5G網絡切片技術研究

魏洪河 汪冬

摘? 要：隨著移動通信技術的飛速發展，5G逐漸滲透到人們的日常生活中。社會數字化程度的加深使各種數據業務應用如雨后春筍般涌現，由此催生了對5G網絡切片的強烈需求。文章首先闡述了社會數字化中5G的核心作用、5G的三大應用場景和5G的關鍵能力網絡切片;然后介紹了5G網絡切片的標準組織對切片的定義和要求，以及3GPP發布的R15、R16進展情況和3GPP定義的5G切片表示分類;最后分析了下一代移動網絡的5G網絡切片架構和具體實例。

關鍵詞：移動通信;5G;數字化;網絡切片;3GPP

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）01-0058-04

Research on 5G Network Slicing Technology

WEI Honghe1，WANG Dong2

（1.Shanghai R & D Center，ZTE Corporation，Shanghai? 201203，China;

2.School of Mechanical Engineering and Information，Shanghai Urban Construction Vocational College，Shanghai? 201415，China）

Abstract：With the rapid development of mobile communication technology，5G is gradually penetrate into peoples daily lives. More and more data business applications boom out with the deepening in the degree of social digitization，which generate strong demand of 5G network slicing. This paper first describes the core effect of 5G in social digitization，three application scenarios of 5G and the key capability network slicing of 5G. Then this paper introduces the definition and requirement of slicing from 5G network slicing standard organization，and introduces the progress of R15 and R16 released by 3GPP and the classification of 5G slice representation defined by 3GPP. Finally，the 5G network slicing architecture and specific examples of the next generation mobile network are analyzed.

Keywords：mobile communication;5G;digitization;network slicing;3GPP

0? 引? 言

網絡切片是指系統網絡根據承載業務的自由特性與要求，對端到端的系統資源（網絡能力、物理硬件和接口管道資源等）進行邏輯劃分和封裝，從而滿足不同應用對系統帶寬、時延和可靠性等網絡性能的服務質量（Quality of Service，QoS）要求，使得單獨切片系統發生問題和修復時不會影響其他的切片業務[1，2]。網絡切片是5G的關鍵技術之一，2020年是5G的擴展年，國內外各大運營商都完成了5G中低頻段（Sub-6 GHz）的布網，美洲部分國家完成了毫米波的商用。隨著網絡速度的不斷提高，網絡切片被提上日程，網絡切片是當前各大運營商、服務供應商和終端的應用熱點。中興通訊公司自2017年就開展了網絡切片的預研和開發，在2018年初的巴塞展上，中興通訊層成功展示了5G端到端網絡切片的實現。2020年8月，中興通訊與中國聯通、騰訊攜手合作，在廣東實現業內首個基于APP應用級的5G獨立組網（Standalone，SA）端到端網絡切片，創建包含5G SA網絡、切片運營平臺、5G終端和手機APP應用等端到端切片解決方案。

1? 5G切片的需求

1.1? 5G是社會數字化的核心

在5G時代，移動通信技術必將是社會數字化的強大推動力，未來的移動通信將飛速發展并會逐漸擴展到各種垂直行業，如交通運輸、能源電力、倉儲物流和農業等，并持續在銀行業、健康醫療等行業發揮著越來越重要的作用。

5G是數字化的核心驅動力，支撐個人數字化和社會數字化，如圖1所示。5G提升個人數字化體驗，使個人用戶享有高速移動速率，在增強現實/虛擬現實（Augmented Reality/Visual Reality，AR/VR）、4K/8K和視頻實時游戲等方面獲得更好的體驗。5G網絡需要支撐差異化的各行業場景。

1.2? 5G定義的三大典型場景

不同用戶群的差異化需求給運營商帶來了巨大的壓力，如若運營商沿用現有網絡的搭建思路，需要創建多張不同的網絡以滿足不同用戶差異性較大的應用需求，這對運營商來說將是一筆巨大的支出，并且是利用率不高的投資[3]。考慮到這一特殊的業務要求，引入了網絡切片技術，利用網絡切片使運營商能夠在一個共用的硬件平臺上創建多個相互隔絕的、虛擬的、特用的邏輯網絡，以滿足不同用戶對網絡承載的不同要求。5G標準定義的三大場景如圖2所示。

下文給出5G三大場景的具體說明：

（1）移動增強寬帶（Enhanced Mobile Broadband，e- MBB）場景。該場景主要針對移動通信中以人為中心的使用場景，提供用戶對多媒體內容、服務和數據的高速訪問和接入，實現廣域網的無縫鏈接，面向新的需求提供大容量高速率的通信服務。要求巔峰速率大于10 Gbps，對高寬度高速率有所要求的業務分別為VR/NR、云游戲、高清語音、云辦公和3D高清視頻等。

（2）海量機器類型通信（Massive Machine Type Com-munications，mMTC）場景。該場景主要針對連接設備數量龐大，并且這些設備通常只需傳輸數量相對較少的非時延敏感數據的情況。在此場景中，需要嚴格控制各通信設備的成本并且確保設備的電池續航時間足夠長。例如智慧城市、智慧交通和智能家居等。

（3）高可靠和低延遲通信[4]（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，uRLLC）場景。該場景主要針對具體應用場景中對高速率、耗時和應用性等參數要求比較嚴格的情況，例如遠程指導醫療、工業智能化、自動駕駛和遠程控制等。

1.3? 網絡切片是5G的關鍵能力

5G切片是一套端到端的解決方案，端到端體現在網絡的各個層面。不僅是核心網、承載網和無線網需要切片，而且終端也需要切片。

網絡切片由終端、切片網絡和服務商組成，如圖3所示。

網絡切片的價值在于：

（1）按客戶需求定制。按客戶需求分配資源，靈活組合網絡能力，滿足不同客戶的需求。

（2）切片經營。切片商品化并通過能力開發實現應用深度融合，實現5G網絡價值最大化。

（3）資源共享。通過切片實現一個物理網絡支撐多種網絡服務，實現資源共享，降低網絡成本。5G業務要求千差萬別，各類業務對網絡寬度、耗時及可信任性等網絡指標的服務性能要求呈現出多樣化的特點，利用網絡切片技術，搭建一個物理網絡軟件定義多個虛擬的端到端系統，滿足不同業務應用的要求[5]，這幾個個邏輯上的網絡通過各種手段在邏輯上隔離，互不影響。

2? 5G切片的標準組織和進展

與切片有關的行業組織和標準組織為：

（1）5G汽車協會（5G Automtive Association，5GAA）、

電氣工業中央協會（Zentralverband der Electechnischen In-dustries，ZVEI）等組織從垂直行業角度描述對切片的需求。

（2）全球移動通信系統協會（GSMA）[6]、下一代移動網絡（NGMN）和國際電信論壇（TM Forum）等從運營商角度描述對切片的需求。

（3）第三代合作項目（3GPP）、寬帶論壇（BBF）、互聯網工程任務組（IETF）、歐洲電信標準化協會（ETSI）等標準組織，主要描述切片的架構、功能、流程和接口等。其中，3GPP主要描述了接入網絡（AN）和核心網絡（CN）的切片，同時還介紹了切片的管理架構。BBF描述了傳輸的切片的要求和功能。ETSI定義了網絡切片如何與網絡應用進行布置對照[7]。

目前，3GPP R15網絡切片標準進展如下，如圖4所示。

5G切片：確切規定網絡切片選擇輔助信息（NSSAI），切片簽約/存儲、切片選擇、切片路由、5G切片與演進分組系統（EPS）的交互等基本功能。接入和移動性管理功能（AMF）、會話管理功能（SMF）、網絡切片選擇功能（NSSF）、策略控制功能（PCF）和統一數據管理平臺（UDM）等切片相關接口的定義，其中NSSF切片選擇功能接口已經定義完成。

切片管理：網絡切片管理功能/網絡子切片管理功能（NSMF/NSSMF）基本管理功能、流程和接口，包括配置管理、告警性管理、5G切片/子切片信息模型、5G性能測量/關鍵性能指標（KPI），已于2018年9月定義完成。

3GPP R16計劃定義的功能：在R16已經立項的切片課題有FSP_eNS，主要研究切片漏掉問題，包括切片互斥以及多切片中的多會話和4G數據通信網（Data Communication Network，DCN）互通;FS_eIMS 5G描述IP多媒體子系統與切片之間的交互;FS_BMNS研究切片商業模型對3GPP架構的影響。

切片管理：切片自動化功能、通信服務管理功能（Com- munication Service Management Function，CSMF）、流程和接口在2019Q3（3GPP R16）完成。

3? 5G切片表示分類

3GPP 23.501定義了以下四種NSSAI：

（1）配置NSSAI（Configured NSSAI），網絡配置給用戶設備（User Equipment，UE）使用的NSSAI，UE收到這個配置參數后就知道網絡下有什么S-NSSAI可用;網絡會在注冊接收消息（Registration Accept）的Configured NSSAI IE帶給UE，如果注冊后UE的配置有變化，網絡可通過Configuration update command通知UE進行更新;UE會在非易失存儲空間保存每個網絡給它配置的Configured NSSAI;每個PLMN最多只能配置一個Configured NSSAI。

（2）請求NSSAI（Requested NSSAI），UE在注冊更新時通過Registration Request消息把請求NSSAI帶給NG-RAN，NG-RAN使用Requested NSSAI來選擇服務AMF。Requested NSSAI來自UE中保存的注冊PLMN關聯的Configured NSSAI和Allowed NSSAI，優先使用Allowed NSSAI。

（3）簽約NSSAI（Subscribed NSSAI），在UDM上簽約的UE支持的切片列表，簽約信息中包含一個或多個S-NSSAIs。當Subscribed NSSAI改變時，AMF會通過UE Configured Update過程向UE發送更新的Configured NSSAI和Allowed NSSAI。

（4）允許NSSAI（Allowed NSSAI），表示UE請求的NSSAI、被網絡允許的S-NSSAI，網絡通過注冊接收消息（Regustration Accept）把“Allowed NSSAI”帶給UE。

舉個例子，UE在初始注冊時，手機上沒有保存Configured NSSAI和Allowed NSSAI，那么UE可以在Registration Request中的Request NSSAI填寫為default configured NSSAI，核心網將根據用戶簽約的Subscribed NSSAI來設置Configured NSSAI和Allowed NSSAI，并在Registration Accept中發送給UE，UE上的APP在觸發業務的時候就可以從保存的Allowed NSSA中選擇一個切片來接入（APP和切片選擇也是有策略的）。UE在后續注冊的時候就會從保存的Configured NSSAI和Allowed NSSAI中選擇全局或者一個子集來填寫為requested NSSAI（由手機實現）。

無論Configured NSSAI還是Allowed NSSAI都是PLMN級別的，也就是說網絡只會下發當前PLMN下支持的NSSAI，不同運營商設置不同的切片，這點在網絡共享的時候也是相同的。

4? 5G移動網絡切片概念和實例

4.1? 5G移動網絡切片概念

網絡切片可分為3層，分別為服務實體層、網絡切片實體層、資源層[8]，如圖5所示。

網絡切片實例層標記要支持的服務（最終客戶服務或業務應用服務），每個服務都由服務實體表示。通常服務可以由網絡運營商或第三方提供。

網絡切片實體供給服務實例所需要的網絡能力。網絡切片實例還可以為網絡運營商供給多個服務實例之間的共用。

網絡切片實例可以由零個、一個或多個子網絡實例組成，一個網絡實例可以被多個網絡切片實例共享。子網絡實例用于組成一組網絡功能，這一組網絡功能在物理/邏輯資源上運行。

切片1：只有切片，沒有子切片，顯示情況少。

切片2：切片下面只有一個子切片，比如只有核心網子切片，無線和傳輸都沒有切片。

切片3：應用端到應用端切片，無線側、核心網側和傳輸側都包含子切片。

切片4：同一切片可以支持多個通信業務，同一個切片可以在多個切片下共享，例如同一無線子切片同時支持eMMB和mMTC切片。

4.2? 5G移動網絡切片實例

NGMN發布的5G白皮書描述的在同一物理基礎設施上的運營商多張網絡切片的實例：

（1）智能手機使用的5G切片需要在網絡上部署完整的功能。

（2）安全性、可靠性和實時性是5G切片在自動駕駛應用中的重要要求，對于這樣的切片，可以在云邊緣節點處對所有必要的（并且可能是專用的）功能進行實例化，包括由于延時約束而必須在云邊緣節點處實例化的垂直應用。

（3）對于支持mMTC業務的5G切片，可以只配置一些基本的控制平臺功能，省略如移動性管理功能。

5? 結? 論

2019年是5G元年，各大運營商都在紛紛展示5G的高速率。2020年是5G擴展之年，5G正在逐漸進入普通人的日常生活中。逐步數字化的社會、多樣化的業務發展對5G切片的需求愈發迫切。隨著各大標準組織對5G網絡切片的逐步完善，以及各大設備供應商和運營商積極搭建試驗網，網絡切片也會迅速商用并走進普通人的生活。

參考文獻：

[1] 陳運清，雷波，解云鵬.面向云網一體的新型城域網演進探討 [J].中興通訊技術，2019，25（2）：2-8+27.

[2] 喬楚.5G網絡端到端切片技術研究 [J].通信技術，2018，51（9）：2092-2101.

[3] 任馳，馬瑞濤.網絡切片網絡切片：構建可定制化的5G網絡 [J].中興通訊技術，2018，24（1）：26-30.

[4] 劉會衡.5G候選波形Filtered-OFDM技術研究與分析 [J].通信技術，2018，51（2）：289-293.

[5] 宋明澤，張沛，李宏平，等.5G驅動下的視頻技術在體育行業的應用研究 [J].通信世界，2019（15）：38-40.

[6] 汪潤，王麗娜，唐奔宵，等.SPRD：基于應用UI和程序依賴圖的Android重打包應用快速檢測方法 [J].通信學報，2018，39（3）：159-171.

[7] 劉義亮，李鑫，薄開濤.5G端到端網絡協同關鍵技術 [J].電信科學，2020，36（3）：144-155.

[8] 羅玙榕，曹進，李暉.軟件定義5G通信網絡的虛擬化與切片安全 [J].中興通訊技術，2019，25（4）：30-35.

作者簡介：魏洪河（1974—），男，漢族，山東夏津人，主任協議工程師，碩士，研究方向：手機2G、3G、4G和5G通信協議和射頻驅動;汪冬（1978—），女，漢族，安徽蕪湖人，教授，博士，研究方向：計算機應用系統。