未来5G网络切片技术关键问题分析

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

未来5G网络切片技术关键问题分析

月球，肖子玉，杨小乐

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

5G是一个广带化、泛在化、智能化、融合化、绿色节能的网络。将满足人们超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性的需求。从核心网新技术的引入角度看，未来5G核心网关键技术将以NFV及SDN为实现基础。为实现未来极富多样化的用户及网络性能指标，文章对未来业界公认的5G关键技术网络切片关键问题进行了研究。在对网络切片概念、特征、未来功能要求等方面分析的基础上，探讨了5G基于NFV及SDN技术的网络切片网络架构及性能。

网络切片；5G；NFV；SDN

1 引言

对于大步伐到来的5G网络（第五代移动通信网络），包括运营商、各设备厂商、各大标准组织及研究机构在内，无一不在争分夺秒进行各项关键技术的研究及测试。当全世界都在谈5G的时候，通信业界里谈论得最多的是——5G网络切片技术（Network Slicing）。网络切片，已成为中国移动、韩国KT、SK电信、日本KDDI 和NTT，以及爱立信、诺基亚、华为等设备商公认的最理想的5G网络构架。

在此背景下，本文将首次从5G系统中网络切片技术的概念、未来网络功能要求及网络切片架构、性能与NFV/SDN技术的结合等几个方面对网络切片技术进行全面分析和探讨。这些也将是运营商在引入网络切片技术时最先遇到的、也是最关键的几个问题。

2 5G系统中网络切片技术的概念及特征

未来网络中，不同类型应用场景对网络的需求是差异化的，有的甚至是相互冲突的。通过单一网络同时为不同类型应用场景提供服务，会导致网络架构异常复杂、网络管理效率和资源利用效率低下。因此5G网络需要一个融合核心网，能同时应对大量的差异化场景需求，网络切片技术应运而生。

通过虚拟化将一个物理网络分成多个虚拟的逻辑网络，每一个虚拟网络对应不同的应用场景，这就叫网络切片技术。网络切片是一组网络功能（Network Function）及其资源的集合，由这些网络功能形成一个完整的逻辑网络，每一个逻辑网络都能以特定的网络特征来满足对应业务的需求，通过网络功能和协议定制，网络切片为不同业务场景提供所匹配的网络功能。其中每个切片都可独立按照业务场景的需要和话务模型进行网络功能的定制剪裁和相应网络资源的编排管理，是对5G网络架构的实例化。

网络切片使网络资源与部署位置解耦，支持切片资源动态扩容缩容调整，提高网络服务的灵活性和资源利用率。切片的资源隔离特性增强整体网络健壮性和可靠性。

NGMN标准规定的网络切片架构如图1所示，分为业务实例层、网络切片实例层和资源层。其中，业务实例层通过一个网络切片实现最终企业服务；网络切片实例层包括虚拟化后一组特定的网络逻辑功能，向业务实例层提供所需要的网络特性；资源层包括计算、存储、传输等物理资源及虚拟化后的逻辑资源。

图1 网络切片逻辑架构[5]

3 未来网络切片功能要求

5G系统具有系统灵活性、可伸缩性、移动性的支持、高效内容传输等潜在要求，切片技术切片允许运营商提供带有客户特定功能的专用逻辑网络，同时不丢失共同基础设施的规模，以满足系统的多样性需求。

根据3GPP的定义，未来5G网络切片系统需支持如下功能：

（1）5G系统应允许用户终端同时从一个运营商的一个或者多个网络切片获取业务，例如基于订阅关系或终端类型。

(2）运营商应可以根据不同业务场景的需求创建和管理不同的网络切片，网络切片之间是相互隔离的，应避免一个切片中的数据通信影响另一个切片提供的服务。

(3）运营商应授权第三方通过API接口创建并管理网络切片。

（4）5G系统应支持网络切片的扩容和缩容，同时不影响当前切片或其他切片提供的服务。

(5）5G系统应支持网络切片修改并尽可能不影响用户正访问的来自其他切片的服务，例如网络切片的增加、删除或更新功能、架构。

(6）5G系统应支持网络切片端到端（例如接入网和核心网）的资源管理。

(7）5G系统应支持在接入相同网络的UE间提供有效的用户面数据路径，包括通信过程中UE位置改变的情况。

(8）一个UE支持同时从一个运营商的一个或多个特定网络切片中获得服务。

(9）运营商可对网络切片进行操作和管理。

(10）运营商能够平行、隔离的对不同的网络切片进行操作。

(11）可以只对某个切片进行特定的业务安全保障需求，而不是对整个网络进行要求。

(12）网络切片需具备弹性容量，同时不会对别的切片产生影响。

(13）5G网络切片在不影响正在进行服务提供的切片条件下，可以进行新的切片创建、删除已有切片以及对切片功能进行更新和配置等操作。

(14）3GPP标准定义切片应当为用户提供在VPLMN中相关联的业务功能。如果没有相应的已定义的切片可以提供，用户需要被分配给一个默认的网络切片。

基于以上功能限制的网络切片的具体实现及分析，将在下一章内容中进行描述。

4 基于NFV及SDN的5G网络切片实现及性能分析

根据第3章3GPP对5G网络切片的功能要求描述，我们将进一步分析网络切片的实现及性能分析。

4.1 基于NFV/SDN的网络切片实现和网络架构

IMT-2020系统与4G的区别不仅体现在无线网络技术方面，同时也在极大的提高系统灵活性上。这种端到端的灵活性，将在很大程度上是从软件纳入到每个组件。众所周知的技术如SDN、NFV和云计算将在IMT-2020系统中展现前所未有的灵活性。

4.1.1 NFV软硬解耦及动态伸缩特性为5G切片的实现基础

实现5G新型设施平台的基础是NFV和SDN技术，NFV通过软件和硬件的分离，为5G网络提供更具弹性的基础设施平台，组件化的网络功能模块实现控制功能的可重构。NFV使网络功能与物理实体解耦，采用通用硬件取代专用硬件，可以方便快捷地把网元功能部署在网络中任意位置，同时对通用硬件资源实现按需分配和动态伸缩，以达到最优的资源利用率。

切片之间的隔离可以分为硬件隔离或者软件隔离来实现。在虚拟化平台上切片隔离可以基于NFV技术实现，即通过NFV-MANO为不同切片分配不同的虚拟资源，不同切片的虚拟资源即可以共享相同的物理设备上，也可以分配在不同物理设备上。通过NFV技术可实现未来网络切片的安全、隔离方面的特性包括：

（1）数据存储的安全隔离。

(2）通过控制数据访问、保护剩余信息，来保证存储数据的可靠性。

(3）同一物理机上不同虚拟机之间的资源隔离，避免虚拟机之间的数据窃取或恶意攻击，保证虚拟机的资源使用不受周边虚拟机的影响。终端用户使用虚拟机时，仅能访问属于自己的虚拟机的资源（如硬件、软件和数据），不能访问其他虚拟机的资源，保证虚拟机安全隔离。

(4）网络传输的安全隔离。

(5）通过网络平面隔离、保障不同网络平面之间需通过防火墙、传输加密等手段互通。

(6）不同租户之间所有配置信息相互隔离，包括虚拟机规格、虚拟机网络、私有镜像等。不同租户创建的虚拟机规格、虚拟机网络、私有镜像，可能带有各自的私有描述信息、版权程序、私有文件等，如果共享可能导致信息泄露。

4.1.2 SDN增加5G网络灵活性，基于SDN的网络是5G网络切片的实现引擎

软件定义网络（Software Defined Network，SDN）的基本思路是通过将网络设备的控制面与转发面分离，实现网络功能的可编程和集中转发控制，随着以OpenFlow技术为代表的SDN方案的提出，SDN已成为数据中心和电信网络的热点研究课题。SDN架构具有灵活、动态、支持各种业务需求的特性，可实现控制功能和转发功能的分离，通过网络控制平台从全局视角来感知和调度网络资源，实现网络连接的可编程。

SDN架构允许一个SDN控制器管理大量数据层资源。大量不同数据层的存在，SDN提供一种可能性来统一、简化不同资源的配置工作。SDN网络虚拟化技术不仅可以有效地增强网络资源的共享，而且可以使网络控制变得更加灵活和智能，主要体现在：

（1) 通过网络设备控制与转发的分离，使网络设备控制面可以更集中。通过控制面的统一的路由策略调度可以更灵活的调整网络拓扑和转发路由，从而简化IP网络的运维。

（2) 分离后的转发面更简单，容易标准化，可提升转发性能。

（3) 通过开放的API，使运营商可以通过业务编排更方便的提供网络服务或通过引入第三方应用来提升网络的增值能力。

图2 基于SDN网络的端到端网络切片架构

5G系统通过SDN技术能获得极大的灵活性及可编程性，灵活的网络架构有助于网络切片的部署，并且通过端到端的SDN架构进行实例化：

（1）网络切片可以根据需要根据任何标准来完成定义，并通过SDN架构实现业务实例化。

(2）NGMN将网络切片描述为彼此隔离的网络资源，而SDN架构支持通过客户端协议以地址、域名、流量负载等方式来实现资源隔离。

(3）5G网络的部署和商用将是一个漫长过程，而SDN技术是实现4G网络逐步演进并与5G网络共存的关键技术之一。

如图2所示，部署于SDN架构上的端到端网络切片逻辑架构：通过SDN网络，动态、灵活的实现网络切片的实例化，以及切片管理器对网络切片的生命周期管理。

4.2 基于NFV/SDN的网络切片性能分析

网络切片技术主要基于NFV和SDN技术实现：NFV利用虚拟化技术，通过NFVO为网络应用分配所需的虚拟资源，并将应用自动部署到虚机上；SDN利用控制和转发理念，将网络控制能力集中到SDN控制器上，由Controller来统一控制每种业务的转发路径，保证每种业务都能得到相应的QoS保障。

而通过网络切片技术，获得的网络性能也是显而易见的，主要体现在如下几个方面。

4.2.1 切片实现差异化的SLA

为了满足不同业务场景下的用户体验，NGMN给出了目前业界认可的八大场景及其相应的端到端系统性能指标，具体如表1所示。

对于各种不同SLA指标的业务类型，若针对每一种都建立相应的网络去满足业务需求，高额的网络成本势必严重制约业务发展；若所有业务均承载在相同的基础设施上，QoS差异化的各类业务将会互相干扰。通过5G的网络切片技术，以上问题均能得到解决：网络切片通过对计费、策略控制、安全、移动性、性能、隔离性等功能的不同要求，将终端通过一种基于订阅的方式满足运营商或用户需求，将终端引导到合适的切片。

图3显示，根据不同的时延、可靠性、速率等SLA用户指标，可将公共切片及个性切片的功能进行组合，为客户提供差异化服务。

4.2.2 切片降低网络复杂度

2G/3G/4G系统中，由于不同的网络功能之间具有极大的相互依赖性，任何一种类型的通信业务都需要路由经过固定的网元，导致各网元之间功能重复、网络复杂度高，如图4所示。5G时代网络切片技术，通过NFVO等统一配置的网络功能，可保证每个网络切片仅包含根据服务类型定义的所需的网络功能。切片之间功能互不影响，自动的功能部署增加业务部署的TTM（Time To Market），并且由此获得的网络复杂度降低，将给运营商带来更加简单的网络配置和操作流程。

5 结论

图3 按SLA对不同的业务类型进行切片划分

表1 NGMN中5G业务KPI指标

图4 网络切片降低网络复杂度

4G方兴未艾，移动通信技术和产业将进入5G第五代移动通信技术的发展阶段。5G技术将满足人们超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性的需求。为用户提供高清视频、虚拟现实、增强现实、云桌面、在线游戏等极致业务体验。通过虚拟化（Virtualization）和软件定义网络（SDN）我们可以设计出适应高带宽需求的灵活和可扩展的5G网络，形成资源开放、适宜开发新业务的架构，而使其与4G网络相比更适合新业务和新应用创新。为实现未来极富多样化的用户及网络性能指标，文章对业界公认的未来5G关键技术网络切片关键问题进行了研究。在对网络切片概念、特征、未来功能要求等方面分析的基础上，探讨了5G基于NFV及SDN技术的网络切片网络架构及性能。为5G网络切片的进一步研究提供参考。

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[8] K. Zhu, E. Hossain. Virtualization of 5g cellular networks as a hierarchical combinatorial auction [J] CoRR, vol. abs/1511.08256, 2015.

Key issues of future 5G network slicing technology

YUE Qiu, XIAO Zi-yu, YANG Xiao-le
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

5G is a wide band, ubiquitous, intelligence, integration and green energy network. It will meets the demand of ultra-high traff i c density, high connection density and high mobility. In the core network, the key technologies will be based on the achievement of NFV and SDN. To achieve highly diverse user and network performance, the recognized the key 5G network technology of slices are studied in the paper. Based on the analysis of slices concept, features, the future functional requirements, the paper discusses the network slices architecture and performance in view of NFV and SDN.

network slicing; 5G; NFV; SDN

TN929.5

A

1008-5599（2017）05-0045-06

2016-09-21