5G网络切片解决方案和关键技术

方琰崴，陈亚权，李立平，周俊超（中兴通讯股份有限公司，江苏南京 210012）

0 引言

5G网络主要业务包括三大典型场景：低时延高可靠（uRLLC）、增强移动宽带（eMBB）和大连接低功耗（mMTC），不仅面向普通用户，而且更多面向物联网和多样化工业应用，但电信运营商并不需为每个服务建设专用网络，而是利用网络切片技术，按需分配网络资源。在5G网络中，切片已经成为面向垂直行业的基础业务形式，能够在统一物理设施中实现多种网络服务并提供多级隔离与安全，降低运营商建网成本，满足垂直行业多种场景按需、敏捷建立网络的需求。

1 5G网络切片架构解决方案架构

在3GPP 协议中，网络切片是提供特定网络能力和网络特性的逻辑网络。5G 网络按网络资源灵活分配切片，并根据网络能力按需组合切片，以实现基于一个5G 网络生成多个具备不同特性的逻辑子网的目的。如图1 所示，每个端到端切片均由核心网、无线网、传输网子切片组合而成，并通过端到端切片管理系统，下发不同业务的服务等级（SLA——Service-Level Agreement）需求，进行统一定制和管理。

图1 5G端到端的网络切片架构

5G 终端种类丰富，有功能丰富的高端终端，如智能手机、车载终端、VR 终端等，也有低成本、低功耗的物联网终端，如智能抄表终端、智能井盖传感器、智能路灯开关等。终端也需要支持切片，要求1 个用户终端（UE——User Equipment）能够同时支持1～8 个网络切片，并可以配置接入的切片类型集合网络切片选择辅助信息（Configured NSSAI——Network Slice Selection Assistance Information），也可以从网络侧获取Configured NSSAI。在登记时，UE 可以从网络侧获取允许接入的切片集合Allowed NSSAI。

切片系统需要提供从网络功能虚拟化基础设施（NFVI——Network Function Virtualization Infrastructure）、虚拟网络功能（VNF——Virtual Network Function）到管理层的多级安全隔离。在NFVI 可以提供基于独立硬件的高安全性的隔离以及基于NFVI 租户支持的vCPU、vNet、vStorage 虚拟资源的隔离。在VNF 应用层支持逻辑隔离，如根据切片标识配置该切片所支持的用户数量。在管理层，支持根据切片ID 分权分域，给不同租户提供故障、配置、计费、性能和安全（FCAPS）的隔离。

2 5G网络端到端切片关键技术

2.1 微服务化和能力开放

面向服务的5G 云原生（Cloud Native）采用灵活的模块化架构，通过对5G 的网络功能（NF——Network Function）进行模块化和微服务化设计，建立微服务组件库。这种灵活的模块化架构既支持3GPP 标准定义的网络功能服务（NFS——Network Function Service），又可以提供负载均衡（LB——Load balance）、HTTP、IPsec 等增强的公共服务组件。根据切片的SLA 需求，选择合适的NFS，像搭积木一样组合成各种类型切片需要的NF，再把NF 组合成对应的网络切片，如eMBB等。

通过网络开放功能（NEF——Network Exposure Function），5G 提供对外部开放切片的能力。应用可以获取UE 的状态、位置等信息，可以设置UE 选择切片的策略；也可以直接或者通过能力开放平台向外部应用提供网络服务，支持定制化的网络功能参数、基于动态DPI 的灵活QoS 策略、个性化切片和流量路径管理，从而更加精细化和智能化地满足垂直行业应用对网络切片的要求。

2.2 智能选择和调度

在统一用户管理平台（UDM——Unified Data Management）中，5G 网络为不同UE 签约不同的切片。在5G 网络中，引入了网络切片选择功能（NSSF——Network Slice Selection Function），在整个PLMN 中独立部署。NSSF 可以通过UE 请求的NSSAI 和签约的NSSAI、位置区域、切片容量、切片当前负荷等信息进行切片的灵活选择，比如基于位置信息可以实现大区、省市等大切片的部署，也可以实现如体育比赛、演唱会、智慧小区等小微切片的部署。

在无线网，基于统一的空口框架，NSSF 采用灵活的帧结构设计。针对不同的切片需求，NSSF可以采用不同的资源配置/调度方式。无线侧的切片能力更多地体现在不同的参数配置和调度上。NSSF 可以为不同的切片配置不同的上下行保障资源、上下行最大资源和用户数等。无线网根据配置的资源和用户数对不同的切片进行调度，并进行调度优先级的映射。同时，根据不同切片业务的要求，还可以对协议栈进行不同的配置，例如mMTC需要广覆盖、节能，移动性小，就可以在物理层编码做优化。在切片的选择和调度、配置过程中，无线网需要支持对核心网切片的选择，支持与5G 核心网的接入和移动管理功能（AMF——Access and Mobility Management Function）交换切片信息，支持选择初始AMF，并支持目标AMF的重定向。

通过策略控制功能（PCF——Policy Control Function），NSSF 可以为UE 不同的APP 定制切片选择策略（NSSP——Network Slice Selection Policy），并下发给UE，如微信对应到eMBB，抄表应用对应到mMTC，车联 网（V2X——Vehicle to everything）应 用 对 应 到uRLLC。5G终端根据PCF下发的NSSP，为不同的APP应用选择不同切片。

2.3 典型共享类型

在5G 网络中，如图2 所示，可以把不同应用模型分为GROUP A、B、C 等多种共享类型进行灵活组网。GROUP A 代表了媒体面和控制面网元在各切片之间都不共享的场景，典型的应用有工业控制、远程医疗、智能电网等，这类场景对隔离度要求比较高；GROUP B 代表了部分控制面网元共享，而媒体面和其他控制面网元不共享的场景，典型的应用有智慧城市、辅助驾驶的同时更新下载地图，这类场景终端需要同时接入多个切片，对隔离要求相对低；GROUP C 代表了控制面网元共享，而所有的媒体面网元不共享的场景，典型的应用有家庭娱乐、上网、视频娱乐、智能抄表等，这类场景对切片隔离要求低且对成本敏感。

图2 切片的典型共享模型

2.4 切片对传输网的要求

传统的传送网络可以分为客户/租户层、业务层和物理网络层，L2VPN 或L3VPN 业务可以直接部署在物理网络上形成业务层，从而传输上层客户/租户服务。在该体系结构中，业务层上的各种业务共享物理网络资源，由于没有隔离机制，存在资源竞争问题，因此如需要根据不同的服务场景来隔离不同的客户/租户，则在管理和控制方面存在一定的难度。该体系结构不能很好地管理和控制未来的5G业务传输，因此传送网络需要引入新的分层技术和分层结构。

与传统的无切片网络结构相比，5G 核心网在物理网络层和业务层之间新建了一个虚拟网络层vNet，每个物理网络分为多个vNet，每个vNet 都具有与物理网络相似的特性，包括独立的管理平面、控制平面和转发平面，并且可以独立支持各种业务。

SDN 将控制平面和转发平面解耦，使物理网络是开放的和可编程的，并且支持未来的新网络架构和服务。控制平面和转发平面都需要针对切片技术进行相应的改造。

在5G 网络的控制平面，一般采取基于SDN 的切片体系结构，由物理网络的公共控制功能、vNet 管理程序、vNet 控制器等组成。控制平面可以实现网络拓扑和资源的统一管理、网络抽象、路径计算、策略管理等功能，可以将物理转发资源抽象为虚拟设备节点和虚拟网络连接，并根据策略管理这些虚拟资源，形成独立的逻辑切片vNet。

在5G网络的转发平面，需要针对切片的不同类型进行隔离，有软隔离和硬隔离2 种隔离技术。软隔离是基于统计复用的第二层或更高层技术，例如基于SR/IP/MPLS 的隧道技术和基于VPN/VLAN 的虚拟化技术。硬隔离是基于物理刚性管道的Layer1 或光层切片技术，例如FlexE、OTN 和WDM 波分复用技术。其中，FlexE 技术支持基于物理层的转发，并提供严格的管道隔离及灵活分配带宽。引入FlexE 交换、OAM和保护等3项关键技术，可以成功地将FlexE 扩展为网络级技术，即FlexE 隧道技术。基于FlexE 交换机的FlexE 通道可以在分片网络中的NE 之间形成新的vLink，以重构分片网络拓扑。

3 切片的自动化运维管理

5G 端到端切片涉及到接入网、传输网和核心网等多个网络设备，因此切片的部署、运维管理和安全隔离都面临着巨大的挑战，需要解决诸多关键问题。

在5G网络的设计初期，电信运营商需要根据不同行业用户需求进行定制化的网络切片设计，快速满足多种应用场景和多样化的客户需求。在部署了如图3所示的切片运维和管理系统后，运营商的维护人员可通过基于模板修改、拖拽式可视化设计，实现所见即所得的切片设计，并根据用户的业务、订购以及SLA要求，自动完成网络切片的部署，实现用户业务的快速交付。

图3 切片运维和管理系统

切片的生成包括订购、编排、部署和激活，这个过程需要采用全自动化技术，系统根据客户订购的SLA需求，自动选择合适的预置子切片部署模板，分别加载到无线网、传输网、核心网中，并根据预置模板自动拆分网络时延、带宽和用户容量，按照拆分的SLA 需求，自动部署切片的VNF/PNF，并自动进行切片的配置激活。

端到端的网络切片集成了多个网络子切片，需要保障切片的SLA以满足垂直行业应用的需求。因此在切片的运行过程中，需要搜集并监控网络切片的SLA，以确保网络切片的性能。E2E切片SLA 监控和策略闭环控制是一个复杂的闭环反馈控制系统，涉及切片SLA数据的收集、策略决策、策略执行和反馈等关键过程，还需要逐步引入自动化闭环保障、根因分析、ZSM（Zero touch Service and Management）、AI 等技术，实现切片运维的智能化和自动化。

4 5G网络切片分步部署策略

5G 网络切片业务的引入需要考虑标准技术及产业发展的成熟度，把握好节奏。根据切片的部署要求，电信运营商可以分两阶段部署。

第1 阶段，初期聚焦于典型的eMBB 切片，快速推出5G业务，如高清视频、AR、VR、3D等业务，并适当配合核心网用户面下沉部署，满足部分超低时延业务需求。同时，对切片的编排部署进行简化。核心网子切片采用云化技术部署，提供网络子切片管理功能（NSSMF——Network Slice Subnet Management Function），进行子切片的编排和部署；无线网和传输网子切片通过配置，进行切片的资源调度和隔离。

第2 阶段，在eMBB 的基础上，逐步引入uRLLC、mMTC 等类型的切片，支持E2E 编排，逐步实现5G 目标网络。无线网支持DU/CU 分离以及CU 的云化部署。传输网支持基于FlexE 的硬切片vNet，提供超低时延转发。在这个阶段，5G 网络已经支持无线网、传输网和核心网端到端的切片编排管理，结合自动化和AI等技术，逐步实现切片的自动开通和智能保障。

5 切片的前瞻技术和发展趋势

网络切片是5G 的关键功能，3GPP、ETSI、BBF 等标准组织将一步完善切片的功能和技术，主要的研究方向包括：

a）切片与VoNR/IMS 的结合：研究UE 如何通过单个或多个切片接入IMS，IMS 如何通过服务化架构（SBA——Service-based Architecture）接口访问5G 用户的策略信息和签约信息，IMS如何动态设置UE 选择切片的策略。

b）在4G 与5G 之间切换时，如何选择合适的切片。

c）控制切片之间的互斥关系，避免UE 同时接入具有互斥关系的切片。

d）区分切片的优先级，对于高优先级的切片资源优先保障。当资源紧张时，进行策略调度，保障高优先级切片资源可用。

e）结合自动化、AI 等技术实现切片的自动部署、配置以及Zero Touch的运维。

切片的驱动力源于垂直行业，因此，切片与垂直行业深度融合、共生发展，建立切片生态圈，是未来切片技术的发展方向，这能够催生诸多全新的5G业务模式，比如，在工业4.0 中，需要支持non-public 切片与PLMN 切片间的移动性管理，实现限定切片的无线区域覆盖，在端到端资产跟踪和管理中，涉及跨工厂零件生产、物流配送和协同组装这3个过程，物料从生产零件的工厂non-public 切片，移动到PLMN 大切片，再到负责组装工厂non-public 切片，整个过程中需要保持通信业务跟踪的连续性、UE 位置监控的独立性、多切片间跟踪时间的一致性以及UE 状态信息上报的持续性；在智能电网中，提供API供第三方监控自己切片的UE 状态（如位置、生命周期、登记状态等）和切片的网络状态信息（用于监测UE与网络的通信情况）。

6 结束语

切片是5G的创新技术，将催生新的商业模式。电信运营商需要进一步完善切片级的运营技术，如在线订购、切片计费等，以支持切片即服务（NSaaS——Network Slice as a Service），提供切片商城、切片集市等切片的批发和在线销售。在这些新的商业模式下，电信运营商可以建设分级数据中心，既可直接面向企业销售切片，也可以批量销售给有实力的合作伙伴比如虚拟运营商，由合作伙伴再面向行业用户零售切片。作为网络建设、演进和商业模式创造的核心力量，电信运营商必然能进一步推进5G 创新，打造成熟的5G 行业生态圈。