5G網絡切片技術發展探討

1 概述

隨著5G商用牌照的發放，5G越來越被廣泛提起。提到5G就不得不提網絡切片(Network Slicing)，作為5G中被討論最多的技術，網絡切片對于5G 的意義可謂巨大。本文先從5G網絡切片的概念講起，接著剖析網絡切片涉及的重點技術，再對網絡切片可能給運營商及行業用戶帶來的商業模式變化加以分析，最后剖析了5G網絡切片當前迫切需要解決的問題和挑戰，期望端到端的5G網絡切片時代早點到來。

2 5G網絡切片的發展需求

要想知道5G網絡切片切的是什么，首先要看看5G的演進史。眾所周知，從2G、3G到4G網絡，只是實現了單一的電話或上網需求。隨著物聯網的發展，原來的網絡已經無法滿足隨著海量數據而來的各種新業務需求，再加上傳統網絡改造非常麻煩，5G 網絡應運而生。5G網絡和4G相比，最大的變化在于，其服務的對象從過去的人與人之間的通訊，增加了人與物、物與物之間的互聯，實現了全連接。為了解決未來多連接和多樣化業務的需求，5G網絡設計的初始目標就是：部署靈活，分類管理，靈活滿足業務需求。

網絡切片實際上就是將一個物理網絡切割成多個虛擬的端到端網絡，每一個端到端的虛擬網絡都可以獲得邏輯獨立的網絡資源，而且各切片之間可以相互絕緣。因此，當某一個切片產生錯誤、故障或擁堵時，并不影響其它切片。正如圖1所示，整個5G移動網絡就相當于我們交通系統中的道路，用戶就是道路上的各種不同類型的車。網絡切片，就相當于將網絡按用戶的需求為其劃定專門的車道，比如為公交車劃定BRT車道 ，為急救車劃定急救車道，小車劃定小車車道，這樣就保證了各車道的獨立性。

圖1 網絡切片示意

3 5G網絡切片的關鍵技術分析

那么對于5G網絡而言，要想實現端到端的切片，到底應該怎么切呢？又該切什么呢？

在回答問題前，我們先看下傳統4G網絡的組成。

傳統4G網絡其架構如圖2所示。由無線接入網+核心網組成。在4G網絡中，無線接入網部分由圖中的射頻單元（RU） 、數字單元（DU）這些專用設備組成；而核心網同樣由集合了PCRF、MME、S/PGW這些移動通用通信中不可缺少的專用設備組成。在4G網絡中，無論是核心網還是無線接入網，這些設備都是專用設備，并不能使用現成產品。

圖2 傳統4G網絡組成

要想實現對整個通信物理網絡的切片，首先要做的就是要將網絡功能虛擬化，也就是常說的NFV（Network Function Virtualization）。從本質上說，NFV就是將網絡中的專用設備的軟硬件功能（比如無線接入網上中的數字單元CU、核心網的MME、PCRF、S/P-GW等）轉移到虛擬主機（VMs，Virtual Machines）上來實現。簡單地說，就是用基于行業標準的服務器、存儲和網絡設備，來取代網絡中的專用的網元設備。以核心網為例，實現NFV就先從傳統網絡設備中分離軟硬件，硬件由通用服務器統一管理，軟件則由不同的NF承擔，以實現靈活滿足業務需求。

除了NFV之外，在5G網絡中還采用了SDN（Software De fi nition Network，軟件定義網絡）技術，核心思路就是將控制面和數據面分離來實現網絡智能化。

在NFV和SDN兩種技術的加持下，5G網絡架構實現了革命性變化。NFV技術使專業網元設備變成通用商業化設備，降低了網絡復雜度；SDN技術通過數據面與控制面的分享，實現了控制面的可編程，提高了靈活性。這一切使得實現用戶按需組網有了可能。不難看出，網絡切片并不是一項單獨的技術，NFV和SDN是實現該技術的基石。網絡切片利用這兩項技術，將5G網絡的物理資源抽象為虛擬資源，實現軟硬件的解耦以及與網絡功能的匹配和映射，進而將不同的業務場景需求虛擬化為多個平行的相互隔離的邏輯網絡。

5G引入了全新的網絡結構，無線接入網部分改變很大，核心網的改變更大?，F在我們可以回答剛才提出的問題了：

5G切片本質上切的是網絡資源，如圖3所示，借助NFV和SDN兩種技術，將無線接入網、承載網、核心網中獨立出來的網絡功能可以按照客戶需求像搭積木一樣，為不同需求的行業用戶搭建了一條端到端的專用道路。

圖3 網絡切片網絡資源切割示意

4 5G網絡切片帶來運營商商業模式的變化

進入5G時代，對于最終消費者來說，更高的速率是吸引力；而對于網絡運營商而言，最欣喜的是切片。

對于最終的行業用戶來說，借助于網絡切片技術，可以按自己的需求快速定制專網且價格不高；相當于自己以低于專網的價格，得到了等同專網的服務質量，在速率、時延、連接數、隔離性以及可靠性各方面都得到了極大保障。

對于網絡運營商而言，若沒有網絡切片，運營商上5G將沒有任何意義，還是擺脫不了賣卡的命運，而正是由于引入了網絡切片，可給運營商在以下幾方面帶來好處：

首先，網絡切片使網絡運營商變得更靈活。運營商可以根據需要為每個行業用戶選擇每個切片所需的特性，如低延遲、更高吞吐量、更高的連接密度、頻譜效率、流量容量和網絡效率等，不但可以提高創建產品和服務方面的效率，還能夠使IT以更低的成本實現更多目標。

第二，網絡切片可以使網絡運營商實現更好的成本效益。網絡正逐漸將不必要的功能移除，并且在需要的地方添加新技術。網絡切片結合了可以劃分、共享和優化資源的通用底層基礎設施，對資源的使用更具成本效益，并有助于降低總體成本。

第三，網絡切片為網絡運營商帶來新的利益增長點。由于網絡切片的出現，未來的計費模式將是異常復雜的，計費模式和速率、時延、可靠性、連接數等多維度的參數都會息息相關，變化極大，這也使得網絡運營商的計費點會越來越多，改變原來單一賣卡賣流量的單計費模式，帶來更多的盈利增長點。

5 5G網絡切片的問題與挑戰

網絡切片帶給網絡運營商和最終的行業客戶無盡的喜悅，但也帶來了一些問題與挑戰。主要存在于以下幾個方面：

第一，5G網絡切片的終極目標是要實現端到端的網絡切片。為了實現這個端到端，從用戶到第三方應用，需要核心網、承載網及無線網的全面支持（如圖4所示），才能實現真正的端到端。目前5G核心網實現了網絡功能虛擬化，承載網隨著設備對于FLEX的支持，也是可以實現的，但無線側如何來做，目前還有兩個阻礙。一是按照目前國家政策不允許對無線頻譜進行銷售，所以無法對頻譜進行分割使用；二是在標準層面，網絡切片在無線側怎么切割還沒有定義，還沒有相應的標準出臺提供可行的解決方案。這就意味著到用戶的的最后一步止步于無線接入這一層面，暫時無法做到按應用和用戶在無線側實現“切片”。

圖4 端到端網絡切片

第二，按照目前3GPP的規范，僅僅定義了非漫游情況下的網絡切片相關方案。而對于漫游情況下，網絡切片如何做并無方案可用。對于很多需要全國漫游的行業而言，網絡切片還是處于一種可望而不可及的程度。

第三，網絡切片的初衷是最大程度地節省網絡運營商的成本，以最小的網絡建設成本服務最多的客戶，從而實現利益最大化。眾所周知，5G的三大場景對于網絡的需求分別如下：

（1）增強型移動寬帶（eMBB）：關注峰值速率、容量、頻譜效率、移動性、網絡能效等這些指標，俗稱的大帶寬型業務場景；

（2）海量機器通信（mMTC）：主要關注連接數，對下載速率、移動性等指標不太關心，俗稱的海量連接業務場景；

（3）高可靠低時延通信（uRLLC）：主要關注高可靠性、移動性和超低時延、對連接數、峰值速率、容量、頻譜效率、網絡能效等指標都沒有太大需求，俗稱低時延場景。

最理想的情況就是同一張網絡，以上3種網絡需求的都有，這樣網絡運營商可以以一張網滿足不同客戶的需求，實現成本利益最大化。但從目前各行業用戶的需求來看，更多的業務需求還是集中在eMBB上；對于另外兩種業務場景而言，由于網絡能力和業務成熟度的限制，目前需求并不多。這就造成了大部分用戶的需求是集中的，大帶寬業務集中。這既使得一張網滿足不同業務場景的設計落到了空處， 也造成了只有一種類型的切片，基本上和不做切片沒有太大差異。

第四，對于能夠選擇使用切片的行業客戶而言，促使其選擇5G網絡切片而不是自建專網的理由無外是兩條：成本+移動性。那么在切片無法實現漫游的情況下，對于行業用戶的吸引力有多大就不可預測了。

從上面不難看出來，要想真正實現“端到端”的網絡切片，網絡運營商不僅需要和行業客戶一起深挖垂直行業需求，制定符合行業客戶真正需求的切片；還要在無線網絡側、漫游組網方案上和設備制造商一起完善相應的技術解決方案，才能使這些成為可能。

6 展望

作為已經全面拉開商用大幕的5G，5G相關技術不僅獲得了全球范圍的廣泛關注，也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。5G網絡切片技術的引入讓網絡資源共享、網絡隔離、自動編排等成為可能，也讓網絡部署更加靈活。當然5G網絡切片現在受限于標準及發展，還存在著無法漫游、無線側無法實現真正意義上的切片的問題，但隨著5G技術商用的逐步推進，在網絡運營商、設備制造商和行業垂直客戶的共同推動下，相信5G網絡切片技術的發展也將越來越成熟。

我們有理由相信，5G網絡切片必將與5G一起，讓自動工廠、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，給人們生活帶來了更大便利，徹底改變了人們生活方式，從而真正實現“萬物互聯”。