5G網(wǎng)絡(luò)端到端切片技術(shù)研究*

喬 楚

（四川通信科研規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

0 引 言

未來，業(yè)務(wù)向移動(dòng)屏全面遷移的發(fā)展態(tài)勢(shì)已逐漸清晰。憑借現(xiàn)有4G LTE網(wǎng)絡(luò)，將難以滿足未來移動(dòng)互聯(lián)業(yè)務(wù)場(chǎng)景在連接性能、網(wǎng)絡(luò)功能及網(wǎng)絡(luò)安全可靠性等方面的差異化需求。而為不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景單獨(dú)搭建通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的巨額投資，也將成為網(wǎng)絡(luò)提供商望而卻步的壁壘。

5G網(wǎng)絡(luò)充分利用與SDN/NFV虛擬化架構(gòu)的融合，根據(jù)未來業(yè)務(wù)具體場(chǎng)景和需求提出“網(wǎng)絡(luò)切片”的概念，實(shí)現(xiàn)了端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)劃分，按需配置網(wǎng)絡(luò)資源。基于現(xiàn)有業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢(shì)可以預(yù)判，未來5G網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)場(chǎng)景可分為大帶寬的移動(dòng)接入場(chǎng)景（eMBB）、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)接入場(chǎng)景（mMTC）以及低時(shí)延高可靠性業(yè)務(wù)接入場(chǎng)景（uRLLC）三大場(chǎng)景[1]。各場(chǎng)景下的典型業(yè)務(wù)及業(yè)務(wù)需求如表1所示。

表15 G三大應(yīng)用場(chǎng)景及業(yè)務(wù)需求

1 何為“切片”

1.1 切片定義

網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slicing）是指網(wǎng)絡(luò)根據(jù)承載業(yè)務(wù)的自有特征和需求，對(duì)端到端的網(wǎng)絡(luò)資源（網(wǎng)絡(luò)功能、物理硬件及接口管道資源等）進(jìn)行邏輯劃分和封裝，以滿足不同業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延、可靠性等網(wǎng)絡(luò)性能的QoS需求，且自身網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障和恢復(fù)時(shí)不影響其他切片業(yè)務(wù)，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片定義

它是一組完整的網(wǎng)絡(luò)功能子集合。網(wǎng)絡(luò)切片的建立，可以為某一特定或某一類具有相同特征的業(yè)務(wù)場(chǎng)景提供業(yè)務(wù)落地運(yùn)營所需的功能和資源。

它基于虛擬化對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邏輯抽象。未來網(wǎng)絡(luò)從實(shí)體架構(gòu)向虛擬架構(gòu)快速演進(jìn)，集虛擬化、云技術(shù)于一身的切片技術(shù)對(duì)各類網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行高度的邏輯抽象和整合，構(gòu)建開放化、可分布式部署的彈性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

它還是一套端到端的解決方案。端到端體現(xiàn)在下一代網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)層面。核心網(wǎng)需要切片，承載網(wǎng)和無線網(wǎng)側(cè)也需要切片，甚至網(wǎng)絡(luò)控制器、終端也需要切片。

1.2 切片分類

從業(yè)務(wù)角度出發(fā)，不同類型業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)技術(shù)層面的需求存在差異，有的需求之間甚至相互對(duì)立。例如，要通過單一網(wǎng)絡(luò)同時(shí)為不同類型業(yè)務(wù)場(chǎng)景提供網(wǎng)絡(luò)支持，會(huì)大幅提升網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和策略的復(fù)雜度，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源利用率和運(yùn)維效率低下。5G網(wǎng)絡(luò)通過引入切片技術(shù)可以很好地解決該問題，且5G基于虛擬化方式部署的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使得切片策略也可按需定制。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可結(jié)合自身業(yè)務(wù)特點(diǎn)，采取差異化的切片策略構(gòu)建相互隔離的邏輯網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)的定制化承載。

1.2.1 基于業(yè)務(wù)場(chǎng)景的切片

目前，業(yè)界主流的方式是基于業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行切片，分為eMBB切片、IoT切片及uRLLC切片。每種切片對(duì)所分配的各層級(jí)網(wǎng)絡(luò)資源和運(yùn)維管理資源進(jìn)行有機(jī)整合，構(gòu)成一個(gè)完整的邏輯網(wǎng)絡(luò)，可以獨(dú)立承擔(dān)某類業(yè)務(wù)端到端的網(wǎng)絡(luò)功能。

對(duì)于eMBB場(chǎng)景中大帶寬業(yè)務(wù)的實(shí)際需求，可考慮在核心數(shù)據(jù)中心/云中部署核心網(wǎng)控制面Core-CP、視頻業(yè)務(wù)QoS保障服務(wù)，并在相對(duì)靠近用戶的網(wǎng)絡(luò)層級(jí)的數(shù)據(jù)中心/云中部署核心網(wǎng)用戶面Core-UP、視頻緩存服務(wù)器等（IPTV PoP節(jié)點(diǎn)）。針對(duì)物聯(lián)接入的需要，可考慮在核心數(shù)據(jù)中心/云中集中部署Core-CP和Core-UP，并配置相應(yīng)物聯(lián)終端連接、測(cè)量采集與管理等服務(wù)。通常，物聯(lián)接入場(chǎng)景無需配置移動(dòng)性管理服務(wù)。uRLLC場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)場(chǎng)景通常需要網(wǎng)絡(luò)側(cè)最大程度縮短業(yè)務(wù)端到端時(shí)延，此類場(chǎng)景可充分利用承載網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性，在網(wǎng)絡(luò)邊緣層級(jí)面向用戶就近部署Core-CP和Core-UP實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)終結(jié)，并配置相關(guān)應(yīng)用服務(wù)滿足業(yè)務(wù)具體需求，如車聯(lián)網(wǎng)V2X服務(wù)、工業(yè)網(wǎng)互聯(lián)服務(wù)等。

1.2.2 基于切片資源訪問對(duì)象的切片

如果從網(wǎng)絡(luò)資源的層面劃分切片，可根據(jù)切片功能資源是否可被其他切片資源共享，分為獨(dú)立切片和共享切片[2]。

（1）獨(dú)立切片

獨(dú)立切片是指網(wǎng)絡(luò)資源經(jīng)邏輯切片后，指定的用戶對(duì)象群體或業(yè)務(wù)場(chǎng)景可獲得網(wǎng)絡(luò)側(cè)完整且獨(dú)立的端到端網(wǎng)絡(luò)資源和業(yè)務(wù)服務(wù)，不同切片間的資源邏輯上相對(duì)獨(dú)立，切片資源僅在相應(yīng)切片內(nèi)部可被調(diào)用并提供服務(wù)。基于業(yè)務(wù)場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)切片可理解為獨(dú)立切片。

（2）共享切片

共享切片是指網(wǎng)絡(luò)資源經(jīng)切片后并沒有進(jìn)行徹底的邏輯隔離，切片資源仍可供其他不同的獨(dú)立切片共享調(diào)度和使用，以提供部分可共享的業(yè)務(wù)功能和服務(wù)，提高資源利用率。

1.3 切片意義

在5G環(huán)境中，業(yè)務(wù)種類的多樣化和移動(dòng)終端平臺(tái)能力的進(jìn)一步提升，對(duì)基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)提出了更多、更高的技術(shù)保障需求。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商而言，提供業(yè)務(wù)之間差異化保障的趨勢(shì)逐漸明朗。屆時(shí)引入網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，將在多個(gè)維度具有重要意義。

1.3.1 適應(yīng)終端、業(yè)務(wù)場(chǎng)景及QoS需求的多樣化

在下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，終端側(cè)不再局限于手機(jī)和PAD終端，更多類型的設(shè)備被逐步引入通信網(wǎng)絡(luò)，如AR/VR眼鏡、智能穿戴、物聯(lián)傳感器及無人駕駛車輛等。同時(shí)，以大帶寬移動(dòng)接入、大規(guī)模物聯(lián)接入等為代表的主要業(yè)務(wù)場(chǎng)景也已固化。基于業(yè)務(wù)需求的定制化切片可使5G網(wǎng)絡(luò)具備良好的業(yè)務(wù)適應(yīng)性，并滿足不同業(yè)務(wù)之間的差異化QoS需求，如時(shí)延、移動(dòng)性及可靠性等。因此，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的引入將對(duì)運(yùn)營商進(jìn)入具有海量規(guī)模的垂直業(yè)務(wù)市場(chǎng)，產(chǎn)生了核心推動(dòng)作用。

1.3.2 實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)按需分配，面向用戶提供差異化服務(wù)

5G網(wǎng)絡(luò)開放式架構(gòu)具備靈活調(diào)度的特點(diǎn)。切片技術(shù)的應(yīng)用可以提升業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)與資源三者之間的協(xié)同效率。面向用戶側(cè)提供定制化業(yè)務(wù)推送，從不同維度體現(xiàn)PaaS、NaaS及IaaS的云網(wǎng)協(xié)同價(jià)值。

1.3.3 降低網(wǎng)絡(luò)CAPEX和OPEX

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)上劃分多個(gè)獨(dú)立的邏輯網(wǎng)絡(luò)，注入網(wǎng)絡(luò)切片生命周期管理策略，避免單獨(dú)為每一個(gè)服務(wù)建設(shè)專用的物理網(wǎng)絡(luò)，縮減建網(wǎng)投資規(guī)模，進(jìn)一步挖掘網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營效率，最大限度地降低了運(yùn)營商的CAPEX和OPEX。

25 G端到端切片實(shí)現(xiàn)

5G網(wǎng)絡(luò)基于云技術(shù)/虛擬化技術(shù)構(gòu)建總體架構(gòu)。控制面與用戶面的網(wǎng)絡(luò)功能均與實(shí)體網(wǎng)元解綁，以虛擬化方式部署在虛機(jī)環(huán)境中，并被進(jìn)一步抽象為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)向用戶側(cè)交付業(yè)務(wù)。基于切片的5G獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 基于切片的5G總體組網(wǎng)架構(gòu)

在5G架構(gòu)中，通過核心網(wǎng)定義統(tǒng)一的功能服務(wù)模板與服務(wù)總線實(shí)現(xiàn)開放化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，面向上層業(yè)務(wù)和應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口，將傳統(tǒng)集中式部署的核心網(wǎng)格局轉(zhuǎn)變?yōu)榭煞植际讲渴鸬奶摂M化架構(gòu)。

傳輸承載網(wǎng)通過對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)元及拓?fù)滏溌返纫幌盗谢A(chǔ)設(shè)施資源的虛擬化及統(tǒng)一編排，根據(jù)上層業(yè)務(wù)定制化需求邏輯隔離底層物理資源組織切片子網(wǎng)，并結(jié)合邊緣計(jì)算技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和應(yīng)用處理等核心能力可按需分散部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣層級(jí)，減輕核心網(wǎng)側(cè)和骨干鏈路的流量負(fù)荷。

無線網(wǎng)側(cè)利用空口資源動(dòng)態(tài)分配方式將空口資源進(jìn)行邏輯切分，突破現(xiàn)有頻譜資源的固定分配格局，通過切片網(wǎng)間空口資源共享機(jī)制提升頻段重耕可能性，為有限的頻譜資源提供更加合理的配置方案。

網(wǎng)絡(luò)控制器主要負(fù)責(zé)對(duì)5G業(yè)務(wù)資源、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施資源及切片策略等核心信息進(jìn)行統(tǒng)一納管，由控制器依據(jù)差異化的業(yè)務(wù)需求及SLA（服務(wù)等級(jí)協(xié)議）調(diào)配各層級(jí)網(wǎng)絡(luò)資源并下發(fā)切片策略信息，建立按分布式方式部署的端到端邏輯切片子網(wǎng)。除完成業(yè)務(wù)編排及網(wǎng)絡(luò)資源管理外，網(wǎng)絡(luò)控制器還負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)與切片網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)同步運(yùn)營。

5G網(wǎng)絡(luò)是SDN/NFV、邊緣云計(jì)算及網(wǎng)絡(luò)切片等多種技術(shù)深度融合和應(yīng)用的體現(xiàn)。端到端的網(wǎng)絡(luò)切片主要是指從核心網(wǎng)側(cè)、承載網(wǎng)側(cè)以及無線網(wǎng)側(cè)不同維度切片的組合，各維度的切片思路各有側(cè)重。

2.1 核心網(wǎng)如何“切”

實(shí)現(xiàn)基于業(yè)務(wù)需求的網(wǎng)絡(luò)資源定制化配置并保障業(yè)務(wù)SLA，是切片技術(shù)提出的初衷和最大價(jià)值。核心網(wǎng)作為直接承接業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)層級(jí)，其是否具備可根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景靈活調(diào)配并自動(dòng)化部署網(wǎng)絡(luò)功能/服務(wù)的機(jī)制，成為實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)整體切片的前提。

2.1.1 通過功能模塊化定義服務(wù)化架構(gòu)

5G核心網(wǎng)通過模塊化實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能間的解耦和整合。解耦后的網(wǎng)絡(luò)功能基于統(tǒng)一的模板進(jìn)行定義，并抽象為服務(wù)化架構(gòu)（SBA）。每種服務(wù)均可獨(dú)立擴(kuò)容演進(jìn)并按需部署。同時(shí)，核心網(wǎng)功能之間的交互采用服務(wù)化接口來實(shí)現(xiàn)，同一種服務(wù)可被多種網(wǎng)絡(luò)功能調(diào)用，簡(jiǎn)化了服務(wù)間的交互流程，進(jìn)一步降低了網(wǎng)絡(luò)功能間接口定義的耦合度，實(shí)現(xiàn)了切片網(wǎng)絡(luò)的功能按需定制。

切片資源間的隔離可通過為虛擬化服務(wù)分配虛機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)，每個(gè)虛機(jī)擁有專屬計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源。同時(shí)，虛擬化服務(wù)也可看作是許多微服務(wù)塊的集合。微服務(wù)塊的運(yùn)行、實(shí)例化及負(fù)載均衡等，均被封裝在標(biāo)準(zhǔn)容器中運(yùn)行。通過對(duì)容器級(jí)的獨(dú)立管理，也可實(shí)現(xiàn)切片資源間更小粒度的隔離。

2.1.2 核心網(wǎng)控制面與用戶面分離

相比現(xiàn)有核心網(wǎng)架構(gòu),5G核心網(wǎng)最大的特點(diǎn)在于其利用虛擬化方式部署，通過將網(wǎng)絡(luò)功能抽象為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以及定義各服務(wù)間統(tǒng)一接口的方式，實(shí)現(xiàn)控制/用戶平面分離（CUPS）。4G核心網(wǎng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)面錨點(diǎn)在5G中轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)面錨點(diǎn)。運(yùn)營商可根據(jù)業(yè)務(wù)的實(shí)際功能需求、業(yè)務(wù)體驗(yàn)需求等，選擇匹配的服務(wù)模塊進(jìn)行集中或分散部署。例如，為了便于終端用戶的統(tǒng)一管理，終端接入控制（AMF）、業(yè)務(wù)鑒權(quán)（AUSF）及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理（UDM）等服務(wù)將采用集中方式部署，而直接面向終端側(cè)提供業(yè)務(wù)服務(wù)的核心網(wǎng)功能（UPF），則會(huì)根據(jù)不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景相應(yīng)的時(shí)延要求，結(jié)合邊緣計(jì)算技術(shù)（MEC）下沉至更靠近用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣層級(jí)進(jìn)行分布式部署。

5G核心網(wǎng)可分布式靈活部署的特性，突破了4G核心網(wǎng)中網(wǎng)關(guān)網(wǎng)元（S-GW和P-GW）只能集中式部署的限制，使得未來業(yè)務(wù)的承載架構(gòu)更加扁平化。業(yè)務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)南北向端到端的傳統(tǒng)交互模式，在5G網(wǎng)絡(luò)中演進(jìn)為可按需分布式就近交互業(yè)務(wù)的模式，最大限度減小數(shù)據(jù)在傳輸過程中的損耗，縮短業(yè)務(wù)在切片網(wǎng)絡(luò)中的端到端時(shí)延，釋放網(wǎng)絡(luò)核心層傳輸資源的消耗，并提升網(wǎng)絡(luò)效率。

2.1.3 基于切片需求的功能定制化

在5G核心網(wǎng)中通過定義標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)管理總線和服務(wù)化接口來承接模塊化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)化的架構(gòu)使5G核心網(wǎng)面向應(yīng)用層面更加開放，有利于承接第三方應(yīng)用服務(wù)。同時(shí)，模塊化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可直接通過服務(wù)總線進(jìn)行疊加和組合，由網(wǎng)絡(luò)控制器編排網(wǎng)絡(luò)資源并下發(fā)和執(zhí)行相關(guān)策略，以滿足未來核心網(wǎng)根據(jù)切片需要按需隨選和配置服務(wù)的需求，如圖3所示。

核心網(wǎng)側(cè)主要從資源創(chuàng)建、隔離、配置以及業(yè)務(wù)保障等方面進(jìn)行具體切分，主要切片技術(shù)如下：

（1）資源按需創(chuàng)建：虛擬化敏捷網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、切片粒度選擇與資源智能編排；

（2）資源隔離：基于虛機(jī)隔離或容器級(jí)微服務(wù)隔離機(jī)制，提供獨(dú)立的業(yè)務(wù)生命周期管理；

（3）自動(dòng)化配置：切片網(wǎng)絡(luò)SLA實(shí)例化建模及網(wǎng)絡(luò)功能庫動(dòng)態(tài)加載；

（4）業(yè)務(wù)低時(shí)延保障：資源快速自檢測(cè)與自調(diào)整、低時(shí)延場(chǎng)景下UPF內(nèi)部極短時(shí)延切換優(yōu)化技術(shù)。

圖3 核心網(wǎng)切片需求定制化

2.2 傳輸網(wǎng)如何“切”

5G傳輸承載網(wǎng)是構(gòu)成5G業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)資源端到端完整切片的重要組成部分。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸承載資源（如節(jié)點(diǎn)、鏈路、端口及其他內(nèi)部資源）的虛擬化，在傳輸硬件設(shè)施中切分出多個(gè)邏輯的虛擬傳輸子網(wǎng)，在物理網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建虛擬子網(wǎng)層。通過切片得到的虛擬子網(wǎng)是對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)資源的一種抽象，可支持某個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的端到端實(shí)現(xiàn)，并包含完整的網(wǎng)絡(luò)資源，如虛擬控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面。對(duì)于控制面而言，5G傳輸承載網(wǎng)利用基于SDN/NFV的虛擬化架構(gòu)，通過定義傳輸切片控制器統(tǒng)一采集底層傳輸資源信息，并負(fù)責(zé)邏輯切片策略到物理資源的映射。切片子網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)資源分配與管理（拓?fù)湫畔ⅰ⑽锢碣Y源分配調(diào)整及協(xié)議等）均由切片控制器統(tǒng)籌處理，邏輯業(yè)務(wù)無需感知物理網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了與網(wǎng)絡(luò)側(cè)的解耦。傳輸網(wǎng)切片架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 傳輸承載網(wǎng)切片架構(gòu)

目前，對(duì)于傳輸承載網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)面的主要思路分為兩種——硬切片與軟切片。硬切片是基于物理管道的剛性切片技術(shù)，主要針對(duì)物理底層（光層）管道資源，代表技術(shù)有OTN技術(shù)、FlexE和ODUk等。以FlexETH技術(shù)為例，通過在MAC和物理層（PHY）之間加入FlexEShim層，實(shí)現(xiàn)MAC與PHY層的分離，從而提升以太網(wǎng)組網(wǎng)的靈活性。同時(shí)，F(xiàn)lexEShim層基于時(shí)分復(fù)用機(jī)制，將以太端口在時(shí)域上劃分為多個(gè)獨(dú)立子信道，每個(gè)子信道具有獨(dú)立的時(shí)隙和MAC，提供以太層端到端的物理隔離。軟切片是指基于統(tǒng)計(jì)復(fù)用的切片技術(shù)，主要針對(duì)二層以上傳輸端口帶寬資源進(jìn)行邏輯隔離。它采用不同的邏輯通道承載不同的5G網(wǎng)絡(luò)切片，同時(shí)通過QoS控制策略滿足不同網(wǎng)絡(luò)切片的帶寬、時(shí)延和丟包率等性能需求，如基于IP/MPLS偽線技術(shù)、VPN及VLAN技術(shù)等。

2.3 無線網(wǎng)如何“切”

隨著未來業(yè)務(wù)和接入場(chǎng)景的多樣化，要求無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）具有靈活開放部署的特性，具有可按需彈性分配無線資源的網(wǎng)絡(luò)切片感知能力，以支持基于業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片間的資源隔離。基于業(yè)務(wù)差異化特點(diǎn)，可從兩個(gè)維度定義5G RAN開放式架構(gòu)的核心思想。

2.3.1 控制和承載分離

5G RAN架構(gòu)的控制與承載分離，是指將5G無線網(wǎng)絡(luò)的控制面與用戶面相分離，差異化處理控制面功能和用戶面功能，通過集中云化的廣覆蓋方式部署控制面功能，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理功能，提升資源管理效率。同時(shí)，以分布式部署方式面向用戶就近配置業(yè)務(wù)終結(jié)點(diǎn)，以滿足不同業(yè)務(wù)差異化的時(shí)延要求。

2.3.2 實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)功能分級(jí)

相比4G而言，5G RAN的核心改變是集中單元/分布單元（CU/DU）分離。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)和部署場(chǎng)景，5G RAN架構(gòu)總體可以分為CU和DU兩級(jí)。解耦后的CU用于集中承載非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理和資源調(diào)度。DU則主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的處理。同時(shí)，基于切片的特點(diǎn)類型可對(duì)RAN側(cè)協(xié)議棧做靈活的定制切分，如圖5所示。

圖5 RAN側(cè)協(xié)議棧切分方式

CU集中/DU分布的架構(gòu)符合控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的總體演進(jìn)思路，為網(wǎng)絡(luò)切片提供良好的靈活性，具體部署也可根據(jù)實(shí)際需求靈活制定。RAN網(wǎng)絡(luò)是切片業(yè)務(wù)直接面向用戶的承載者。它通過網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息NSSAI，為不同的終端選擇匹配的核心網(wǎng)業(yè)務(wù)切片，并通過監(jiān)控切片網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)及閉環(huán)的控制機(jī)制，滿足業(yè)務(wù)切片SLA要求。

此外，無線資源分配和管理是5G RAN對(duì)于切片業(yè)務(wù)承載的關(guān)鍵內(nèi)容。5G網(wǎng)絡(luò)以空間切片（時(shí)頻資源切片）的形式統(tǒng)一定義無線空口資源及其調(diào)度策略，既保證資源和數(shù)據(jù)切片后的良好隔離度，又提高了其復(fù)用效率。同時(shí)，虛擬化架構(gòu)使得資源的分配和調(diào)度更加靈活，有利于為不同切片或用戶分配資源。目前，主要的資源分配方式分為兩種：靜態(tài)分配（硬切）和動(dòng)態(tài)分配（軟切）。在靜態(tài)分配方案中，頻率、時(shí)間資源以固定方式分配給每個(gè)特定的切片，用戶可利用這些靜態(tài)的無線資源接入切片網(wǎng)絡(luò)，如圖6（a）所示。而動(dòng)態(tài)分配方案中，網(wǎng)絡(luò)切片的調(diào)度管理服務(wù)根據(jù)切片業(yè)務(wù)請(qǐng)求的實(shí)時(shí)到達(dá)情況按需分配時(shí)頻資源，并確保各切片間的資源平衡分配，如圖6（b）所示[3-4]。

圖6 無線資源切片方式

2.4 終端如何“切”

目前，主流的切片場(chǎng)景通常是基于業(yè)務(wù)特性展開討論的。實(shí)際應(yīng)用中，單個(gè)終端往往需要支持多樣化的業(yè)務(wù)類型，這就意味著一個(gè)終端可能需要同時(shí)接入多個(gè)不同切片中。當(dāng)終端向網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起初次連接請(qǐng)求時(shí)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)通過識(shí)別請(qǐng)求信息中的NSSAI信息和切片實(shí)例標(biāo)識(shí)NSI-ID，確保正確的AMF與終端完成握手和鑒權(quán)，并建立隨后的業(yè)務(wù)會(huì)話交付連接[5]。NSSAI信息由切片類型標(biāo)識(shí)SST和切片用戶組標(biāo)識(shí)SD構(gòu)成。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景切片，將通過不同的SST值進(jìn)行區(qū)分。SST標(biāo)識(shí)與相應(yīng)切片網(wǎng)絡(luò)特征之間相互映射，以保證終端用戶漫游場(chǎng)景中的業(yè)務(wù)一致性。

根據(jù)運(yùn)營商的實(shí)際需要，指定NSSAI的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例可在相同或者不同的注冊(cè)區(qū)域?qū)嵤┎渴稹．?dāng)UE連接注冊(cè)成功后，會(huì)被包含在相應(yīng)的AMF中。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例選擇時(shí)，5G核心網(wǎng)將下發(fā)完整的Allowed NSSAI至RAN側(cè)完成后續(xù)連接處理。Allowed NSSAI可以包含多個(gè)S-NSSAI信息，而這些S-NSSAI對(duì)當(dāng)前UE注冊(cè)區(qū)域有效。此外，UE也能從AMF獲取一個(gè)或者多個(gè)臨時(shí)或固定的Rejected S-NSSAI。圖7為網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息NSSAI結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7 網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息NSSAI結(jié)構(gòu)

2.5 網(wǎng)絡(luò)切片粒度選擇

通過網(wǎng)絡(luò)切片方式滿足不同業(yè)務(wù)差異化服務(wù)的需求，為業(yè)務(wù)場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)提供了極大便利。靈活的切分特性使得切片方案呈現(xiàn)多樣化。切片粒度的選擇一定要基于業(yè)務(wù)實(shí)際訴求。切片顆粒過粗，將導(dǎo)致切片網(wǎng)絡(luò)靈活性較差，無法滿足差異化服務(wù)的要求；切片切割的隔離度越高（切片顆粒過細(xì)），越易實(shí)現(xiàn)差異化及獨(dú)立運(yùn)營，卻會(huì)加大網(wǎng)絡(luò)部署和管理的復(fù)雜度，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源投資效率降低。因此，如何合理切分網(wǎng)絡(luò)資源和選擇適當(dāng)?shù)那衅６龋蔀闃I(yè)務(wù)穩(wěn)定運(yùn)營的關(guān)鍵。根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展思路，在5G前期業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)QoS要求相對(duì)不高時(shí)，共用網(wǎng)絡(luò)資源（L5粒度）的選擇可為運(yùn)營商帶來更高的成本效益。當(dāng)出現(xiàn)高QoS業(yè)務(wù)保障需求后，再逐步向L0粒度的切片策略演進(jìn)，以獲得更高的性能保障。圖8為網(wǎng)絡(luò)切片粒度選擇模型。

圖8 網(wǎng)絡(luò)切片粒度選擇模型

3 網(wǎng)絡(luò)切片定制與運(yùn)維

3.1 切片部署設(shè)計(jì)

由于切片的策略和方法可根據(jù)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)際需要靈活制定，因此網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的具體呈現(xiàn)也存在差異化。盡管切片技術(shù)的應(yīng)用可以提升資源效率和QoS保障，但合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)切片值具有重要意義。如果網(wǎng)絡(luò)中切片數(shù)量過多，會(huì)增大網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理的難度；而數(shù)量太少，則將無法有效提升網(wǎng)絡(luò)資源使用效率。這里著重介紹3種部署設(shè)計(jì)思路，如圖9所示。

圖9 網(wǎng)絡(luò)切片部署思路

3.1.1 按網(wǎng)絡(luò)端到端整體切分

如圖9（a）所示，該場(chǎng)景針對(duì)不同的業(yè)務(wù)特性，對(duì)各層級(jí)資源和服務(wù)功能進(jìn)行切分。單個(gè)切片網(wǎng)絡(luò)包含完整的控制面和用戶面功能，形成某類業(yè)務(wù)獨(dú)享的端到端邏輯子網(wǎng)。典型的部署場(chǎng)景包括但不限于eMBB、mMTC、uRLLC切片及語音業(yè)務(wù)切片等。

3.1.2 按共享管理面切分

如圖9（b）所示，該場(chǎng)景僅對(duì)各業(yè)務(wù)的用戶面資源構(gòu)建獨(dú)立切片，而將不同業(yè)務(wù)端到端的控制面資源和功能（如：接入鑒權(quán)、終端移動(dòng)性及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等）整合并池化，面向全體用戶或部分特定用戶群體提供統(tǒng)一的管理調(diào)度功能。可考慮在需對(duì)具有相似特性的業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行獨(dú)立切片時(shí)應(yīng)用，如對(duì)不同行業(yè)同時(shí)提供物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)切片。

3.1.3 按共享通用功能切分

如圖9（c）所示，該場(chǎng)景針對(duì)不同業(yè)務(wù)中的通用功能/服務(wù)構(gòu)建共享切片，并根據(jù)業(yè)務(wù)差異化功能構(gòu)建獨(dú)立切片，為具有通用特性的不同業(yè)務(wù)類型的部署提供了一種可選思路。

3.2 切片運(yùn)維

5G切片網(wǎng)絡(luò)由SDN/NFV虛擬化架構(gòu)中的控制器統(tǒng)一納管，通過切片運(yùn)營系統(tǒng)完成切片功能在線定制、切片網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維管理及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集分析等相關(guān)功能。網(wǎng)絡(luò)切分規(guī)則及調(diào)度策略統(tǒng)一由控制器策略管理模塊負(fù)責(zé)處理和下發(fā)，MANO主要負(fù)責(zé)切片網(wǎng)絡(luò)的資源編排、調(diào)配及部署。網(wǎng)絡(luò)控制器通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)端到端資源的快速配置和管理，提升業(yè)務(wù)開通效率和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)效率。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)借助SDN/NFV架構(gòu)特性構(gòu)建集自動(dòng)部署、自組織管理于一體的業(yè)務(wù)全生命周期管理機(jī)制，以自檢測(cè)、自規(guī)劃、自配置的閉環(huán)運(yùn)維方式簡(jiǎn)化運(yùn)維手段，縮短硬件入網(wǎng)周期，面向服務(wù)提供智慧運(yùn)維新模式。圖10為網(wǎng)絡(luò)切片運(yùn)維機(jī)制。

圖10 網(wǎng)絡(luò)切片運(yùn)維機(jī)制

5G網(wǎng)絡(luò)切片運(yùn)維體系的主要組件包括：

（1）切片集中管理：負(fù)責(zé)切片在線定制、切片運(yùn)營管理及網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)處理等；

（2）資源編排MANO：負(fù)責(zé)切片網(wǎng)絡(luò)資源部署態(tài)的管理；

（3）切片策略管理：切片網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行態(tài)管理，統(tǒng)一調(diào)度各級(jí)資源，自動(dòng)化下發(fā)切片策略及資源調(diào)度策略；

（4）標(biāo)準(zhǔn)化接口：北向接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力開放，租戶業(yè)務(wù)自定義與注入，深度利用運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)能力；南向接口完成網(wǎng)絡(luò)策略向各網(wǎng)絡(luò)層級(jí)的平滑下發(fā)注入，實(shí)現(xiàn)軟、硬件平面自動(dòng)化管理機(jī)制。

3.3 切片面臨風(fēng)險(xiǎn)

未來5G切片網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)與運(yùn)維面臨的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以下幾方面。

3.3.1 切片網(wǎng)絡(luò)資源策略復(fù)雜、信令多樣化

切片網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)場(chǎng)景共同承載，在提升網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度策略復(fù)雜度的同時(shí)，將引入更多網(wǎng)絡(luò)信令。因此，5G網(wǎng)絡(luò)需處理大量策略信息和小包信令，如果不能對(duì)切片資源和相互之間的邏輯關(guān)系做出合理規(guī)劃，網(wǎng)絡(luò)將承受極大的調(diào)度負(fù)荷，并產(chǎn)生信令風(fēng)暴問題[6]。

3.3.2 多業(yè)務(wù)并發(fā)風(fēng)險(xiǎn)

盡管切片架構(gòu)能為業(yè)務(wù)帶來便利，但當(dāng)區(qū)域內(nèi)需要同時(shí)構(gòu)建不同網(wǎng)絡(luò)切片時(shí)，業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)差異化的需求將對(duì)網(wǎng)元部署提出挑戰(zhàn)，如CU/DU的部署方式。對(duì)低時(shí)延業(yè)務(wù)而言，CU和DU可采用合設(shè)方案，CU通常需要部署到最靠近用戶的位置，而物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和帶寬并不敏感，通常將CU部署到傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)較高層級(jí)實(shí)現(xiàn)池化收益最大化。

3.3.3 5G與4G無線資源復(fù)用與協(xié)同

由于5G新頻段處于中高頻段，其單站覆蓋能力相對(duì)較弱，導(dǎo)致建網(wǎng)成本高，短期內(nèi)搭建無縫覆蓋網(wǎng)絡(luò)難度很大。而LTE網(wǎng)絡(luò)頻譜存量資源豐富且覆蓋成熟，5G如何借助4G資源實(shí)現(xiàn)平滑演進(jìn)有待進(jìn)一步探索。

3.3.4 異廠家組網(wǎng)兼容性

異廠家設(shè)備間的差異化依然存在，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)跨廠家設(shè)備組網(wǎng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)資源或切片功能間的共享存在風(fēng)險(xiǎn)，如異廠商基站設(shè)備間負(fù)載均衡、載波聚合等功能無法順利實(shí)現(xiàn)，同區(qū)域內(nèi)RRC連接License無法跨廠家共享等。

4 結(jié) 語

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的引入可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源邏輯上端到端的按需配置，建立從網(wǎng)絡(luò)切分策略方案的設(shè)計(jì)實(shí)例化至切片網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營維護(hù)的全生命周期管理機(jī)制。針對(duì)未來多樣化應(yīng)用場(chǎng)景，在接入帶寬容量、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、業(yè)務(wù)可靠性等關(guān)鍵性能方面可能出現(xiàn)不同的風(fēng)險(xiǎn)，無法提供端到端的有效保障。現(xiàn)階段，對(duì)業(yè)務(wù)功能服務(wù)化的定義、切片網(wǎng)絡(luò)組建方案及資源分配策略等核心問題，暫時(shí)還沒有業(yè)界公認(rèn)的完善解決方案，有待后期技術(shù)研究深入后進(jìn)一步探索。但使，業(yè)界對(duì)于切片技術(shù)的定義已從純技術(shù)角度延展至貫穿垂直行業(yè)整體解決方案，在切片完整性方面也呈現(xiàn)出向網(wǎng)絡(luò)層面以外的應(yīng)用、安全及網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)維等范疇延伸的泛化趨勢(shì)。在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)創(chuàng)新和技術(shù)研發(fā)的雙重驅(qū)策下，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)切片的探討和研究已成為通信界關(guān)注的課題，并逐步向垂直行業(yè)延伸。未來，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商需要進(jìn)一步借助網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)開放和挖掘網(wǎng)絡(luò)能力，提升全網(wǎng)運(yùn)營效率，拉動(dòng)垂直行業(yè)市場(chǎng)，為用戶提供極致的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。