5G网络切片对业务场景的支持与发展现状

宋 熠，杜诗雨



5G网络切片对业务场景的支持与发展现状

宋 熠1，杜诗雨2

（1. 中国电信上海号百信息服务分公司，上海 200050；2. 北京邮电大学 网络技术研究院，北京 100876）

业务场景的多样化对移动通信技术提出了更高的要求，通信业界提出的网络切片概念，可以基于统一的物理基础设施和共享网络资源来满足不同的业务需求，成为构建理想5G网络架构的基础。本文主要介绍5G网络切片的基本概念和功能框架，5G网络切片技术对业务场景的支持，如可用性和弹性、安全性、全球性等，以及网络切片的发展现状。

网络切片；5G；业务场景支持；发展现状

0 引言

概括而言，每更新一代移动通信技术都需要承载更加多样化的业务需求，支持更多元的设备类型，应用于越来越丰富的场景。预计到2020年，移动网络的主要需求不仅包括目前第四代移动通信系统（4G）已经支持的智能手机、平板电脑和视频流等，还面临大量的数据、异质设备和高数据速率以及新型无法预测的应用[1]。因此，在4G发展方兴未艾之时，关于第五代移动通信技术（5G）的研究已经在全世界范围内广泛开展。

在第3代合作伙伴计划（3GPP）会议上为5G网络定义了三大应用场景：（1）增强移动带宽（Enhanced mobile broadband，eMBB），对数据速率和带宽有较高的要求，对应于超高清视频等大流量业务；（2）超高可靠超低延时通信（Ultra-reliable low-latency communications, URLLC），要求超低延迟和超高的可靠性及可用性，对应于无人驾驶、工业自动化等业务；（3）大规模物联网（Massive Machine Type Communications，mMTC)，要求较低带宽、高连接密度、增强覆盖范围以及用户端的低能耗，对应于大规模物联网业务。因此，未来5G网络面临着大量差异性的服务类型，而现有的移动网络架构是为语音通信以及常规的MBB（Mobile broadband）业务而设计的，将所有的服务提供给网络中的每台设备。人们普遍认为，5G将触及未来世界的方方面面，提供全方位的以用户或以服务为中心的全面互联[2]，上述4G网络架构方案不足以支撑5G时代的多业务场景，需要考虑新一代的移动通信网络架构来支持。

在大量差异化场景需求的驱动下，通信业界提出的网络切片概念已成为构建理想5G网络架构的基础。网络切片可以基于统一的物理基础设施和共享网络资源来满足不同的网络需求，被认为是为特定网络功能提供多个独立运行实例的关键范例[3]。而5G网络切片允许在同一基础架构下，根据特定的服务需求，实例化多个独立且专用的网络切片实例，在网络切片实例上运行对延迟、可靠性、带宽、连接密度、移动性等有完全不同要求的服务[4]。未来的网络通过网络切片从“one size fits all（一种架构满足所有网络要求）”向“one size per service（每个网络切片架构支持一种服务）”过渡，解决了仅由3GPP现有各个版本的升级所造成的网元众多、接口复杂、灵活性不足以支撑5G时代的多业务场景的问题。

本文将主要对5G网络所使用的网络切片的基本概念和功能框架、网络切片技术对业务需求的支持和网络切片的发展现状进行论述。

1 5G网络切片的基本功能框架

网络切片的目标是为特定用例按需提供业务处理功能，并避免其他不必要的功能，这种灵活性为服务提供商和服务使用商带来了更多的机遇，在扩大现有业务的同时创建新的业务模式，为第三方业务提供商等分配一定的权限，使其可通过API控制切片，实现定制化服务。

基于网络切片的5G网络架构将从根本上改变传统的网络规划和部署模式。根据下一代移动网络（NGMN）5G白皮书[5]，5G网络切片由5G网络功能和特定的RAT（Radio Access Technology，无线接入技术）设置组成，这些网络功能和其相应配置针对特定用例或业务模型组合在一起，通过灵活设计功能、隔离机制和网络运行等，形成一个完整的逻辑网络。对于5G网络的每一个网络切片，功能是有差异的，比如目前的移动网络中一些非常重要的功能，在特定的网络切片中是不需要的。

5G网络切片分为服务层（Service layer）和基础设施层（Infrastructure Layer）[6]，如图1所示。服务层是整个系统的逻辑层面，由网络功能和网络功能间的连接关系组成，将网络功能抽象成图中的顶点，并通过网络功能间的逻辑关系连接。基础设施层包含服务层中所需的资源，根据服务层场景的需求确定所需资源的数量，包括逻辑资源和物理资源。其中，物理资源包括用于计算、存储和传输等的资源，逻辑资源是物理资源的分区，或是一组网络功能共享的多个物理资源的分组[7]。网络切片可看作是物理基础设施上服务层的实现。

图1 5G网络切片实例示意

图2展示了在同一物理基础设施上同时运行的多个网络切片实例。例如通过在网络上设置全面的功能来实现典型的智能手机使用的网络切片。而对于自动驾驶场景下的网络切片，需要考虑安全性、可靠性和延迟。为支持此类网络切片，所有必要的（或可能专用的）功能都可以在云边缘节点上实例化，因此需要足够的开放接口来支持垂直应用程序的实现。对于支持大规模机器类型设备（如传感器）的网络切片，移动性的配置则可以省略，只需要配置一些基本的控制面的功能。

2 5G网络切片如何应对业务需求

多变的业务需求，尤其是垂直行业的业务需求对5G网络切片提出了大量的要求[8]，主要分为三个类别：（1）性能要求，包括延迟、吞吐量、上行链路、下行链路、可用性和弹性、服务连续性、可靠性以及覆盖范围要求；（2）功能要求，包括安全管理、身份管理（涉及设备和用户身份的管理）、用户设备安全性（支持识别和验证设备）以及隔离功能；（3）运行要求，包括资源分配、提供API、垂直业务核心要求的服务保证、计费管理和全球运营等。这里主要介绍网络切片对可用性和弹性、安全性以及全球性的支持。

图2 在同一基础设施上实现的网络切片

2.1 网络切片对可用性和弹性的支持

对于用户的移动性、用户数量的增减以及业务需求的变化，网络需要可以依靠高可用性和弹性来支持。在传统的单一网络中，所有的服务采用相同的方法和标准来提供，这就导致对一些服务来说所制定的标准过高，而对于另一些服务来说，尚不能达到其对可用性和弹性的要求。通过网络切片技术，能够实现网络资源的逻辑和物理上的分离，并基于资源的定制，实现逻辑上的灵活组网。ITU-T认为网络切片是由多个虚拟资源组成的逻辑隔离网络分区[9]，在业务需求和用户数量等出现变化时，网络切片可以实现弹性和灵活的扩展，比如在必要时，将一个网络切片和另一个网络切片进行融合，以及时支持用户的动态业务需求。不同的网络切片可以具有不同的级别，甚至不同类型的可用性和弹性，而不需要面向同一个标准。但是高可用性和弹性以更多的资源为代价，意味着更高的成本。

2.2 网络切片对安全性的支持

网络切片千变万化，5G网络应能确保在任何情况下对端到端网络的控制和安全操作。5G 安全机制除了要满足基本通信安全要求之外，还需要为不同业务场景提供差异化安全服务，以适应多种网络接入方式及新型网络架构，保护用户隐私，并支持提供开放的安全能力[10]。通过网络切片，网络功能和资源可以在更高的程度上被隔离和保留，以保证不同应用所需要的安全性。比如对于要求数据高度安全、需要隔离的用户，服务提供商创建逻辑分离的网络切片，用户可将此网络切片视为专有的物理网络来使用。网络切片还可以通过以下三种方式来保证安全性。

（1）网络切片可以切断与互联网的关联，并连接到专有的VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网络）；

（2）特定的网络切片可以配备更高级别的安全保护，例如配置企业级防火墙；

（3）由于每一个网络切片具有自己的逻辑网络功能，因此会有更少的攻击媒介。

2.3 网络切片对全球性的支持

从移动运营商的角度来看，实现网络切片的技术对用户而言是透明的，移动运营商需要保证用户在当前网络下的分类服务。如果当用户的位置发生改变时，网络切片无法得到受访网络的资源，那么服务会出现中断。因此在漫游场景下应该实现无缝切换，保证服务的连续性，使网络切片能够进行全球扩展。

从技术角度来说有三种方式可以实现网络切片的全球性[11]。

（1）如图3所示，国际上定义并支持一套通用的标准化切片，受访网络向移动的用户提供与其当前使用的网络切片功能相同的切片。此方式主要分为两步：第一，移动设备漫游到受访网络；第二，在受访网络中使用功能相同的实例化、标准化的切片。

图3 使用通用的标准化切片

（2）如图4所示，当前服务提供商输出用户使用的定制化网络切片，使其可以在受访网络中进行实例化并被管理。此方式主要分为三步：第一，当前服务提供商输出自定义切片模版；第二，移动设备漫游到受访网络；第三，受访网络实例化并管理相同的网络切片模版。

图4 输出用户使用的定制化网络切片

（3）如图5所示，网络切片具有受访网络分配的控制权限，可以由当前网络扩展到受访网络。此方式主要分为三步：第一，移动设备漫游到受访网络；第二，当前网络请求控制受访网络的权限；第三，移动设备可以在受访网络中使用与当前网络中相同的网络切片资源。

3 5G网络切片发展现状

网络切片技术的提出促进了5G网络架构的设计与实现，3GPP、NGMN、GSMA（全球移动通信系统联盟）等不同标准化组织均对网络切片展开了深入的研究并取得了一定的成果。除此之外。中国和国外各家运营商以及设备制造商也在进行紧密的研究，推出5G网络切片的实现和管理方案，发表了有关网络切片的白皮书。

图5 扩展网络切片

2017年2月，在中国移动、华为和德国电信联合发表的《5G服务保证的网络切片白皮书》[12]中，提出了两个服务保证的网络切片愿景。其中愿景一提供有保证的性能，以满足垂直行业的基本服务要求，愿景二提供个性化的服务，以保证垂直行业的竞争力。该白皮书认为5G网络切片技术的实现需要整个5G移动通信系统体系结构的本地支持，如图6所示，包括基础设施层、网络切片层和网络管理层。基础设施层提供物理和虚拟化资源，例如计算资源、存储资源和连接。网络切片层，提供必要的网络功能、工具和机制，通过网络切片实例（Network Slice Instance，NSI）形成端到端的逻辑网络。网络管理层包括通用的业务支撑系统（Business Support System，BSS）/运营支持系统（Operations Support System，OSS）和网络切片管理（Network Slice Management，NSM）系统，用于管理网络分片和保证服务等级协议（Service Level Agreement，SLA）的要求。

2017年9月，在爱立信、华为和诺基亚联合发表的《面向垂直行业的网络切片技术白皮书》[8]中，提出5G将提供一个行业垂直优化平台，利用云平台、分析技术、系统自动化和网络切片技术以及新的业务模式满足垂直行业的需求。该白皮书认为网络切片技术将在接入网、传输网和核心网中，改变网络结构的设计方式。在接入网中，从较低级别的频谱到较高级别的协议栈，都可以进行切片和定制，以支持特殊的性能要求，如可以为超高可靠超低延时通信设计和优化协议栈。在传输网中，可以通过资源共享（例如虚拟化）或专用资源（例如为公共安全服务提供的网络切片专用端口）来实现隔离。对于核心网，可以根据垂直行业的要求提供定制的网络功能，例如为mMTC实现简单的移动管理，而为高速行驶的汽车行业提供复杂的移动管理。图7展示了该白皮书中网络切片为解决不同垂直行业要求所设计的不同解决方案。

图6 保证网络切片实现的系统架构

除此之外，各大设备厂商积极将理论投入实践，为5G网络切片技术的发展提出了可选的技术方案，开发出测试网络切片可行性的设备，并验证网络切片的可行性以及相关的性能。

比如，爱立信作为全球5G的引领者，在研究和完善网络切片技术的同时，与全球领先的运营商合作，设计网络切片原型，验证网络切片的性能。2015年，爱立信携手SK电讯开发部署网络切片原型设备，并成功演示了5G网络切片应用，该演示创建了面向超多视点、增强现实、虚拟现实、大规模物联网以及企业解决方案等业务优化的虚拟网络切片。2016年，爱立信和日本运营商NTT DoCoMo进行了5G核心网动态网络切片技术的联合概念验证，展示了如何将一个物理网络虚拟化划分为多个能同时共存的逻辑网络，并能通过同样的基础设施提供单独的服务。其中NTT DoCoMo公司设计了网络切片和选择函数，而爱立信提供了管理切片网络服务提供和生命周期的技术。

图7 网络切片对垂直行业的解决方案

网络切片技术在面向特定领域场景下也不乏实践。中国移动和诺基亚一直以来在5G产业化和行业化方面保持着紧密合作。在2017年的世界移动大会上，诺基亚与中国移动联合展示了基于独立5G端到端网络技术的电子医疗（eHealth）解决方案。在该解决方案中，数据传输通过诺基亚的Airscale平台5G空口实现，利用基于5G核心网的云架构，以及端到端的网络切片、控制面/用户面分离和集成数据层等技术，提供高传输速率和低延迟性能，保证电子医疗的实效性和可靠性。时隔一年，在2018年的世界移动大会上，中国移动和诺基亚推出新的研究成果，展现了5G网络切片在工业自动化领域的应用。

4 结语

网络切片作为5G的核心技术，根据业务需求灵活组网，降低了对网络的依赖性，实现了对资源的定制和隔离，并保证了性能要求。通过5G网络切片技术，可实现多种方案以应对丰富的业务需求。现阶段，运营商和设备制造商通过原型开发和试验部署证实了5G网络切片技术可用于医疗、工业制造等领域，并不断探索更丰富的用例。我们可以看到，5G正迈着矫健的步伐向前推进，5G真正走入我们生活的美好愿望也即将实现。

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Support for Business Scenarios and Development Status of 5G Network Slicing

SONG Yi1, DU Shi-yu2

(1. Shanghai Best Tone Information Service Branch Of China Telecom, Shanghai 200050; 2. Institute of Network Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876)

The diversification of business scenarios has put forward a higher demand for mobile communication technology. The concept of network slicing proposed by the communications industry can be based on a unified physical infrastructure and shared network resources to meet different business requirements and become the basis for building an ideal 5G network architecture. This paper mainly introduces the basic concepts and functional framework of 5G network slicing, the support of 5G network slicing technology to business scenes, such as availability and resilience, security, global operation, and the development status of network slicing.

Network slicing; 5G; Support for business scenarios; Development status

TN915.09

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.08.032

宋熠(1978-)，男，工程师，主要从事电信呼叫网络建设，以及5G网络研究和规划；杜诗雨(1995-)，女，研究生，主要从事新一代电信网技术的研究。

本文著录格式：宋熠，杜诗雨. 5G网络切片对业务场景的支持与发展现状[J]. 软件，2018，39（8）：156-161