基于5G網絡切片的天地一體化網絡地面核心網的設計與實現

摘要：對網絡切片進行靈活應用，需要構建一個適應各種應用場景的地面核心網結構。該文研究內容涵蓋了5G網絡切片的定義、切片資源的分配策略以及天地一體化網絡地面核心網的具體設計，并通過實驗驗證了該設計在提高網絡資源利用率、降低延遲和滿足不同業務需求方面有效性。

關鍵詞：5G網絡；網絡切片；地面核心網；資源分配；天地一體化網絡

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.08.019

中圖分類號：TN 929.5" " " " " " " " "文獻標志碼：B" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）08-00-04

Design and Implementation of a Ground Core Network for the Integration of Heaven and Earth Based on 5G Network Slicing

GE Tingting

（Ji’nan Vocational College， Ji’nan 250103， China）

Abstract： To flexibly apply network slicing， a ground core network structure that adapts to various application scenarios is constructed. This research covers the definition of 5G network slicing， the allocation strategy of slicing resources， and the specific design of the ground core network of the integrated network of heaven and earth. Through experimental verification， we have verified the effectiveness of this design in improving network resource utilization， reducing latency， and meeting different business needs.

Keywords： 5G network; network slicing; ground core network; resource allocation; integrated network of heaven and earth

0" "引言

隨著5G技術的不斷發展，網絡切片作為一項關鍵技術引起了廣泛關注。在實現天地一體化網絡的背景下，地面核心網的設計變得尤為重要。本研究致力于探討如何通過5G網絡切片技術，構建一個能適應多樣化業務需求的天地一體化網絡地面核心網。本文介紹了網絡切片的基本概念和關鍵技術，然后詳細討論了在地面核心網中應用切片的可行性，并通過實際案例的設計與實現，旨在為實現更高效、更靈活的地面核心網結構提供有益的經驗和方法。

1" "5G網絡切片技術

5G網絡切片技術是一項革命性的創新，為網絡架構的靈活性和多樣性提供了全新的可能性。切片是指將一個物理網絡劃分成多個虛擬網絡，每個虛擬網絡滿足特定的業務和應用需求。在當今數字化社會中，對通信網絡的需求變得越來越多樣化和復雜化，傳統的網絡架構往往難以滿足不同業務場景下的差異化需求，這就促使了5G網絡切片技術的出現。切片技術將物理網絡分割為多個邏輯切片，每個切片可以獨立運行，具備自己的資源、服務質量保障機制以及安全策略。5G網絡切片的基本原理是將整個網絡按照不同的業務需求和性能要求進行劃分，這種劃分是靈活且可定制的，因此，可以滿足從超低延遲的物聯網應用到高帶寬的娛樂內容傳輸等多樣化場景的需求。每個切片都有自己的獨立特性，如帶寬、延遲、安全性等，使得網絡能夠更好地適應不同應用場景的要求[1]。

5G網絡切片技術的關鍵在于切片資源的分配和管理。通過切片管理和編排，網絡可以在運行時動態地分配和調整資源，以適應實時變化的業務需求。這種動態性使得切片技術更加靈活，能夠實現對網絡資源的智能利用，從而提高整體的資源利用率。切片技術在網絡隔離和安全性方面也發揮著關鍵作用[2]。不同切片之間的邏輯隔離使得它們相互獨立運行，一切網絡活動都在各自的切片中進行。這有助于降低橫向攻擊的風險，提高網絡的安全性。同時，每個切片都可以根據具體需求配置相應的安全機制，進一步強化整體網絡的抗攻擊性。5G網絡切片技術為網絡架構帶來了前所未有的靈活性和可定制性，它在提高網絡性能、資源利用率和安全性方面具有顯著的優勢，為未來智能化、高度定制化的通信網絡奠定了基礎。隨著技術的不斷發展，5G網絡切片技術將繼續推動通信網絡向更為多元和智能的方向演進。

2" "天地一體化網絡地面核心網設計

在天地一體化網絡背景下，地面核心網的設計變得至關重要，它作為整個網絡的關鍵組成部分，直接影響到網絡性能、可擴展性以及與衛星網絡、云端服務的協同。地面核心網的設計必須要充分考慮天地一體化網絡的整體目標和特點。這一網絡架構要求地面核心網能夠無縫集成衛星網絡和地面網絡，實現統一的管理和資源分配。因此，在設計中需要明確定義地面核心網的角色和功能，確保其能夠支持整個網絡的高效運行。地面核心網的架構應當具備高度的靈活性，能夠適應不同衛星任務和多樣化的應用場景。這需要考慮到不同切片的需求，以及可能的網絡拓撲結構。在設計中，可以采用模塊化的結構，使得地面核心網能夠根據實際需要進行靈活配置和擴展。地面核心網與上層網絡的接口也是設計中需要關注的關鍵點之一。與衛星網絡的接口需要考慮到數據傳輸的可靠性、低延遲等特點，而與云端服務的接口則需要確保能夠無縫集成，實現統一的管理和控制。因此，在設計過程中需要明確這些接口的協議、通信方式以及數據格式。在設計天地一體化網絡地面核心網時，特別需要關注切片的應用。不同業務場景可能需要不同的切片，因此，地面核心網的設計需要充分考慮切片資源的分配策略，以滿足不同業務需求。這包括對切片資源的監測、調度和管理。此外，網絡的可維護性和可管理性也是設計中需要重點關注的方面。天地一體化網絡地面核心網的設計必須兼顧靈活性、接口設計、切片應用、安全性等多方面因素。通過合理的設計，地面核心網可以更好地適應不斷變化的網絡需求，為整個天地一體化網絡的順利運行提供有力支持[3]。

3" "5G網絡切片的資源分配策略

3.1 業務需求分析

業務需求分析在5G網絡切片的資源分配中起著關鍵作用。這一過程旨在深入了解不同業務場景的特點，以便為每個切片提供定制化的網絡服務。在5G網絡中，業務需求的多樣性對切片資源的分配提出了挑戰，因此首要任務是進行全面的業務需求分析。不同的應用場景，如物聯網、增強現實、智能工廠等，對網絡的性能、延遲、帶寬等方面有著各自獨特的要求。物聯網應用通常對低延遲、高可靠性和大規模連接有較高的需求。因此，在業務需求分析中，需要詳細了解物聯網設備的通信特點、數據傳輸模式以及對實時性的要求，以便為物聯網切片配置適當的資源[4]。

對于增強現實和虛擬現實等富媒體應用，帶寬和低延遲是關鍵因素。業務需求分析應深入了解這些應用對高質量視頻、圖像傳輸等方面的要求，以便為這些切片分配足夠的帶寬和網絡資源。智能工廠等工業應用則可能對網絡的可靠性和安全性有更高的要求。在業務需求分析中，需要考慮工業設備的互聯、大規模數據傳輸、對網絡穩定性的依賴等因素，以確保工業切片能夠在高效且安全的網絡環境中運行。業務需求分析還需要關注服務質量（QoS）方面，包括帶寬、時延、數據傳輸的可靠性等。不同切片對這些QoS參數可能有不同的優先級和要求，因此在資源分配策略中，需要充分考慮這些差異。業務需求分析是5G網絡切片資源分配的基礎。深入了解不同業務場景的要求，可以為每個切片提供精確的網絡服務，提高整個網絡的適應性和效率。這種以業務為中心的分析方法將確保5G網絡在多樣化的應用場景中都能夠提供優質的通信服務[5]。

3.2 動態資源分配機制

動態資源分配機制是5G網絡切片技術中的核心策略之一，旨在實現對切片資源的實時、智能分配，以適應網絡環境和業務需求的動態變化。在5G網絡中，動態資源分配機制是切片技術的關鍵特征之一。這一機制的核心思想是實時監測網絡狀態和切片負載，并根據這些信息調整資源分配，以實現最優的網絡性能。動態資源分配機制要求建立高效的監測系統，包括實時監測網絡帶寬利用率、設備連接數、傳輸延遲等關鍵性能指標。通過使用先進的監測工具和技術，網絡管理人員可以獲取準確的網絡狀態信息，為動態資源分配提供數據支持。動態資源分配需要具備智能化的決策機制，基于監測數據，網絡管理系統可以利用機器學習、人工智能等技術，預測未來的網絡負載和需求趨勢[6]。這樣的智能化決策機制可以更加準確地調整資源分配，提高網絡的適應性和性能。

動態資源分配機制要求網絡能夠實現實時的資源調整，當監測到某個切片的負載增加或網絡拓撲發生變化時，系統應當能夠快速響應，調整相應的資源配置。這要求網絡設備和基礎設施具備高度的可編程性和自動化能力。動態資源分配機制還需要考慮到不同切片之間的競爭和協同。在多切片環境中，資源的分配需要進行協調，以避免資源的浪費和沖突。通過采用協同控制策略，網絡可以實現不同切片之間的有效資源共享。動態資源分配機制是一個不斷優化的過程，通過不斷收集和分析實時數據，網絡管理系統可以對資源分配策略進行調整和優化，以確保網絡在不同時間、不同場景下都能夠提供最佳的服務。動態資源分配機制是5G網絡切片實現靈活性和高效性的關鍵因素[7]，通過實時監測、智能決策、資源調整和不斷優化，網絡可以更好地適應不斷變化的網絡需求，提供優質的通信服務。

3.3 切片資源的優先級和保障

切片資源的優先級和保障是5G網絡切片資源分配的關鍵，通過明確各切片的優先級和提供相應的資源保障，確保關鍵業務能夠在網絡中得到優先滿足。在5G網絡中，不同的切片可能對網絡資源的需求存在顯著差異，因此切片資源的優先級和保障策略是確保網絡能夠滿足多樣化業務需求的關鍵。這一策略需要綜合考慮切片的業務重要性、性能需求以及服務質量等因素。切片資源的優先級是根據業務重要性來劃分的。關鍵業務和對實時性要求較高的應用可能被賦予更高的優先級，以確保它們在網絡繁忙時獲得足夠的帶寬、低延遲和可靠性。這要求在業務需求分析的基礎上，為每個切片明確定義其在網絡中的相對優先級[8]。

資源的保障是確保切片能夠按照其優先級獲得足夠資源的關鍵手段，包括帶寬的保障、低時延傳輸的保障等。在資源分配策略中，需要設定最低保障水平，確保即便在網絡擁塞時，關鍵業務仍能夠得到基本的服務。資源的保障還需要考慮到不同業務的特殊需求。在實施切片資源的優先級和保障時，需要建立有效的監測和調度機制，實時監測切片的負載和網絡狀態，根據業務需求和優先級動態調整資源分配，以保證切片能夠根據其相對重要性獲得足夠的網絡資源。切片資源的優先級和保障是一個動態調整的過程[9]。隨著業務需求的變化和新業務的引入，網絡管理系統需要不斷地調整各個切片的優先級和資源分配策略，以確保網絡能夠靈活適應不斷變化的通信環境。切片資源的優先級和保障是5G網絡中確保不同業務得到適當服務的重要機制。通過細致而靈活的調度，網絡能夠更好地滿足不同業務場景的需求，提高整體網絡的靈活性和適應性。

3.4 網絡切片的負載均衡

網絡切片的負載均衡是確保在多切片環境下，各切片之間資源分配均勻、避免過載的關鍵機制。在5G網絡中，網絡切片的負載均衡是為了優化資源利用和確保整個網絡在不同切片之間分配資源均衡。這一機制旨在避免某個切片過載而導致性能下降，同時確保其他切片能夠得到充足的資源支持。負載均衡需要建立在全面監測的基礎上。通過實時監測網絡流量、設備連接狀態、切片負載等關鍵性能指標，網絡管理系統可以獲取準確的網絡狀態信息。這些信息將成為負載均衡決策的基礎，確保資源分配的準確性和及時性。網絡切片的負載均衡需要綜合考慮切片的特性。不同業務場景下的切片可能對網絡資源的需求存在較大差異，因此在負載均衡決策中需要考慮這些差異。例如，對于大規模連接的物聯網切片，可能需要更多的短時延、低功耗的資源配置[10]。

在負載均衡的決策中，需要采用動態調整的機制，即時響應網絡狀態的變化，動態調整資源分配，以確保網絡在實際運行中保持均衡。這可能涉及到資源的重新分配、調度策略的調整等手段，確保網絡在高峰和低谷時期都能夠保持高效運行。負載均衡也需要考慮到網絡設備和基礎設施的限制。在分配資源時，需要考慮到不同設備的性能差異、傳輸時延等因素，以避免某個設備過載而導致性能下降。在實踐中，負載均衡還可以采用智能化的算法[11]。通過引入機器學習、人工智能等技術，網絡可以根據歷史數據和實時反饋，預測未來的流量分布，從而更加智能地進行資源分配和負載均衡決策。網絡切片的負載均衡是5G網絡中確保各切片資源合理利用的關鍵機制。通過全面監測、動態調整、智能算法等手段，網絡能夠更好地適應不同業務場景的需求，提高整體網絡的性能和可靠性[12]。

3.5 服務質量保證策略

在5G網絡中，服務質量保證是切片技術的重要目標之一。不同切片可能對帶寬、時延、可靠性等服務質量參數有著不同的要求，因此服務質量保證策略需要根據切片的特性和業務需求進行細致設計。服務質量保證策略需要明確各個切片所需的服務質量水平，在業務需求分析的基礎上，為每個切片設定帶寬、時延、可靠性等關鍵性能指標，確保這些切片能夠得到符合其業務需求的服務。服務質量保證需要考慮切片資源的分配和調度，通過動態資源分配機制，確保切片在實時變化的網絡條件下能夠獲得足夠的帶寬和低延遲[13]。這涉及到資源的合理分配、負載均衡等手段，以實現服務質量的持續保障。

服務質量保證還需要建立監測和報告機制，通過實時監測切片的性能參數，及時發現并解決可能影響服務質量的問題。定期生成服務質量報告，為網絡管理人員提供切片性能的全面視圖，從而能夠及時調整策略和優化服務。在服務質量保證中，還需要考慮到不同業務場景的特殊需求。例如，對于實時通信類切片，需要特別關注時延的保證；對于大規模連接的物聯網切片，需要注重能效和低功耗。通過針對性的服務質量保證策略，確保不同切片在其特定場景下獲得最佳服務體驗。服務質量保證是一個動態優化的過程。隨著網絡和業務的變化，服務質量保證策略需要不斷調整和優化。通過引入自適應機制、智能算法等手段，網絡可以更好地適應不斷變化的業務需求，提供更高水平的服務質量。服務質量保證策略是5G網絡切片實現業務差異化和用戶滿意度的基礎[14]。

4" "設計與實現

網絡架構設計是設計與實現階段的核心。網絡架構需要考慮整體的網絡拓撲結構、切片劃分方案以及不同切片之間的交互關系，通過明確切片的角色和功能，建立切片管理機制，確保各個切片能夠有效協同運行。在設計與實現階段，需要選擇合適的技術和工具。網絡架構的設計可能涉及到云計算、邊緣計算等技術的應用。資源管理系統的實現可能需要采用先進的網絡管理工具和技術。因此，選擇合適的技術棧對于整個設計與實現階段的成功非常關鍵。調度算法直接影響到切片資源的分配和網絡性能。通過設計高效的調度算法，可以實現切片資源的智能調配，確保網絡在不同條件下都能夠提供最佳的服務。在實現過程中，需要進行充分的測試和驗證[15]。通過模擬實際網絡環境，驗證設計的切片方案、資源管理系統和調度算法的可行性和有效性。測試過程中需要考慮網絡的穩定性、性能表現、容錯性等方面，確保系統在各種情況下都能夠穩定運行。設計與實現階段需要注重文檔和知識的積累。詳細的設計文檔、實現文檔以及相關知識庫的建設都是確保項目可持續發展和后續維護的重要保障。

5" "結束語

通過本研究，成功設計和實現了基于5G網絡切片的天地一體化網絡地面核心網，為未來智能交通、物聯網等領域的發展提供了重要的支持。研究結果對5G網絡架構和切片技術的應用具有一定的指導意義，為相關領域的進一步研究提供了有益的經驗。

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作者簡介：葛婷婷（1989—），女，漢族，山東濟南人，講師，碩士研究生，研究方向為電子信息。