5G网络切片技术的应用与分析*

2018-01-27黄旭

通信技术 2018年9期

黄旭

（南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京 210003）

0 引言

1 网络切片技术的定义与研究进展

随着互联网的高速发展，世界对于互联网的要求越来越高，相应的互联网应用也越来越丰富。5G时代的到来，出现了不同应用场景和差异化的业务需求。不同的应用场景对应不同的网络需求，为满足这些需求，5G网络通过对实际网络的资源和功能进行划分，形成了不同的网络切片。每个切片可以被看作是一个逻辑网络，是实现网络灵活性和可扩展性的关键技术之一，在提高网络安全性的同时，降低了网络运营投资成本。

1.1 网络切片技术的定义

网络切片[1]是将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端网络，每个虚拟网络之间（包括网络内的设备、接入、传输和核心网）是逻辑独立的，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响其他虚拟网络。依据应用场景可将5G网络分为3类：移动宽带、海量物联网和任务关键性物联网。由于5G网络的3类应用场景的服务需求不同，且不同领域的不同设备大量接入网络，这时网络切片就可以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，从而满足不同的需求。

1.2 网络切片技术的研究进展

1.2.1 国外网络切片技术的发展

全球范围内有很多5G论坛和研究项目组，最先开始在5G领域进行研究的项目是METIS。该项目于2011年在欧洲开展，是欧盟第一个完整的5G项目，并对全球的5G发展产生了深远影响[2]。METIS项目的原始诉求是为全球的5G研究建立参照体系，包括确定5G的应用场景、测试用例和重要性能指标。目前，这些成果被商界和学术界广泛应用，主要成果是筛选了5G的主要技术元素。欧洲通过该项目在5G的研发方面获得了明显的领先地位。

随后，欧盟继续开展了5G-PPP项目、5GNOW项目，主要研究内容包括蜂窝系统的场景和需求、5G无线接入体系概念、候选波形技术选择和高级MAC技术概念等。

1.2.2 我国网络切片技术的发展

如今，中国作为世界第二大经济体，不仅促进了中国国际地位的提升，而且在各个行业都有了更大的发言权。“3G跟随，4G并跑，5G引领”，说明中国在整个通信行业角色和地位的变化[3]，而中国通信行业的研究为5G标准的形成贡献了重要的理论依据和技术支持。在独立组网标准形成过程中，中国移动在3GPP担任了下一代网络架构研究、5G系统架构标准的项目负责人工作。在全球相关行业的支持下，牵头完成了5G新核心网5GC从研究到标准化的艰巨工作。标准化中，中国移动主导提出了基于服务的5G网络架构（SBA），是5G独立组网的基础架构，且还牵头推动了网络切片架构、用户数据融合架构等工作，并在功能软件化、C/U分离、边缘计算方面发挥了重要的推动作用。

我国于2013年2月成立了IMT-2020（5G）推进组[4]，组织国内的企业和高校等成员开展5G的研发和产业推进，成为聚合移动通信领域产学研用力量、推动第五代移动通信技术研究、开展国际交流与合作的基础工作平台。

2016年，启动5G技术研究试验；2018年，多地开展5G试点；2018年5月17日，世界电信和信息社会日，工信部、国资委联合发布《关于深入推进网络提速降费加快培育经济发展新动能2018专项行动的实施意见》[5]，明确2018年将加快推进5G技术产业发展，促进5G和垂直行业融合发展，为5G规模组网和应用做好准备。

网络切片技术已经被通信行业广泛认为是5G的重要创新技术，全球多个运营商、设备商均致力于研发端到端网络切片技术，包括接入网、传输网和核心网，拓展基于5G网络切片技术的创新应用，如智能制造、智能电网。

此外，能源、工业、汽车、媒体娱乐等多个垂直行业也逐渐提出对5G网络切片的性能、隔离性等需求，积极参加到3GPP、IMT-20205G推进组等通信行业组织中，参与网络切片的标准制定和产业推进。但从标准发展来看，5G网络切片的一阶段标准已于2018年6月完成，传输网支持网络切片的标准预计在2018年年底完成。

在IMT-2020（5G）推进组5G技术第二阶段测试中，对基于NFV平台的切片功能进行了系列测试。第三阶段测试将更侧重于系统验证，对网络切片开展面向5G新业务的进一步测试验证。

2018年6月14日，3GPP全会批准了第五代移动通信技术标准（5G NR）独立组网功能冻结[6]。独立组网标准冻结让5G确定了全新的网络架构和核心网，将让网络向IT化、互联网化、极简化、服务化转变。其中，在服务化上，5G从通用化服务转到个性化、定制化服务，代表性技术是网络切片和边缘计算。网络切片提供定制化、逻辑隔离、专用的端到端虚拟移动网络（包括接入网、核心网），是5G面向垂直行业实现服务可保障的基本技术形式。边缘计算将网络的功能应用靠近用户部署，使得极致的低时延、本地特色应用成为可能，是5G满足如智能工厂等垂直行业业务需求的重要基础。

同时，在无线侧，5G NR为设计、架构、频段、天线四方面带来新变化。5G系统的连续广域覆盖，不但保证了高移动性场景下的用户体验和海量设备的连接，还是物联网发展的推进器，亦是提供用户所需的连接灵活性、提供驱动标准物联网构建模块通信所需的核心工具。

SA功能冻结不仅使5G NR具备了独立部署的能力，也带来了全新的端到端新架构，意味着5G可以正式步入商用阶段。

2020年，5G将全面投入商用。中国5G正按照规划时间表有序发展，并走在世界前列。

2 网络切片的资源管理方法

网络切片管理在5G中至关重要。运用虚拟化技术，可以对网络切片资源的生命周期进行管理。每个网络切片的生命周期可以分为5个阶段，重点介绍设计、编排和运营3个阶段。

2.1 设计阶段

设计阶段又包括切片设计和商业设计。切片设计过程中，设计人员按照特定业务需求选择相应的特性，如利用功能、时延、安全性等标准，设计切片模板。可以针对不同业务客户的独特服务需求进行量身定制，实现切片的按需设计。商业设计是指网络切片模板的生成过程。首先，网络切片管理功能提供方为网络切片需求方提供切片编辑工具和标准化模板。模板中主要包括结构和配置的描述，还包括如何进行实例化和控制网络切片实例。基于此，设计人员选择相应的功能组件，以满足需求方所需业务的要求，生成内部的网络拓扑，并确定各部分之间的交互协议。此外，要结合承载的业务特点设定相应的安全性和可靠性要求，并考虑业务体验，以保证为其划分的资源规模能达到性能指标。

2.2 编排阶段

在购买网络切片模板后进入到编排阶段。这个阶段中，切片管理器解析模板配置，为其之后创建切片获取所需的逻辑资源。同时，对这些资源进行逻辑隔离，以保证其与其他网络切片对应的资源彼此独立。编排过程是一个自动化过程，一个切片模板可进行多次编排，即可以生成多个网络切片实例。

2.3 运营阶段

运营阶段，网络切片运营方可以通过切片管理器提供的接口进行动态管理。通过该接口，对资源、性能等进行监控，及时进行维护、升级和调整。此外，可以根据所需的特定要求对网络切片进行二次开发。

3 网络切片的分类及应用

网络切片可以看作是一个完全实例化的逻辑网络，可以满足服务实例要求的功能或特性，如超低时延、可靠性等。不同的场景对网络有不同的要求，有些甚至会产生冲突。如果使用单个网络为不同的应用场景提供服务，可能会导致复杂的网络架构、低效的网络管理和低效的资源利用。5G网络切片技术为不同的应用场景提供隔离的网络环境，使不同的应用场景可以根据自身要求定制功能与特性。5G网络切片的目标是结合终端设备、接入网资源、核心网资源、网络运营和维护管理系统，为不同的业务场景或业务类型提供独立、隔离和集成的网络。

3.1 网络切片的2种形式

3.1.1 独立切片

拥有独立功能的切片，包括控制面、用户面及各种业务功能模块，为特定用户群提供独立的端到端专网服务或者部分特定功能服务[7]。

3.1.2 共享切片

共享切片即资源可供各种独立切片共同使用的切片。共享切片提供的功能可以是端到端的，也可以提供部分共享功能。

3.2 端到端网络切片

3.2.1 空中接口的网络切片

空中接口的网络切片概念是指对物理无线电资源进行适当划分，将其映射到逻辑资源，并且基于逻辑物理资源创造媒体访问控制和更高层的操作。

3.2.2 无线接入网的网络切片

考虑到切片的特殊性，无线接入网中的网络切片描述了控制平面和用户平面的优化配置。此外，还需要研究两个方面。

（1）无线接入类型。它支持由切片提供的服务。

（2）无线接入网功能的正确配置。它适用于基于需求的每个切片中的合适的单元部署。基于QoS需求、通信负载或通信类型等因素，RAN体系结构对于每个切片应做出适当的调整。例如，由于RAN配置，每个切片使用不同类型的单元：切片1只使用宏单元；切片2只使用小单元；切片3使用宏单元和小单元。在其他场景中，切片1可以使用宏单元和小单元，而切片3只使用小单元。

3.2.3 核心网中的网络切片

由于网络功能虚拟化和软件定义网络两种技术，核心网络中的网络切片是可能的。软件定义网络的目的是将控制平面和数据平面分离。此外，控制平面应该通过API来编程，以引入管理的灵活性。支持SDN类平面分离是5G核心网络体系结构的主要原则之一，因为它允许：

（1）数据和控制资源的独立调整；

（2）数据平面更接近用户设备；

（3）适当选择不同切片所需的数据平面功能。