面向5G的网络切片技术研究

张梦珍，肖 娟，马文曦，杨 蕾

武汉轻工大学电气与电子工程学院

0 引言

虽然前几代移动网络可以支持语音、数据、视频等服务，但传统的通信网络受到了业务单调化的限制。与之不同的是，第五代移动通信系统不再是单一网络体系结构，它将电信生态系统向垂直产业开放，能满足不同应用场景下不同终端的差异化通信业务。

为保障5G网络不同场景下不同逻辑业务及应用的需求在拓扑组网结构上最大化资源分配的灵活性，需对网络切片的编排设计以及应用作进一步的研究。本文对核心网网络切片进行了设计，并通过XLABS 5G网络仿真平台验证其可行性。

1 网络切片介绍

《5G消息白皮书》提出的网络切片技术根据场景需求，通过NFV（网络功能虚拟化，Network Function Virtualization）对设备资源进行合理化分配，将其转换成多个粒度不同的、隔离度高的端到端网络切片。作为运营商进入具有巨大市场规模的垂直业务的关键推动力，网络切片通过按需组网的方式，虚拟多个分别适应不同业务且彼此绝缘的子网切片。根据功能和所在的层次，子网切片可划分为3类：核心网子切片、接入网子切片、传输网子切片。网络切片技术使得运营商可以在统一的物理设备上承载多种不同QoS需求的业务应用，实现了网络性能的优化，减少了网络运营成本。

1.1 核心网切片

核心网络作为一个直接承接业务的网络层，需要有根据不同的工作情景灵活分配和部署网络的功能。基于专用设备的传统核心网络，不能满足5G网络切片服务等级协议的需求。因此，5G核心网络不能再采用集中化的架构。

5G核心网通过模块化实现网络功能间的解耦和整合，将网络功能解耦为服务化组件，组件之间使用轻量级开放接口通信，每个服务都可以根据需要单独开发和部署。这是一个连贯和低耦合的结构，使核心网络具有灵活性、开放性和可访问性，从而满足5G网络切片按需定制和动态部署的要求。

1.2 接入网切片

5G网络需要承载更多类型的业务以及多元化的应用场景，因此需要根据SLA需求的不同，进行接入网子切片的定制，以实现灵活的网络接入。该网络主要侧重于切分终端的功能和时间频率资源。当切分接入网时，可以根据应用程序的需要进行切片。一些应用可以通过严格控制无线电频率资源，完成接入网子切片。软切片可以通过共享无线频率资源的动态分配来实现，并可以在个性化服务的同时提高网络资源的利用率。

1.3 传输网切片

传输网切片运用虚拟化技术，在传输硬件设施中切分出多个逻辑的虚拟传输子网。各个虚拟网络具有独立的控制面、管理面和转发面。每个切面都需要一个控制器来管理拓扑、资源和协议栈，各虚拟网络之上可独立支持各种不同的业务。

2 核心网切片设计

想在5G的后期实现高速运行，关键是打破无线通信的瓶颈。在建立组网方面，为了减少端到端网络传输渠道，降低传送的成本并缩短时间延迟，分散布置核心网络是必要的。

核心网根据需要采用多级DC（双连接，Dual Connectivity）架构。与中心DC相比，边缘双连接架构和接入双连接架构更接近用户层，控制区的信令仍上载到核心层进行处理，而用户面数据则由边缘或访问点直接处理并分配。在边缘轻量化建设和控制方面，要分割核心网的用户面和控制面，将UE按需下沉到边缘或访问双连接架构中即可。

对于需要大带宽和高速率的VR/AR和8K视频等业务，如果此类业务的用户面功能在核心层的话，就会带来传输网带宽压力增大或用户体验差等问题。语音通话、普通的Web网页业务等，对于带宽或时延要求并不高，此时，为了减少成本，可以将该类应用的用户面功能部署在核心层。核心网切片方案配置的参数如表1所示。

表1 核心网切片的参数配置

当5G终端开展业务时，首先需要建立终端与应用数据之间的传输通道，实现用户面的功能。SMF通过DNN之间的关联（相当于4G中的APN）来选择相应的UPF进行PDU会话的建立。通过XLABS 5G网络仿真平台进行设计与仿真，基于NFV的5G核心网子切片的设计方案如图1所示。

图1 核心网切片示例

将网络切片编排完成后，进行网络的入网选择，而后将5G终端切换至屏幕界面，点击浏览器并进行搜索以检验方案的可行性，该切片的终端显示和具体工作流程如图2所示。

图2 核心网切片终端显示及工作流程

可见，切片完成了建立会话并且访问成功，证明了该切片在实际应用中的可行性。

3 结束语

网络切片作为5G移动网络的核心技术之一，能实现根据业务需求机动组网，提高服务网络的独立性，隔离定制化的网络资源，确保功能需求。网络切片的应用为5G网络提供了灵活的部署策略和定制化的业务方案，使得5G的发展前景更加广阔。本文针对核心网进行了网络切片方案设计，通过XLABS 5G网络仿真平台进行切片编排和仿真运行，验证了设计方案的可行性。