(jī)器類型通信（mMTC）以及超可靠和低延遲通信（uRLLC）。

在5G機(jī)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)切片作為一種新的概念將適用于可部署的下一代架構(gòu)單個(gè)物理上的多個(gè)獨(dú)立邏輯網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)。 運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)提供商被允許創(chuàng)建專門的網(wǎng)絡(luò)切片接入管理方案滿足多樣化用戶需求。網(wǎng)絡(luò)切片理論上可使多個(gè)切片共享相同物理資源，可以想象其概念以動(dòng)態(tài)的方式進(jìn)項(xiàng)必要調(diào)整，使得利用資源更加有效，較之傳統(tǒng)架構(gòu)可減少更多的實(shí)施成本。在傳統(tǒng)架構(gòu)中，通常數(shù)據(jù)傳輸僅共同使用一個(gè)切片，一旦共享資源管理不當(dāng)，例如資源過載或擁塞，可能對(duì)另一種正常的資源傳輸產(chǎn)生不利影響。所以多個(gè)切片之間的隔離是極其重要的。專用分區(qū)多個(gè)切片之間的資源可能是一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案，但是由于實(shí)際情況很難預(yù)測(cè)，部分資源的利用率低是不可避免的。因此，需要在兩個(gè)隔離切片之間做出權(quán)衡和跨片段的有效資源利用。

二、網(wǎng)絡(luò)切片概述

目前的4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)主要是服務(wù)于移動(dòng)手機(jī)，只能給手機(jī)做一些比較局限的優(yōu)化。但是到了5G時(shí)代的無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)就能服務(wù)各項(xiàng)類型和需求的。其中應(yīng)用場(chǎng)景如：移動(dòng)寬帶、大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)、任務(wù)關(guān)鍵的物聯(lián)網(wǎng)都需要不同的網(wǎng)絡(luò)類型，在移動(dòng)性、計(jì)費(fèi)、安全、策略控制、延時(shí)、可靠性等方面有各不相同的要求。在下文中，主要介紹的就是網(wǎng)絡(luò)切片的提出和實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)切片中存在的問題。

2.1 網(wǎng)絡(luò)切片的引出

5G時(shí)代必將來(lái)臨，預(yù)計(jì)在2020年后將有數(shù)千億計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)。到那時(shí)寬帶將無(wú)處不在，并豐富人與人、物與物、人與物之間的通信需求。主要以運(yùn)營(yíng)商組成的MGMN聯(lián)盟早在2015年3月初就已經(jīng)發(fā)布了《NGMN 5G 白皮書》，其中定義了5G八大類24種典型場(chǎng)景，覆蓋了現(xiàn)今業(yè)務(wù)的所有5G場(chǎng)景。

例如，連接寬帶從50kbit/s～1Gbit/s，時(shí)延從1 ms 到秒級(jí)，每平方公里的連接數(shù)從200個(gè)到15萬(wàn)個(gè)，移動(dòng)性從靜止到緩慢及高速的500km/h。聯(lián)系實(shí)際也可知道有些如自動(dòng)駕駛、自動(dòng)手術(shù)的要求是很高的，必須實(shí)現(xiàn)其時(shí)延最小化，傳輸速率極高化，這樣才能確保工作運(yùn)行無(wú)障礙，事故率低。但像視頻娛樂那樣的傳輸，對(duì)于可靠性要求并不完全那么嚴(yán)格。

如果每個(gè)運(yùn)營(yíng)公司都要為每個(gè)類別的業(yè)務(wù)需求建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿足其傳輸, 網(wǎng)絡(luò)成本必將超出預(yù)算。當(dāng)然,與之不同的也可以使所有不同類型的服務(wù)都是在相同的網(wǎng)絡(luò)和基本設(shè)備上承載的, 但是要實(shí)現(xiàn)這個(gè)計(jì)劃并非想象中的那么簡(jiǎn)單，其中有許多阻礙因素。

人類社會(huì)在發(fā)展，科技同樣在進(jìn)步。最新的有關(guān)于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬技術(shù)研究表明，在未來(lái)5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，在同樣的物理基礎(chǔ)設(shè)備上利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)通過編排和管理，使每種業(yè)務(wù)都分配到相匹配的虛擬專用資源。對(duì)于這些業(yè)務(wù)本身來(lái)說，分配的資源將是獨(dú)有無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的且與其他業(yè)務(wù)之間是相互隔離狀態(tài)的。這將充分地提高了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模效應(yīng)和物理資源使用率，降低了網(wǎng)絡(luò)配置的成本。其主要規(guī)模課分為：智能手機(jī)切片，以部署和分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)成熟的網(wǎng)絡(luò)功能，即可實(shí)現(xiàn)典型的智能手機(jī)使用的5G切片；車輛自動(dòng)駕駛切片，以安全可靠的時(shí)延作為基準(zhǔn)；IOT型切片。其主要是運(yùn)用在大型設(shè)備中。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)絕不僅限于這幾類切片，它的實(shí)現(xiàn)是非常靈活，運(yùn)營(yíng)商可以隨心所欲的根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景定制自己的虛擬網(wǎng)絡(luò)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)現(xiàn)

4G網(wǎng)絡(luò)是目前主要終端設(shè)備（包括數(shù)字單元（DU）和一個(gè)射頻單元（RU）），蜂窩電話網(wǎng)絡(luò)，核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商是無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò)的一部分，使用一個(gè)特殊的裝置。在網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過功能虛擬化后，無(wú)線接入網(wǎng)部分叫邊緣云（Edge Cloud），而核心網(wǎng)部分叫核心云（Core Cloud）。邊緣云中的VMs和核心云中的VMs，通過SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）互聯(lián)互通。根據(jù)其上分析，就能執(zhí)行切片了，這就像切面包一樣把虛擬子網(wǎng)絡(luò)切成片，即網(wǎng)絡(luò)切片。

（一）高清視頻切片：將原始網(wǎng)絡(luò)中局部核心網(wǎng)功能和DU被虛擬化后，再加上存儲(chǔ)服務(wù)器后一并放入邊緣云。核心云再取代其他功能。

（二）手機(jī)切片：邊緣云將原來(lái)被虛擬化的無(wú)線接入數(shù)字單元收納，其中也包括了IMS。

（三）海量物聯(lián)網(wǎng)切片：因?yàn)楹艽蟛糠值膫鞲衅魇庆o止的，所以并不需要遷移性管理，這項(xiàng)切片相對(duì)其他簡(jiǎn)單些。

（四）任務(wù)關(guān)鍵性物聯(lián)網(wǎng)切片：因?yàn)槠鋵?duì)時(shí)延要求高，所以為了縮短時(shí)延，原網(wǎng)絡(luò)的其他的相關(guān)服務(wù)器和核心網(wǎng)功能都下降到了邊緣云。

與前面提到的資源分類一樣，實(shí)際分類中的這些切片技術(shù)并不局限于此，而來(lái)之人們的需求，實(shí)現(xiàn)方便功能效益。

2.3 網(wǎng)路切片在實(shí)現(xiàn)中存在的問題

從前面的介紹可以看出網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)現(xiàn)理論上講邏輯是簡(jiǎn)單的，但在實(shí)際中并非如此。再此謹(jǐn)列出具有代表性的四個(gè)實(shí)際問題：

（1）網(wǎng)絡(luò)切片之間的資源很難做到有效的隔離。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，實(shí)施網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)在一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施上分割多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片來(lái)運(yùn)行。切片上的通信流量在傳輸過程中很難不影響到另一個(gè)切片的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，切片間的資源處理優(yōu)先級(jí)又是一個(gè)很大的問題，在現(xiàn)有的IP技術(shù)的大背景下設(shè)置比較復(fù)雜。

（2）切片類型的歸類復(fù)雜。由于5G應(yīng)用種類巨大，這就需要建設(shè)海量的差異性業(yè)務(wù)分組，在現(xiàn)有的軟硬件設(shè)備并不能使其更好的鮮明歸類。

（3）網(wǎng)絡(luò)切片的管理。其中涉及到學(xué)科交叉類型管理及一般性質(zhì)的周期如創(chuàng)立、激活、釋放、退出等，還有系組的安全和計(jì)費(fèi)以及QoS的策略保障等等。

（4）網(wǎng)絡(luò)切片面向不同的用戶及商業(yè)模式使切片粒度大小難以把控。其中IP承載域、數(shù)據(jù)中心域及各自組成的域單獨(dú)成立在各個(gè)場(chǎng)景中較難協(xié)同。

2.4 總結(jié)

在工作和生活中，網(wǎng)絡(luò)無(wú)處無(wú)在。我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)有3G網(wǎng)絡(luò)，隨著4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的建立，其用戶量也在逐漸增多。而網(wǎng)絡(luò)終端占大部比的便是智能手機(jī)。可想而知，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的改革和創(chuàng)新，5G離我們也并非那么遙遠(yuǎn)。根據(jù)全球互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)的內(nèi)容表明，接下來(lái)的改變，將是跨時(shí)代的——The Next Big Thing，無(wú)物不連的時(shí)代（物聯(lián)網(wǎng)）。將有大量的不同領(lǐng)域的工業(yè)類型的應(yīng)用設(shè)備接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，這將徹底改變我們?cè)械纳睢＿@項(xiàng)技術(shù)的第一步策略便是網(wǎng)絡(luò)切片。雖然網(wǎng)絡(luò)切片在理論上的實(shí)施相對(duì)存在一些問題，但它作為一個(gè)機(jī)體、一個(gè)架構(gòu)，這項(xiàng)架構(gòu)也是指日可待。

三、結(jié)束語(yǔ)

在以上提出的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)雖然在目前LTE架構(gòu)下的技術(shù)支持無(wú)法實(shí)現(xiàn)，但卻給未來(lái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)切片概念奠定了良好的理論基礎(chǔ)。相信在不久的將來(lái)，隨著技術(shù)的革新，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的全面普及，這項(xiàng)理論研究能夠更好地應(yīng)用到系統(tǒng)中去使數(shù)據(jù)傳輸暢通無(wú)阻，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)物聯(lián)的暫新的一個(gè)時(shí)代——物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。