面向5G的網絡切片技術研究

張夢珍，肖 娟，馬文曦，楊 蕾

武漢輕工大學電氣與電子工程學院

0 引言

雖然前幾代移動網絡可以支持語音、數據、視頻等服務，但傳統的通信網絡受到了業務單調化的限制。與之不同的是，第五代移動通信系統不再是單一網絡體系結構，它將電信生態系統向垂直產業開放，能滿足不同應用場景下不同終端的差異化通信業務。

為保障5G網絡不同場景下不同邏輯業務及應用的需求在拓撲組網結構上最大化資源分配的靈活性，需對網絡切片的編排設計以及應用作進一步的研究。本文對核心網網絡切片進行了設計，并通過XLABS 5G網絡仿真平臺驗證其可行性。

1 網絡切片介紹

《5G消息白皮書》提出的網絡切片技術根據場景需求，通過NFV（網絡功能虛擬化，Network Function Virtualization）對設備資源進行合理化分配，將其轉換成多個粒度不同的、隔離度高的端到端網絡切片。作為運營商進入具有巨大市場規模的垂直業務的關鍵推動力，網絡切片通過按需組網的方式，虛擬多個分別適應不同業務且彼此絕緣的子網切片。根據功能和所在的層次，子網切片可劃分為3類：核心網子切片、接入網子切片、傳輸網子切片。網絡切片技術使得運營商可以在統一的物理設備上承載多種不同QoS需求的業務應用，實現了網絡性能的優化，減少了網絡運營成本。

1.1 核心網切片

核心網絡作為一個直接承接業務的網絡層，需要有根據不同的工作情景靈活分配和部署網絡的功能?；趯Ｓ迷O備的傳統核心網絡，不能滿足5G網絡切片服務等級協議的需求。因此，5G核心網絡不能再采用集中化的架構。

5G核心網通過模塊化實現網絡功能間的解耦和整合，將網絡功能解耦為服務化組件，組件之間使用輕量級開放接口通信，每個服務都可以根據需要單獨開發和部署。這是一個連貫和低耦合的結構，使核心網絡具有靈活性、開放性和可訪問性，從而滿足5G網絡切片按需定制和動態部署的要求。

1.2 接入網切片

5G網絡需要承載更多類型的業務以及多元化的應用場景，因此需要根據SLA需求的不同，進行接入網子切片的定制，以實現靈活的網絡接入。該網絡主要側重于切分終端的功能和時間頻率資源。當切分接入網時，可以根據應用程序的需要進行切片。一些應用可以通過嚴格控制無線電頻率資源，完成接入網子切片。軟切片可以通過共享無線頻率資源的動態分配來實現，并可以在個性化服務的同時提高網絡資源的利用率。

1.3 傳輸網切片

傳輸網切片運用虛擬化技術，在傳輸硬件設施中切分出多個邏輯的虛擬傳輸子網。各個虛擬網絡具有獨立的控制面、管理面和轉發面。每個切面都需要一個控制器來管理拓撲、資源和協議棧，各虛擬網絡之上可獨立支持各種不同的業務。

2 核心網切片設計

想在5G的后期實現高速運行，關鍵是打破無線通信的瓶頸。在建立組網方面，為了減少端到端網絡傳輸渠道，降低傳送的成本并縮短時間延遲，分散布置核心網絡是必要的。

核心網根據需要采用多級DC（雙連接，Dual Connectivity）架構。與中心DC相比，邊緣雙連接架構和接入雙連接架構更接近用戶層，控制區的信令仍上載到核心層進行處理，而用戶面數據則由邊緣或訪問點直接處理并分配。在邊緣輕量化建設和控制方面，要分割核心網的用戶面和控制面，將UE按需下沉到邊緣或訪問雙連接架構中即可。

對于需要大帶寬和高速率的VR/AR和8K視頻等業務，如果此類業務的用戶面功能在核心層的話，就會帶來傳輸網帶寬壓力增大或用戶體驗差等問題。語音通話、普通的Web網頁業務等，對于帶寬或時延要求并不高，此時，為了減少成本，可以將該類應用的用戶面功能部署在核心層。核心網切片方案配置的參數如表1所示。

表1 核心網切片的參數配置

當5G終端開展業務時，首先需要建立終端與應用數據之間的傳輸通道，實現用戶面的功能。SMF通過DNN之間的關聯（相當于4G中的APN）來選擇相應的UPF進行PDU會話的建立。通過XLABS 5G網絡仿真平臺進行設計與仿真，基于NFV的5G核心網子切片的設計方案如圖1所示。

圖1 核心網切片示例

將網絡切片編排完成后，進行網絡的入網選擇，而后將5G終端切換至屏幕界面，點擊瀏覽器并進行搜索以檢驗方案的可行性，該切片的終端顯示和具體工作流程如圖2所示。

圖2 核心網切片終端顯示及工作流程

可見，切片完成了建立會話并且訪問成功，證明了該切片在實際應用中的可行性。

3 結束語

網絡切片作為5G移動網絡的核心技術之一，能實現根據業務需求機動組網，提高服務網絡的獨立性，隔離定制化的網絡資源，確保功能需求。網絡切片的應用為5G網絡提供了靈活的部署策略和定制化的業務方案，使得5G的發展前景更加廣闊。本文針對核心網進行了網絡切片方案設計，通過XLABS 5G網絡仿真平臺進行切片編排和仿真運行，驗證了設計方案的可行性。