5G網絡切片及其應用

【摘 ?要】為探討5G網絡切片應用，首先介紹了5G網絡切片架構和網絡管理與編排的基本概念，然后分析了5G網絡切片如何滿足垂直行業多樣性需求，最后以自動駕駛和工業4.0為例，闡述5G網絡切片對垂直行業應用的支持。

【關鍵詞】網絡切片;編排與管理;網絡切片用例

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.12.005 ? ? ?中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A ? ? ?文章編號：1006-1010（2019）12-0027-05

引用格式：于佳. 5G網絡切片及其應用[J]. 移動通信， 2019，43（12）： 27-31.

5G Network Slicing and Its Applications

YU Jia

（Guangdong Southern Planning & Designing Institute of Telecom Co.， Ltd.， Shenzhen 518038， China）

[Abstract]?To discuss the applications of 5G network slicing， this paper first introduces the architecture of 5G network slicing， as well as network orchestration and management; and then analyzes how the capability of 5G network slicing can meet the diverse demands of vertical industry. Finally， using automatic drive and industry 4.0 as examples， this paper shows the support of 5G network slicing to vertical applications.

[Key words]network slicing; orchestration and management; NS use case

0 ? 引言

5G網絡將會滿足高度移動和全面連接社會的要求。隨之帶來的連接對象和設備總量的激增，將會為各種新型服務和相關業務模式鋪平道路，從而在能源、電子醫療、智能城市、聯網汽車、工業制造等各行各業中實現自動化和智能化。除了更普遍的以人為中心的應用（如虛擬和增強現實，4k視頻流等），5G網絡還將支持機器對機器（Machine-to-Machine，M2M）和機器對人類（Machine-to-Human，M2H）應用的通信需求，將會為人類生活帶來更多的安全和方便。與現存的人與人之間的通信相比，自動通信的設備之間創建的移動數據必將具有明顯不同的特征。人類中心和機器類型應用的共存要求5G網絡必須支持非常多樣化的功能，并滿足多維度的關鍵性能指標（KPI）。

為了滿足上述需求，需要5G網絡整體架構具有極大的靈活性。因此3GPP在5G網絡架構設計中引入了網絡切片技術，通過向運營商提供“面向客戶”的按需網絡切片功能來滿足垂直行業對專用電信網絡服務的多樣性需求。

本文首先介紹了5G網絡切片架構，然后介紹了5G網絡切片編排與管理的核心概念，最后，在此基礎上分析了5G網絡切片對垂直行業的支持，并介紹了兩中典型用例。

1 ? 5G網絡切片

1.1 ?5G網絡切片架構

傳統的移動通信系統（如4G）在相同的網絡架構（4G網絡對應LTE/EPC架構）上托管有限的幾種電信服務，如移動寬帶、語音和短信。與此不同，網絡切片旨在根據eMBB、V2X、uRLLC、mMTC等不同業務類型的特點構建定制化的專屬邏輯網絡。此外，傳統移動通信系統采用硬件、軟件和功能緊密耦合的單片網元。相比之下，5G架構通過利用不同的資源抽象技術將基于軟件的網絡功能與底層基礎設施資源分離。例如，網絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網絡（SDN）等軟件化技術可對波分復用技術（WDM）或無線資源調度等眾所周知的資源共享技術進行補充。NFV和SDN允許不同的租戶共享相同的通用硬件設施，例如COTS（Commercial Off The Shelf Servers）服務器。這些技術可以在公共共享基礎設施之上構建完全解耦的端到端邏輯網絡。

在3GPP 5G系統架構的范圍內，網絡切片指的是3GPP定義的網絡特征和功能的集合，這些特征和功能能夠形成完整PLMN，可用于向用戶提供端到端網絡服務。運營商可通過網絡切片技術在共享的基礎設施上構建多個邏輯上相互獨立的PLMN，其中每個PLMN針對其服務的用戶集群或業務客戶的訴求對所需的網絡特征、能力和服務等進行實例化，從而實現PLMN的定制化配置。圖1表示了一個PLMN內部署4個網絡切片的示例，其中每個切片都包含了形成完整PLMN所需的全部內容。網絡切片#1和切片#2都用于智能手機服務，這表明運營商可以部署具有完全相同系統特征、能力和服務的多個網絡切片，但是分別針對不同的業務分組，每個切片可能在用戶接入數量和數據容量上有所不同。切片#3和切片#4表明，可以在所提供的系統特征、能力和服務上對網絡切片之間進行區分。例如，M2M網絡切片（切片#4）可以提供適用于物聯網的終端省電功能，但這一功能必然會導致較大的延遲，這對于智能手機應用來說是不可接受的。

圖1 ? ?網絡切片部署舉例

圖2展示了3GPP網絡切片的更多細節。在圖中，網絡切片#3屬于直接部署，其中所有網絡功能僅服務于單個網絡切片。網絡切片#1和切片#2說明了一個用戶終端如何從多個網絡切片接收服務。在這樣的部署中，AMF、相關策略控制（PCF）和網絡功能服務存儲庫（NRF）被多個網絡切片共用。這是因為每個用戶終端僅維護一個訪問控制和移動性管理實例，該實例負責用戶終端的所有服務。用戶終端可以通過多個獨立的網絡切片獲得用戶面服務（特別是數據服務）。圖中的切片#1為用戶終端提供來自數據網絡#1的數據服務，而切片#2提供來自數據網絡#2的數據服務。網絡可以根據不同的QoS數據服務或者不同的應用功能等定制每個網絡切片，網絡切片的具體特性和能力由策略控制框架確定。

1.2 ?網絡切片實例

網絡切片是通過網絡切片實例（NSI， Network Slice Instances）來實現的。NSI中接入網、核心網和傳輸等不同組成部分又被分為網絡切片子網實例（NSSI， Network Slice Subnet Instance），其中NSSI的生命周期可獨立于NSI。圖3提供了一個由多個NSI提供不同通信服務實例的示例。圖中說明一個NSI可以為多個服務示例提供支撐，如NSI A可同時服務于通信服務實例1和通信服務實例2;反過來，一個服務實例也可以接收多個NSI的服務，如通信服務實例2接收來自NSI A和NSI B的服務。

圖3 ? ?多個NSI提供不同通信服務實例示例

2 ? 5G網絡切片編排與管理

針對虛擬化的基礎設施，5G網絡允許切片實例在支撐該切片實例的基礎設施資源上運營。租戶（指切片實例的所有者）可以像操作物理基礎設施資源一樣對其虛擬基礎設施進行操作，可將部分資源分配和轉售給其他租戶。這意味著，每個租戶可以擁有和部署自己的管理和編排（MANO， Management and Orchestration）系統。為了支持遞歸，需要一組基于相同結構的應用程序編輯接口（API， Application Programming Interface）來為每個切片的管理提供一個抽象層，并對底層虛擬資源進行控制，其中底層虛擬資源對于租戶正在操作的層級來說是透明的。不同的租戶通過這些API請求網絡提供切片服務。通過模板、藍圖或SLA，每個租戶不僅可以指定切片特征（拓撲、QoS等），還可以指定一些擴展屬性，例如所需的彈性、管理和控制級別。

網絡切片實例的管理包含以下4個階段。

（1）準備階段：在準備階段，網絡切片實例不存在。準備階段包括網絡切片模板設計、網絡切片容量規劃、準備網絡環境以及在創建網絡切片實例之前需要完成的其他必要準備。

（2）調試階段：調試階段創建網絡切片實例。在網絡切片實例的創建期間，對滿足網絡切片要求所需的全部資源進行分配和配置。 網絡切片實例的創建也可以包括網絡切片實例組成部分的創建和/或修改。

（3）運營階段：包括激活、監督、性能報告（例如用于KPI監控）、資源容量規劃、修改和網絡切片實例的去激活。

（4）退役階段：在退役階段，在共享資源中移除網絡切片實例專屬的配置，并按要求退出非共享資源中的專屬配置。退役階段之后，網絡切片實例終止并不再存在。

上述4個階段組成了一個網絡切片實例的生命周期。

3 ? 5G網絡切片垂直行業用例

3.1 ?5G網絡切片支持多樣的垂直行業需求

垂直行業對連接和通信的需求可以分為3大類，包括網絡性能需求、功能性需求和運營性需求。網絡切片使運營商以更靈活高效的方式滿足垂直行業用戶的多樣性需求。

（1）網絡性能需求

◆延遲需求。不同的網絡切片可以采用不同的網絡功能和應用分布模型，從而優化網絡拓撲以滿足客戶的需求。進一步地，這種優化拓撲還可以與基礎設施級別的資源預留、分離路徑等結合，加強服務質量的保障。在現有的單一架構的網絡中，對一個客戶的延遲保障通常是以犧牲其他客戶的服務質量為代價，是在不同類型的服務之間的競爭和折中。

◆數據速率需求（上行和下行）。一般來說，數據速率提升依靠的是接入和基礎設施層的技術革新。網絡切片能夠根據需求分配容量，對于有較大速率需求的應用，可以通過網絡切片的方式為其分配較寬的用戶面通道。這種靈活的分配方式能夠顯著提升資源利用率，從而促進了用戶體驗速率的提升。

◆可用性和適應性需求。高可用性和高適應性通常需要更多的網絡資源，這也意味著高投資。在單一結構的網絡中，所有服務必須以相同的方式使用網絡。這意味著，有些應用獲得的網絡資源高于其真實需求，與此同時另外一些應用獲得的網絡資源無法滿足其應用需求。 有了網絡切片，不同切片可以有不同等級或類型的可用性和適應性，實現針對不同應用需求的網絡資源定制化和優化。

◆可靠性需求。網絡切片能夠使網絡功能和資源實現較高程度的隔離。盡管在現實中無法實現100%的可靠性，但網絡切片確實可以帶來較高水平的控制和預言。

◆覆蓋需求。網絡覆蓋最終取決于基礎設施的建設程度。但網絡切片能夠為資源調度和使用帶來更高的靈活性，在一定程度上提高覆蓋的質量。

（2）功能性需求

網絡切片之間的隔離是一個相對的概念。這也意味著，網絡切片的隔離程度是可以根據需求定制的，例如：

◆網絡切片可以根據需求完全與互聯網隔離，而只連接到私有VPN上;

◆網絡切片可以配置更高級別的網絡安全保障設備，例如公司級別的防火墻;

◆網絡切片可以根據需求建立在獨立的物理資源上;

◆由于網絡切片建立在其自有的邏輯網絡功能上，因此其“攻擊向量”更少;

◆網絡切片使用的數據可以與其他網絡切片相互隔離。

由于網絡切片是隔離的，因此在同一個網絡切片可以使用多種資質形式或用戶數據。這在單一結構的網絡中會對通用基礎設施和基于通用基礎設施的服務帶來安全威脅。

（3）運營性需求

網絡切片的設計使其具備較高的隔離度。基于這一特性，用戶可以很容易地實現對資源和策略的自管理，既有安全保障，又不會對其他用戶產生影響。進一步，網絡切片的功能可以高度定制化，使得一個切片內可以具備不同形式的服務保障能力，從而以一種簡易的方式滿足應用專屬的需求。由于切片相互獨立和隔離，每個切片的功能內容和資源可以有較大差異，進一步保障了針對客戶需求的網絡定制化。

相互隔離的網絡切片使用獨立的網絡功能實例和計費系統，簡化了面向客戶和商業模式專屬需求的定制化。而過去，這樣的定制化需要消耗大量時間進行系統整合。

網絡切片概念可以以不同的方式擴展到全球范圍。一種方法是客戶從多個服務提供商獲得服務，每個服務提供商提供滿足相同客戶需求的不同網絡切片。更簡單的模式是一個服務提供商以一個網絡切片在全球范圍內為客戶提供服務。這要求該服務商整合一系列相關合作方的服務，這些合作方以子供應商的身份為實現服務的全球性擴展提供支持。

3.2 ?垂直行業用例

5G將會是正在興起的工業數字化領域中的重要技術之一，會產生或強化工業數字化用力，如沉浸式游戲、自動駕駛、遠程機器人手術和利用增強現實進行維護和維修等。數字化、自動化和智能化等發展的必然趨勢使得眾多產業都面臨著巨大挑戰。5G系統將會為垂直行業提供高性能、高效益和高效率的解決方案。以自動駕駛和工業4.0為例，闡述5G網絡切片對垂直行業的支持。

（1）自動駕駛

業界對車輛間通信的研究要遠早于5G的相關研究。利用車輛內傳感器（如照相機、雷達和激光）也可以實現自動駕駛。但是，5G提供的嚴格的低延遲高可靠傳輸可以將車輛通信帶入下一個更高的等級，例如從輔助駕駛到協作自動化駕駛。

車輛通信依賴于一張廣泛覆蓋的移動通信網絡，包括對高功率、遠郊和鄉野的覆蓋。因此，移動運營商對自動駕駛行業的生態發展來說是至關重要的角色。處于安全考慮，自動駕駛公司可能會發展其私有的云環境來加載自動駕駛應用。為了解決性能需求，垂直行業客戶必須與運營商實現資源和服務的無縫整合。

（2）工業4.0

受到IoT、工業自動化和云技術等的影響，制造業也進入到其數字化轉型的進程中。不同于上述的自動化行業，制造工業中的商家通常同時具備其生態環境中的多種不同的商業角色。一方面，他們可能是外部客戶的供應商，提供例如機器魔族、技術方案等;另一方面，他們也是其他解決方案的使用者，例如數字化平臺。尤其是對于工業機器控制等應用，工業園區內的通信通常是受限的。制造工業商使用的可能是私有的網絡和云資源。

這類制造工業的商業范圍是非常廣泛且國際化的。因此，打造一張全球范圍內的安全網絡對這類應用來說是十分必要的。

4 ? 結束語

本文詳細描述了5G網絡切片的基本架構，介紹了5G網絡切片編排與管理中涉及的核心概念，著重討論了網絡切片對垂直行業多樣性需求的支撐能力，并介紹了網絡切片對自動駕駛和工業4.0兩類垂直行業用例的支持。

參考文獻：

[1] 3GPP. 3GPP TS 23.501： System Architecture for the 5G System Release 15 V2.0.1[S]. 2017.

[2] 3GPP. 3GPP TS 38.300： NR and NG-RAN Overall Description Release 15 V2.0.0[S]. 2017.

[3] 3GPP. 3GPP TR 28.801： Telecommunication Management; Study on Management and Orchestration of Network Slicing for Next Generation Network Release 15 V15.0.0[R]. 2017.★

To discuss the applications of 5G network slicing， this paper first introduces the architecture of 5G network slicing， as well as network orchestration and management; and then analyzes how the capability of 5G network slicing can meet the diverse demands of vertical industry. Finally， using automatic drive and industry 4.0 as examples， this paper shows the support of 5G network slicing to vertical applications.

network slicing; orchestration and management; NS use case