5G網絡切片技術及應用綜述

陳慧杰，邢松峰

（中國通信建設集團設計院有限公司 第四分公司，河南 鄭州 450000）

1 概 述

目前，5G網絡為制造業、金融業、服務業等行業提供了重要的服務支撐。作為第五代移動通信關鍵技術之一，網絡切片技術旨在對現有物理網絡進行劃分，形成多個獨立的邏輯網絡，從而為差異化業務提供定制化服務。不同業務對于網絡的要求是多樣化的，例如4K/8K融合媒體、增強現實（Augmented Reality，AR）/虛擬現實（Virtual Reality，VR）全息影像、視頻娛樂服務等業務需要高帶寬、高質量的移動或固定網絡帶寬連接，智慧城市、智能家居、智能電網等需要大規模連接和頻繁傳輸小型數據包的服務支撐，而智能工業、遠程醫療、自動駕駛等要求毫秒級時延和超高可靠性的網絡服務質量保障。5G網絡3大應用場景為增強型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠性低時延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）以及海量機器類通信（Massive MachineType Communication，mMTC）。為滿足不同業務場景的網絡需求，基于軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）、網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）的技術架構，根據業務場景和需求提出網絡切片的概念，實現端到端的邏輯網絡劃分，按需配置網絡資源。5G網絡切片使每個應用都得以優化和擴展，而通信運營商也可以利用虛擬基礎設施按需重新規劃[1-3]。

使用NFV/SDN技術和通用硬件實現網絡功能軟件化，實現差異性業務編排。業務網絡平臺運營利用數字化平臺有效對接業務需求，加強網絡開放能力，按照用戶面部署，降低業務時延，有效控制和緩解傳輸網壓力，使用戶與業務數據下沉至本地，實現高頻和低頻的混合組網。此外，5G核心網結合NFV基礎設施為普通消費者、應用提供商以及垂直行業需求方提供網絡切片與邊緣計算等新型業務，從傳統互聯網接入管道轉型為全社會信息化的賦能者。相比于4G網絡，5G核心網以原生方式高度適配云平臺，能夠提升控制與轉發的靈活性，增強開放效果[4-6]。

2 網絡切片定義

網絡切片是基于邏輯的概念對資源進行重組，通過核心NFV技術將傳統網絡中的硬件和軟件分離，硬件服務器統一部署，軟件由不同的網絡功能（Network Function，NF）承擔。根據承載業務的特性和需求，對端到端的網絡資源進行邏輯劃分和封裝，按照用戶方網絡時延、帶寬、可靠性等需求靈活提供一種或多種5G網絡關鍵服務。通過5G網絡切片將網絡資源靈活分配，網絡性能按需組合，基于5G網絡虛擬出多個具備不同特性的邏輯子網。端到端的網絡切片由核心網、無線網以及傳輸網子切片組成，并通過端到端切片編排管理系統進行統一管理。

3 網絡切片整體架構關鍵技術

3.1 按需構建基于服務化架構的核心網切片

5G核心網摒棄傳統專用硬件組網方式，采用服務化架構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。同時將控制面與用戶面數據分離，通過高內聚低耦合的結構使其具備敏捷、高效安全、易拓展以及靈活開放等特性，滿足按需構建、動態彈縮部署以及高可靠性要求，滿足5G網絡切片在靈活性和服務等級協議（Service-Level Agreement，SLA）方面的需求。

3.2 基于統一空口架構設計適配多場景的無線網切片

5G無線網切片基于軟件定義空口（Software Defined Air Interface，SDAI）的設計理念和框架，對多個無線空口功能模塊進行靈活控制及編排，靈活的幀結構、調制編碼、新波形、新型多址以及多天線等設計使得無線切片資源靈活分配。同時，5G無線網支持集中單元（Centralized Unit，CU）、分布單元（Distributed Unit，DU）靈活配置及部署。CU支持云化部署，也可下沉與DU集中部署，滿足不通場景下切片組網的差異化需求。

3.3 基于SDN、FlexE技術構建靈活的傳輸網切片

傳輸網切片運用SDN技術將網絡設備的控制面與數據面分離，實現網絡流量的靈活控制，面向網絡拓撲資源構建虛擬網絡，使端到端網絡傳輸變得更加智能。同時，傳輸網切片基于靈活以太網技術（Flexible Ethernet，FlexE）構建端到端的承載管道，具備高靈活性、端口內業務隔離、差異化承載等特點。基于SDN、FlexE技術構建靈活的傳輸網切片，從而有效滿足不同傳輸業務的網絡需求。

3.4 高效運營的端到端切片編排管理系統

切片編排管理系統具備切片環境設計、自動化端到端編排部署、人工智能（Artificial Intelligence，AI）自動運維、網絡切片全生命周期管理以及全流程模型化驅動等功能，能夠實現業務需求和網絡資源的靈活匹配，滿足用戶的快速定制和部署需求。

4 5G端到端網絡切片技術

4.1 核心網切片思路

網絡切片是在保障業務SLA的前提下，靈活地按需分配網絡資源。核心網作為直接承載業務的網絡層級，采用服務化架構解耦網絡功能組件、控制面與數據面分離、切片功能按需定制化等技術，滿足5G網絡切片的核心基礎功能。同時，核心網通過統一的功能服務模板與服務總線結合實現開放化的網絡架構，對上層業務、應用提供標準網絡接口，由傳統集中式部署轉變為可分布式部署的虛擬化架構。

4.1.1 基于模塊服務化架構的快速構建

5G核心網支持靈活的NF服務和公共服務之間的組合，通過服務化架構將網絡功能解耦為服務化組件。對每個服務組件進行統一的定義，抽象為服務化架構。在可視化界面上，通過對各類NF進行拖拽組合的方式靈活編排，再將NF組合成eMBB、URLLC、mMTC等業務場景的網絡切片。每個服務支持獨立的注冊、發現和升級等功能，能夠滿足各垂直行業的定制化需求。基于網絡切片選擇輔助信 息（Network Slice Selection Assistance Information，NSSAI）、位置信息、切片負荷信息等，通過各種策略的網絡切片選擇功能（Network Slice Selection Function，NSSF）實現切片選擇。

4.1.2 基于數據分離控制的靈活組網

分布式靈活部署、虛擬化部署是5G核心網的顯著特點，通過將網絡功能抽象為服務，服務間通過接口的方式相互調用，實現控制數據與業務數據隔離。5G核心網突破了4G核心網中網關、網元只能集中部署的限制，根據業務實際功能需求、用戶實際體驗需求等選擇服務模塊進行集中或分散式的匹配部署。經典切片組網方式為5G核心網以NSSF和網絡存儲功能（NF Repository Function，NRF）作為核心公共服務，以公共陸地移動網（Public Land Mobile Network，PLMN）為單位部署，提供接入管理功能（Access Management Function，AMF）、策略控制功能（Policy Control Function，PCF）、業務鑒權功能（Authentication Server Function，AUSF）以及統一數據管理功能（Unified Data Management，UDM）等，通過會話管理（Session Management Function，SMF）、用戶面功能（User Plane Function，UPF）等滿足切片對時延、帶寬、安全等需求，為每個切片單獨部署不同的NF。根據業務對網絡成本、安全隔離、SLA等的要求，核心網切片支持GROUP A、GROUP B、GROUP C等多種共享類型進行靈活組網。

4.1.3 基于業務需求的切片能力定制化開放

5G核心網通過統一的功能服務模板與服務總線結合，根據網絡開放功能（Network Exposure Function，NEF）平臺向外部應用提供網絡服務，對第三方應用提供便利的接口服務，實現開放化的網絡架構。此外，核心網由傳統集中式部署轉變為可分布式部署的虛擬化架構，支持定制化的網絡功能參數，個性化的網絡切片滿足外部的各種網絡需求。

4.2 無線網切片思路

無線網子切片是端到端網絡切片的關鍵組成部分，通過SDAI設計理念對多個無線空口功能模塊進行靈活控制及編排，根據不同業務的SLA需求靈活配置及部署CU、DU，滿足不同場景下切片組網的差異化需求。

4.2.1 基于空口統一框架的無線網切片

無線網基于統一的空口框架，采用SDAI的設計理念，以空口功能模塊定制化的方式按需分配無線信號。物理層功能模塊包括幀結構、調制編碼、新波形、新型多址以及多天線等，通過靈活組合物理層不同功能模塊來滿足多樣化的網絡需求。

4.2.2 基于CU、DU的靈活切分和部署

隨著業務場景的多樣化，網絡切片在滿足安全隔離的前提下，具備靈活開放部署、按需彈性分配無線資源、控制面與用戶面相分離等特性。無線網切片的核心演進思路是將有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）、CU、DU分離，按需進行靈活切分和部署。根據不同的業務場景，例如智慧城市、智能家居、智能電網等mMTC場景對帶寬和時延無特殊要求，可以采用CU云化集中部署、DU分布式部署、AAU邊緣部署，從而達到經濟成本最優。

5 5G網絡安全標準化發展

在5G網絡應用過程中，網絡安全問題值得關注，按照行業的標準選擇正確的安全防護技術，防止在后續使用時存在較為嚴重的安全問題。為了保證5G安全研究效果提高，需要滿足總體架構構建的標準，相關業務保持同步，并且推進技術的創新，構建科學性較強的網絡安全模式，在后續工作中統一網絡安全的認證架構，注重安全保護以及密碼的計算等。根據5G網絡的應用情況構建較為完善的安全屏障，之后配合虛擬化的網絡產品來提供安全保證效果，滿足5G網絡安全防護的標準及要求。在實際工作中，通過安全框架和接入安全技術保證數據的私密性與完整性，實現不同數據之間的相互連接，推動我國5G技術的穩定發展。

6 結 語

通過新的運營模式和商業模式實現5G切片的應用，同時網絡切片的部署要求運營商轉變與行業伙伴的合作方式。新的商業模式和價值鏈采用5G和網絡切片將為通信行業提供更多的機會，在保障用戶差異化感知的基礎上實現運營商資源對等和公平共享。