5G网络切片技术及应用综述

2021-12-03陈慧杰邢松峰

通信电源技术 2021年22期

陈慧杰，邢松峰

（中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，河南郑州 450000）

1 概述

目前，5G网络为制造业、金融业、服务业等行业提供了重要的服务支撑。作为第五代移动通信关键技术之一，网络切片技术旨在对现有物理网络进行划分，形成多个独立的逻辑网络，从而为差异化业务提供定制化服务。不同业务对于网络的要求是多样化的，例如4K/8K融合媒体、增强现实（Augmented Reality，AR）/虚拟现实（Virtual Reality，VR）全息影像、视频娱乐服务等业务需要高带宽、高质量的移动或固定网络带宽连接，智慧城市、智能家居、智能电网等需要大规模连接和频繁传输小型数据包的服务支撑，而智能工业、远程医疗、自动驾驶等要求毫秒级时延和超高可靠性的网络服务质量保障。5G网络3大应用场景为增强型移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠性低时延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）以及海量机器类通信（Massive MachineType Communication，mMTC）。为满足不同业务场景的网络需求，基于软件定义网络（Software Defined Network，SDN）、网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）的技术架构，根据业务场景和需求提出网络切片的概念，实现端到端的逻辑网络划分，按需配置网络资源。5G网络切片使每个应用都得以优化和扩展，而通信运营商也可以利用虚拟基础设施按需重新规划[1-3]。

使用NFV/SDN技术和通用硬件实现网络功能软件化，实现差异性业务编排。业务网络平台运营利用数字化平台有效对接业务需求，加强网络开放能力，按照用户面部署，降低业务时延，有效控制和缓解传输网压力，使用户与业务数据下沉至本地，实现高频和低频的混合组网。此外，5G核心网结合NFV基础设施为普通消费者、应用提供商以及垂直行业需求方提供网络切片与边缘计算等新型业务，从传统互联网接入管道转型为全社会信息化的赋能者。相比于4G网络，5G核心网以原生方式高度适配云平台，能够提升控制与转发的灵活性，增强开放效果[4-6]。

2 网络切片定义

网络切片是基于逻辑的概念对资源进行重组，通过核心NFV技术将传统网络中的硬件和软件分离，硬件服务器统一部署，软件由不同的网络功能（Network Function，NF）承担。根据承载业务的特性和需求，对端到端的网络资源进行逻辑划分和封装，按照用户方网络时延、带宽、可靠性等需求灵活提供一种或多种5G网络关键服务。通过5G网络切片将网络资源灵活分配，网络性能按需组合，基于5G网络虚拟出多个具备不同特性的逻辑子网。端到端的网络切片由核心网、无线网以及传输网子切片组成，并通过端到端切片编排管理系统进行统一管理。

3 网络切片整体架构关键技术

3.1 按需构建基于服务化架构的核心网切片

5G核心网摒弃传统专用硬件组网方式，采用服务化架构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。同时将控制面与用户面数据分离，通过高内聚低耦合的结构使其具备敏捷、高效安全、易拓展以及灵活开放等特性，满足按需构建、动态弹缩部署以及高可靠性要求，满足5G网络切片在灵活性和服务等级协议（Service-Level Agreement，SLA）方面的需求。

3.2 基于统一空口架构设计适配多场景的无线网切片

5G无线网切片基于软件定义空口（Software Defined Air Interface，SDAI）的设计理念和框架，对多个无线空口功能模块进行灵活控制及编排，灵活的帧结构、调制编码、新波形、新型多址以及多天线等设计使得无线切片资源灵活分配。同时，5G无线网支持集中单元（Centralized Unit，CU）、分布单元（Distributed Unit，DU）灵活配置及部署。CU支持云化部署，也可下沉与DU集中部署，满足不通场景下切片组网的差异化需求。

3.3 基于SDN、FlexE技术构建灵活的传输网切片

传输网切片运用SDN技术将网络设备的控制面与数据面分离，实现网络流量的灵活控制，面向网络拓扑资源构建虚拟网络，使端到端网络传输变得更加智能。同时，传输网切片基于灵活以太网技术（Flexible Ethernet，FlexE）构建端到端的承载管道，具备高灵活性、端口内业务隔离、差异化承载等特点。基于SDN、FlexE技术构建灵活的传输网切片，从而有效满足不同传输业务的网络需求。

3.4 高效运营的端到端切片编排管理系统

切片编排管理系统具备切片环境设计、自动化端到端编排部署、人工智能（Artificial Intelligence，AI）自动运维、网络切片全生命周期管理以及全流程模型化驱动等功能，能够实现业务需求和网络资源的灵活匹配，满足用户的快速定制和部署需求。

4 5G端到端网络切片技术

4.1 核心网切片思路

网络切片是在保障业务SLA的前提下，灵活地按需分配网络资源。核心网作为直接承载业务的网络层级，采用服务化架构解耦网络功能组件、控制面与数据面分离、切片功能按需定制化等技术，满足5G网络切片的核心基础功能。同时，核心网通过统一的功能服务模板与服务总线结合实现开放化的网络架构，对上层业务、应用提供标准网络接口，由传统集中式部署转变为可分布式部署的虚拟化架构。

4.1.1 基于模块服务化架构的快速构建

5G核心网支持灵活的NF服务和公共服务之间的组合，通过服务化架构将网络功能解耦为服务化组件。对每个服务组件进行统一的定义，抽象为服务化架构。在可视化界面上，通过对各类NF进行拖拽组合的方式灵活编排，再将NF组合成eMBB、URLLC、mMTC等业务场景的网络切片。每个服务支持独立的注册、发现和升级等功能，能够满足各垂直行业的定制化需求。基于网络切片选择辅助信息（Network Slice Selection Assistance Information，NSSAI）、位置信息、切片负荷信息等，通过各种策略的网络切片选择功能（Network Slice Selection Function，NSSF）实现切片选择。

4.1.2 基于数据分离控制的灵活组网

分布式灵活部署、虚拟化部署是5G核心网的显著特点，通过将网络功能抽象为服务，服务间通过接口的方式相互调用，实现控制数据与业务数据隔离。5G核心网突破了4G核心网中网关、网元只能集中部署的限制，根据业务实际功能需求、用户实际体验需求等选择服务模块进行集中或分散式的匹配部署。经典切片组网方式为5G核心网以NSSF和网络存储功能（NF Repository Function，NRF）作为核心公共服务，以公共陆地移动网（Public Land Mobile Network，PLMN）为单位部署，提供接入管理功能（Access Management Function，AMF）、策略控制功能（Policy Control Function，PCF）、业务鉴权功能（Authentication Server Function，AUSF）以及统一数据管理功能（Unified Data Management，UDM）等，通过会话管理（Session Management Function，SMF）、用户面功能（User Plane Function，UPF）等满足切片对时延、带宽、安全等需求，为每个切片单独部署不同的NF。根据业务对网络成本、安全隔离、SLA等的要求，核心网切片支持GROUP A、GROUP B、GROUP C等多种共享类型进行灵活组网。

4.1.3 基于业务需求的切片能力定制化开放

5G核心网通过统一的功能服务模板与服务总线结合，根据网络开放功能（Network Exposure Function，NEF）平台向外部应用提供网络服务，对第三方应用提供便利的接口服务，实现开放化的网络架构。此外，核心网由传统集中式部署转变为可分布式部署的虚拟化架构，支持定制化的网络功能参数，个性化的网络切片满足外部的各种网络需求。

4.2 无线网切片思路

无线网子切片是端到端网络切片的关键组成部分，通过SDAI设计理念对多个无线空口功能模块进行灵活控制及编排，根据不同业务的SLA需求灵活配置及部署CU、DU，满足不同场景下切片组网的差异化需求。

4.2.1 基于空口统一框架的无线网切片

无线网基于统一的空口框架，采用SDAI的设计理念，以空口功能模块定制化的方式按需分配无线信号。物理层功能模块包括帧结构、调制编码、新波形、新型多址以及多天线等，通过灵活组合物理层不同功能模块来满足多样化的网络需求。

4.2.2 基于CU、DU的灵活切分和部署

随着业务场景的多样化，网络切片在满足安全隔离的前提下，具备灵活开放部署、按需弹性分配无线资源、控制面与用户面相分离等特性。无线网切片的核心演进思路是将有源天线单元（Active Antenna Unit，AAU）、CU、DU分离，按需进行灵活切分和部署。根据不同的业务场景，例如智慧城市、智能家居、智能电网等mMTC场景对带宽和时延无特殊要求，可以采用CU云化集中部署、DU分布式部署、AAU边缘部署，从而达到经济成本最优。

5 5G网络安全标准化发展

在5G网络应用过程中，网络安全问题值得关注，按照行业的标准选择正确的安全防护技术，防止在后续使用时存在较为严重的安全问题。为了保证5G安全研究效果提高，需要满足总体架构构建的标准，相关业务保持同步，并且推进技术的创新，构建科学性较强的网络安全模式，在后续工作中统一网络安全的认证架构，注重安全保护以及密码的计算等。根据5G网络的应用情况构建较为完善的安全屏障，之后配合虚拟化的网络产品来提供安全保证效果，满足5G网络安全防护的标准及要求。在实际工作中，通过安全框架和接入安全技术保证数据的私密性与完整性，实现不同数据之间的相互连接，推动我国5G技术的稳定发展。