5G網絡切片技術的應用與分析*

黃 旭

（南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003）

0 引 言

1 網絡切片技術的定義與研究進展

隨著互聯網的高速發展，世界對于互聯網的要求越來越高，相應的互聯網應用也越來越豐富。5G時代的到來，出現了不同應用場景和差異化的業務需求。不同的應用場景對應不同的網絡需求，為滿足這些需求，5G網絡通過對實際網絡的資源和功能進行劃分，形成了不同的網絡切片。每個切片可以被看作是一個邏輯網絡，是實現網絡靈活性和可擴展性的關鍵技術之一，在提高網絡安全性的同時，降低了網絡運營投資成本。

1.1 網絡切片技術的定義

網絡切片[1]是將一個物理網絡切割成多個虛擬的端到端網絡，每個虛擬網絡之間（包括網絡內的設備、接入、傳輸和核心網）是邏輯獨立的，任何一個虛擬網絡發生故障都不會影響其他虛擬網絡。依據應用場景可將5G網絡分為3類：移動寬帶、海量物聯網和任務關鍵性物聯網。由于5G網絡的3類應用場景的服務需求不同，且不同領域的不同設備大量接入網絡，這時網絡切片就可以將一個物理網絡分成多個虛擬的邏輯網絡，每一個虛擬網絡對應不同的應用場景，從而滿足不同的需求。

1.2 網絡切片技術的研究進展

1.2.1 國外網絡切片技術的發展

全球范圍內有很多5G論壇和研究項目組，最先開始在5G領域進行研究的項目是METIS。該項目于2011年在歐洲開展，是歐盟第一個完整的5G項目，并對全球的5G發展產生了深遠影響[2]。METIS項目的原始訴求是為全球的5G研究建立參照體系，包括確定5G的應用場景、測試用例和重要性能指標。目前，這些成果被商界和學術界廣泛應用，主要成果是篩選了5G的主要技術元素。歐洲通過該項目在5G的研發方面獲得了明顯的領先地位。

隨后，歐盟繼續開展了5G-PPP項目、5GNOW項目，主要研究內容包括蜂窩系統的場景和需求、5G無線接入體系概念、候選波形技術選擇和高級MAC技術概念等。

1.2.2 我國網絡切片技術的發展

如今，中國作為世界第二大經濟體，不僅促進了中國國際地位的提升，而且在各個行業都有了更大的發言權。“3G跟隨，4G并跑，5G引領”，說明中國在整個通信行業角色和地位的變化[3]，而中國通信行業的研究為5G標準的形成貢獻了重要的理論依據和技術支持。在獨立組網標準形成過程中，中國移動在3GPP擔任了下一代網絡架構研究、5G系統架構標準的項目負責人工作。在全球相關行業的支持下，牽頭完成了5G新核心網5GC從研究到標準化的艱巨工作。標準化中，中國移動主導提出了基于服務的5G網絡架構（SBA），是5G獨立組網的基礎架構，且還牽頭推動了網絡切片架構、用戶數據融合架構等工作，并在功能軟件化、C/U分離、邊緣計算方面發揮了重要的推動作用。

我國于2013年2月成立了IMT-2020（5G）推進組[4]，組織國內的企業和高校等成員開展5G的研發和產業推進，成為聚合移動通信領域產學研用力量、推動第五代移動通信技術研究、開展國際交流與合作的基礎工作平臺。

2016年，啟動5G技術研究試驗；2018年，多地開展5G試點；2018年5月17日，世界電信和信息社會日，工信部、國資委聯合發布《關于深入推進網絡提速降費加快培育經濟發展新動能2018專項行動的實施意見》[5]，明確2018年將加快推進5G技術產業發展，促進5G和垂直行業融合發展，為5G規模組網和應用做好準備。

網絡切片技術已經被通信行業廣泛認為是5G的重要創新技術，全球多個運營商、設備商均致力于研發端到端網絡切片技術，包括接入網、傳輸網和核心網，拓展基于5G網絡切片技術的創新應用，如智能制造、智能電網。

此外，能源、工業、汽車、媒體娛樂等多個垂直行業也逐漸提出對5G網絡切片的性能、隔離性等需求，積極參加到3GPP、IMT-20205G推進組等通信行業組織中，參與網絡切片的標準制定和產業推進。但從標準發展來看，5G網絡切片的一階段標準已于2018年6月完成，傳輸網支持網絡切片的標準預計在2018年年底完成。

在IMT-2020（5G）推進組5G技術第二階段測試中，對基于NFV平臺的切片功能進行了系列測試。第三階段測試將更側重于系統驗證，對網絡切片開展面向5G新業務的進一步測試驗證。

2018年6月14日，3GPP全會批準了第五代移動通信技術標準（5G NR）獨立組網功能凍結[6]。獨立組網標準凍結讓5G確定了全新的網絡架構和核心網，將讓網絡向IT化、互聯網化、極簡化、服務化轉變。其中，在服務化上，5G從通用化服務轉到個性化、定制化服務，代表性技術是網絡切片和邊緣計算。網絡切片提供定制化、邏輯隔離、專用的端到端虛擬移動網絡（包括接入網、核心網），是5G面向垂直行業實現服務可保障的基本技術形式。邊緣計算將網絡的功能應用靠近用戶部署，使得極致的低時延、本地特色應用成為可能，是5G滿足如智能工廠等垂直行業業務需求的重要基礎。

同時，在無線側，5G NR為設計、架構、頻段、天線四方面帶來新變化。5G系統的連續廣域覆蓋，不但保證了高移動性場景下的用戶體驗和海量設備的連接，還是物聯網發展的推進器，亦是提供用戶所需的連接靈活性、提供驅動標準物聯網構建模塊通信所需的核心工具。

SA功能凍結不僅使5G NR具備了獨立部署的能力，也帶來了全新的端到端新架構，意味著5G可以正式步入商用階段。

2020年，5G將全面投入商用。中國5G正按照規劃時間表有序發展，并走在世界前列。

2 網絡切片的資源管理方法

網絡切片管理在5G中至關重要。運用虛擬化技術，可以對網絡切片資源的生命周期進行管理。每個網絡切片的生命周期可以分為5個階段，重點介紹設計、編排和運營3個階段。

2.1 設計階段

設計階段又包括切片設計和商業設計。切片設計過程中，設計人員按照特定業務需求選擇相應的特性，如利用功能、時延、安全性等標準，設計切片模板。可以針對不同業務客戶的獨特服務需求進行量身定制，實現切片的按需設計。商業設計是指網絡切片模板的生成過程。首先，網絡切片管理功能提供方為網絡切片需求方提供切片編輯工具和標準化模板。模板中主要包括結構和配置的描述，還包括如何進行實例化和控制網絡切片實例。基于此，設計人員選擇相應的功能組件，以滿足需求方所需業務的要求，生成內部的網絡拓撲，并確定各部分之間的交互協議。此外，要結合承載的業務特點設定相應的安全性和可靠性要求，并考慮業務體驗，以保證為其劃分的資源規模能達到性能指標。

2.2 編排階段

在購買網絡切片模板后進入到編排階段。這個階段中，切片管理器解析模板配置，為其之后創建切片獲取所需的邏輯資源。同時，對這些資源進行邏輯隔離，以保證其與其他網絡切片對應的資源彼此獨立。編排過程是一個自動化過程，一個切片模板可進行多次編排，即可以生成多個網絡切片實例。

2.3 運營階段

運營階段，網絡切片運營方可以通過切片管理器提供的接口進行動態管理。通過該接口，對資源、性能等進行監控，及時進行維護、升級和調整。此外，可以根據所需的特定要求對網絡切片進行二次開發。

3 網絡切片的分類及應用

網絡切片可以看作是一個完全實例化的邏輯網絡，可以滿足服務實例要求的功能或特性，如超低時延、可靠性等。不同的場景對網絡有不同的要求，有些甚至會產生沖突。如果使用單個網絡為不同的應用場景提供服務，可能會導致復雜的網絡架構、低效的網絡管理和低效的資源利用。5G網絡切片技術為不同的應用場景提供隔離的網絡環境，使不同的應用場景可以根據自身要求定制功能與特性。5G網絡切片的目標是結合終端設備、接入網資源、核心網資源、網絡運營和維護管理系統，為不同的業務場景或業務類型提供獨立、隔離和集成的網絡。

3.1 網絡切片的2種形式

3.1.1 獨立切片

擁有獨立功能的切片，包括控制面、用戶面及各種業務功能模塊，為特定用戶群提供獨立的端到端專網服務或者部分特定功能服務[7]。

3.1.2 共享切片

共享切片即資源可供各種獨立切片共同使用的切片。共享切片提供的功能可以是端到端的，也可以提供部分共享功能。

3.2 端到端網絡切片

3.2.1 空中接口的網絡切片

空中接口的網絡切片概念是指對物理無線電資源進行適當劃分，將其映射到邏輯資源，并且基于邏輯物理資源創造媒體訪問控制和更高層的操作。

3.2.2 無線接入網的網絡切片

考慮到切片的特殊性，無線接入網中的網絡切片描述了控制平面和用戶平面的優化配置。此外，還需要研究兩個方面。

（1）無線接入類型。它支持由切片提供的服務。

（2）無線接入網功能的正確配置。它適用于基于需求的每個切片中的合適的單元部署。基于QoS需求、通信負載或通信類型等因素，RAN體系結構對于每個切片應做出適當的調整。例如，由于RAN配置，每個切片使用不同類型的單元：切片1只使用宏單元；切片2只使用小單元；切片3使用宏單元和小單元。在其他場景中，切片1可以使用宏單元和小單元，而切片3只使用小單元。

3.2.3 核心網中的網絡切片

由于網絡功能虛擬化和軟件定義網絡兩種技術，核心網絡中的網絡切片是可能的。軟件定義網絡的目的是將控制平面和數據平面分離。此外，控制平面應該通過API來編程，以引入管理的靈活性。支持SDN類平面分離是5G核心網絡體系結構的主要原則之一，因為它允許：

（1）數據和控制資源的獨立調整；

（2）數據平面更接近用戶設備；

（3）適當選擇不同切片所需的數據平面功能。

3.3 網絡切片的3種部署場景

（1）共享切片與獨立切片縱向分離。端到端的控制面切片作為共享切片，在用戶面形成不同的端到端獨立切片。控制面共享切片為所有用戶服務，對不同的個性化獨立切片進行統一管理，包括鑒權、移動性管理和數據存儲等。

（2）獨立部署各種端到端切片，每個獨立切片包含完整的控制面和用戶面功能，形成服務于不同用戶群的專有網絡，如CIoT、eMBB和企業網等。

（3）共享切片與獨立切片橫向分離，共享切片實現一部分非端到端功能，后接各種不同的個性化獨立切片。典型應用場景包括共享的vEPC+GiLAN業務鏈網絡。

4 結 語

4.1 問題與挑戰

5G網絡切片作為5G網絡的關鍵技術，依然還缺乏5G端到端網絡切片技術的原型驗證和應用示范。另外，對于切片相關的技術方案的定義還需完善。切片技術的引入使網絡變得非常靈活，同時帶來了管理和運維方面的問題。本文從以下四個方面面臨的問題出發進行闡述。

（1）切片粒度：如果切片太大，無法滿足服務差異化的需求；若切片粒度太細，會增加管理和編排上的復雜度。如何同時滿足靈活性和管理兩方面要求，是一個需要解決的問題。

（2）切片隔離：由于每個運營商網絡的多樣性，用于切片隔離的機制、技術或配置在每種情況下都是不同的。為了保證網絡切片隔離的設計合適，應該有一個覆蓋需求和各種參數的規范。

（3）無線側切片：無線接入網切片是網絡切片的一部分[8]，為滿足多種應用場景下時延、安全性的要求，無線切片是重要的一環。

（4）復雜應用場景：網絡切片要結合應用產業的復雜需求，如無人駕駛、車聯網。在切片的試驗和部署期間，需要應用產業的參與。

4.2 建議與措施

對于以上問題，相關產業界可以在以下方面加強合作：

（1）加強對5G端到端網絡切片的技術研發、設備研制與原型驗證，接入網、傳輸網及切片管理技術需要進一步改進和提高。

（2）電信業與垂直行業加強合作，明確垂直行業的業務需求和功能需要，建設基于5G網絡切片的應用規范。

（3）在以網絡切片的形式提供5G服務的模式中，兼并無線側切片功能的研究，可以帶來更好的商業價值，進行更好的商業推動。

4.3 前景與展望

5G技術作為面向未來新需求的新一代通信技術，已經獲得了全球范圍的廣泛關注，并得到了幾乎所有電信運營商。電信設備制造商和研究機構的支持，其技術發展獲得了全產業鏈的支持，為未來商用做好了充分準備。

面向2020年及未來，移動通信技術和產業將邁入5G發展階段，5G技術的發展將越來越成熟。在網絡切片的推動下，未來萬物互聯的場景將會得到實現。自動工廠、遠程醫療、無人駕駛、車聯網等以超高速率、超低時延、高可靠性的通信為基礎的新技術日益普及，這給人們的生活帶來了更大便利，極大地改變了人們的生活方式。