5G网络切片及其应用

【摘  要】为探讨5G网络切片应用，首先介绍了5G网络切片架构和网络管理与编排的基本概念，然后分析了5G网络切片如何满足垂直行业多样性需求，最后以自动驾驶和工业4.0为例，阐述5G网络切片对垂直行业应用的支持。

【关键词】网络切片;编排与管理;网络切片用例

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.12.005      中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2019）12-0027-05

引用格式：于佳. 5G网络切片及其应用[J]. 移动通信， 2019，43（12）： 27-31.

5G Network Slicing and Its Applications

YU Jia

（Guangdong Southern Planning & Designing Institute of Telecom Co.， Ltd.， Shenzhen 518038， China）

[Abstract] To discuss the applications of 5G network slicing， this paper first introduces the architecture of 5G network slicing， as well as network orchestration and management; and then analyzes how the capability of 5G network slicing can meet the diverse demands of vertical industry. Finally， using automatic drive and industry 4.0 as examples， this paper shows the support of 5G network slicing to vertical applications.

[Key words]network slicing; orchestration and management; NS use case

0   引言

5G网络将会满足高度移动和全面连接社会的要求。随之带来的连接对象和设备总量的激增，将会为各种新型服务和相关业务模式铺平道路，从而在能源、电子医疗、智能城市、联网汽车、工业制造等各行各业中实现自动化和智能化。除了更普遍的以人为中心的应用（如虚拟和增强现实，4k视频流等），5G网络还将支持机器对机器（Machine-to-Machine，M2M）和机器对人类（Machine-to-Human，M2H）应用的通信需求，将会为人类生活带来更多的安全和方便。与现存的人与人之间的通信相比，自动通信的设备之间创建的移动数据必将具有明显不同的特征。人类中心和机器类型应用的共存要求5G网络必须支持非常多样化的功能，并满足多维度的关键性能指标（KPI）。

为了满足上述需求，需要5G网络整体架构具有极大的灵活性。因此3GPP在5G网络架构设计中引入了网络切片技术，通过向运营商提供“面向客户”的按需网络切片功能来满足垂直行业对专用电信网络服务的多样性需求。

本文首先介绍了5G网络切片架构，然后介绍了5G网络切片编排与管理的核心概念，最后，在此基础上分析了5G网络切片对垂直行业的支持，并介绍了两中典型用例。

1   5G网络切片

1.1  5G网络切片架构

传统的移动通信系统（如4G）在相同的网络架构（4G网络对应LTE/EPC架构）上托管有限的几种电信服务，如移动宽带、语音和短信。与此不同，网络切片旨在根据eMBB、V2X、uRLLC、mMTC等不同业务类型的特点构建定制化的专属逻辑网络。此外，传统移动通信系统采用硬件、软件和功能紧密耦合的单片网元。相比之下，5G架构通过利用不同的资源抽象技术将基于软件的网络功能与底层基础设施资源分离。例如，网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）等软件化技术可对波分复用技术（WDM）或无线资源调度等众所周知的资源共享技术进行补充。NFV和SDN允许不同的租户共享相同的通用硬件设施，例如COTS（Commercial Off The Shelf Servers）服务器。这些技术可以在公共共享基础设施之上构建完全解耦的端到端逻辑网络。

在3GPP 5G系统架构的范围内，网络切片指的是3GPP定义的网络特征和功能的集合，这些特征和功能能够形成完整PLMN，可用于向用户提供端到端网络服务。运营商可通过网络切片技术在共享的基础设施上构建多个逻辑上相互独立的PLMN，其中每个PLMN针对其服务的用户集群或业务客户的诉求对所需的网络特征、能力和服务等进行实例化，从而实现PLMN的定制化配置。图1表示了一个PLMN内部署4个网络切片的示例，其中每个切片都包含了形成完整PLMN所需的全部内容。网络切片#1和切片#2都用于智能手機服务，这表明运营商可以部署具有完全相同系统特征、能力和服务的多个网络切片，但是分别针对不同的业务分组，每个切片可能在用户接入数量和数据容量上有所不同。切片#3和切片#4表明，可以在所提供的系统特征、能力和服务上对网络切片之间进行区分。例如，M2M网络切片（切片#4）可以提供适用于物联网的终端省电功能，但这一功能必然会导致较大的延迟，这对于智能手机应用来说是不可接受的。

图1    网络切片部署举例

图2展示了3GPP网络切片的更多细节。在图中，网络切片#3属于直接部署，其中所有网络功能仅服务于单个网络切片。网络切片#1和切片#2说明了一个用户终端如何从多个网络切片接收服务。在这样的部署中，AMF、相关策略控制（PCF）和网络功能服务存储库（NRF）被多个网络切片共用。这是因为每个用户终端仅维护一个访问控制和移动性管理实例，该实例负责用户终端的所有服务。用户终端可以通过多个独立的网络切片获得用户面服务（特别是数据服务）。图中的切片#1为用户终端提供来自数据网络#1的数据服务，而切片#2提供来自数据网络#2的数据服务。网络可以根据不同的QoS数据服务或者不同的应用功能等定制每个网络切片，网络切片的具体特性和能力由策略控制框架确定。

1.2  网络切片实例

网络切片是通过网络切片实例（NSI， Network Slice Instances）来实现的。NSI中接入网、核心网和传输等不同组成部分又被分为网络切片子网实例（NSSI， Network Slice Subnet Instance），其中NSSI的生命周期可独立于NSI。图3提供了一个由多个NSI提供不同通信服务实例的示例。图中说明一个NSI可以为多个服务示例提供支撑，如NSI A可同时服务于通信服务实例1和通信服务实例2;反过来，一个服务实例也可以接收多个NSI的服务，如通信服务实例2接收来自NSI A和NSI B的服务。

图3    多个NSI提供不同通信服务实例示例

2   5G网络切片编排与管理

针对虚拟化的基础设施，5G网络允许切片实例在支撑该切片实例的基础设施资源上运营。租户（指切片实例的所有者）可以像操作物理基础设施资源一样对其虚拟基础设施进行操作，可将部分资源分配和转售给其他租户。这意味着，每个租户可以拥有和部署自己的管理和编排（MANO， Management and Orchestration）系统。为了支持递归，需要一组基于相同结构的应用程序编辑接口（API， Application Programming Interface）来为每个切片的管理提供一个抽象层，并对底层虚拟资源进行控制，其中底层虚拟资源对于租户正在操作的层级来说是透明的。不同的租户通过这些API请求网络提供切片服务。通过模板、蓝图或SLA，每个租户不仅可以指定切片特征（拓扑、QoS等），还可以指定一些扩展属性，例如所需的弹性、管理和控制级别。

网络切片实例的管理包含以下4个阶段。

（1）准备阶段：在准备阶段，网络切片实例不存在。准备阶段包括网络切片模板设计、网络切片容量规划、准备网络环境以及在创建网络切片实例之前需要完成的其他必要准备。

（2）调试阶段：调试阶段创建网络切片实例。在网络切片实例的创建期间，对满足网络切片要求所需的全部资源进行分配和配置。 网络切片实例的创建也可以包括网络切片实例组成部分的创建和/或修改。

（3）运营阶段：包括激活、监督、性能报告（例如用于KPI监控）、资源容量规划、修改和网络切片实例的去激活。

（4）退役阶段：在退役阶段，在共享资源中移除网络切片实例专属的配置，并按要求退出非共享资源中的专属配置。退役阶段之后，网络切片实例终止并不再存在。

上述4個阶段组成了一个网络切片实例的生命周期。

3   5G网络切片垂直行业用例

3.1  5G网络切片支持多样的垂直行业需求

垂直行业对连接和通信的需求可以分为3大类，包括网络性能需求、功能性需求和运营性需求。网络切片使运营商以更灵活高效的方式满足垂直行业用户的多样性需求。

（1）网络性能需求

◆延迟需求。不同的网络切片可以采用不同的网络功能和应用分布模型，从而优化网络拓扑以满足客户的需求。进一步地，这种优化拓扑还可以与基础设施级别的资源预留、分离路径等结合，加强服务质量的保障。在现有的单一架构的网络中，对一个客户的延迟保障通常是以牺牲其他客户的服务质量为代价，是在不同类型的服务之间的竞争和折中。

◆数据速率需求（上行和下行）。一般来说，数据速率提升依靠的是接入和基础设施层的技术革新。网络切片能够根据需求分配容量，对于有较大速率需求的应用，可以通过网络切片的方式为其分配较宽的用户面通道。这种灵活的分配方式能够显著提升资源利用率，从而促进了用户体验速率的提升。

◆可用性和适应性需求。高可用性和高适应性通常需要更多的网络资源，这也意味着高投资。在单一结构的网络中，所有服务必须以相同的方式使用网络。这意味着，有些应用获得的网络资源高于其真实需求，与此同时另外一些应用获得的网络资源无法满足其应用需求。 有了网络切片，不同切片可以有不同等级或类型的可用性和适应性，实现针对不同应用需求的网络资源定制化和优化。

◆可靠性需求。网络切片能够使网络功能和资源实现较高程度的隔离。尽管在现实中无法实现100%的可靠性，但网络切片确实可以带来较高水平的控制和预言。

◆覆盖需求。网络覆盖最终取决于基础设施的建设程度。但网络切片能够为资源调度和使用带来更高的灵活性，在一定程度上提高覆盖的质量。

（2）功能性需求

网络切片之间的隔离是一个相对的概念。这也意味着，网络切片的隔离程度是可以根据需求定制的，例如：

◆网络切片可以根据需求完全与互联网隔离，而只连接到私有VPN上;

◆网络切片可以配置更高级别的网络安全保障设备，例如公司级别的防火墙;

◆网络切片可以根据需求建立在独立的物理资源上;

◆由于网络切片建立在其自有的逻辑网络功能上，因此其“攻击向量”更少;

◆网络切片使用的数据可以与其他网络切片相互隔离。

由于网络切片是隔离的，因此在同一个网络切片可以使用多种资质形式或用户数据。这在单一结构的网络中会对通用基础设施和基于通用基础设施的服务带来安全威胁。

（3）运营性需求

网络切片的设计使其具备较高的隔离度。基于这一特性，用户可以很容易地实现对资源和策略的自管理，既有安全保障，又不会对其他用户产生影响。进一步，网络切片的功能可以高度定制化，使得一个切片内可以具备不同形式的服务保障能力，从而以一种简易的方式满足应用专属的需求。由于切片相互独立和隔离，每个切片的功能内容和资源可以有较大差异，进一步保障了针对客户需求的网络定制化。

相互隔離的网络切片使用独立的网络功能实例和计费系统，简化了面向客户和商业模式专属需求的定制化。而过去，这样的定制化需要消耗大量时间进行系统整合。

网络切片概念可以以不同的方式扩展到全球范围。一种方法是客户从多个服务提供商获得服务，每个服务提供商提供满足相同客户需求的不同网络切片。更简单的模式是一个服务提供商以一个网络切片在全球范围内为客户提供服务。这要求该服务商整合一系列相关合作方的服务，这些合作方以子供应商的身份为实现服务的全球性扩展提供支持。

3.2  垂直行业用例

5G将会是正在兴起的工业数字化领域中的重要技术之一，会产生或强化工业数字化用力，如沉浸式游戏、自动驾驶、远程机器人手术和利用增强现实进行维护和维修等。数字化、自动化和智能化等发展的必然趋势使得众多产业都面临着巨大挑战。5G系统将会为垂直行业提供高性能、高效益和高效率的解决方案。以自动驾驶和工业4.0为例，阐述5G网络切片对垂直行业的支持。

（1）自动驾驶

业界对车辆间通信的研究要远早于5G的相关研究。利用车辆内传感器（如照相机、雷达和激光）也可以实现自动驾驶。但是，5G提供的严格的低延迟高可靠传输可以将车辆通信带入下一个更高的等级，例如从辅助驾驶到协作自动化驾驶。

车辆通信依赖于一张广泛覆盖的移动通信网络，包括对高功率、远郊和乡野的覆盖。因此，移动运营商对自动驾驶行业的生态发展来说是至关重要的角色。处于安全考虑，自动驾驶公司可能会发展其私有的云环境来加载自动驾驶应用。为了解决性能需求，垂直行业客户必须与运营商实现资源和服务的无缝整合。

（2）工业4.0

受到IoT、工业自动化和云技术等的影响，制造业也进入到其数字化转型的进程中。不同于上述的自动化行业，制造工业中的商家通常同时具备其生态环境中的多种不同的商业角色。一方面，他们可能是外部客户的供应商，提供例如机器魔族、技术方案等;另一方面，他们也是其他解决方案的使用者，例如数字化平台。尤其是对于工业机器控制等应用，工业园区内的通信通常是受限的。制造工业商使用的可能是私有的网络和云资源。

这类制造工业的商业范围是非常广泛且国际化的。因此，打造一张全球范围内的安全网络对这类应用来说是十分必要的。

4   结束语

本文详细描述了5G网络切片的基本架构，介绍了5G网络切片编排与管理中涉及的核心概念，着重讨论了网络切片对垂直行业多样性需求的支撑能力，并介绍了网络切片对自动驾驶和工业4.0两类垂直行业用例的支持。

参考文献：

[1] 3GPP. 3GPP TS 23.501： System Architecture for the 5G System Release 15 V2.0.1[S]. 2017.

[2] 3GPP. 3GPP TS 38.300： NR and NG-RAN Overall Description Release 15 V2.0.0[S]. 2017.

[3] 3GPP. 3GPP TR 28.801： Telecommunication Management; Study on Management and Orchestration of Network Slicing for Next Generation Network Release 15 V15.0.0[R]. 2017.★

To discuss the applications of 5G network slicing， this paper first introduces the architecture of 5G network slicing， as well as network orchestration and management; and then analyzes how the capability of 5G network slicing can meet the diverse demands of vertical industry. Finally， using automatic drive and industry 4.0 as examples， this paper shows the support of 5G network slicing to vertical applications.

network slicing; orchestration and management; NS use case