5G時代的切片技術淺析

梁雪梅

（江蘇省郵電規(guī)劃設計院有限責任公司，南京 210019）

1 引言

隨著4G進入規(guī)模商用，業(yè)界已將研發(fā)重點投向面向2020年的第五代移動通信系統(tǒng)（5G）。面對新一輪移動通信技術更迭的重大機遇，世界主流標準化組織ITU-T、3GPP、IMT-2020推進組、大T、主流設備商等都在積極開展面向5G的技術研究工作，加速推動5G標準化進程。

業(yè)界公認由于物聯(lián)網(wǎng)與移動互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，5G時代的通信場景將更加豐富多彩，更加復雜化，更加多元化，物與物之間、物與人之間的通信將大大超越人與人之間的通信需求。從虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、超高清視頻、全息技術，到物流倉儲、智能交通、自動駕駛、無人機，再到工業(yè)控制、智能電網(wǎng)、遠程手術、智慧城市，各個領域都有不同的特點和需求，它們對于網(wǎng)絡的移動性、端到端時延、用戶體驗速率、用戶峰值速率、連接數(shù)密度、流量密度、安全性、可靠性、計費方式，甚至是頻譜效率、能源效率、成本效率的需求各不相同。作為信息化的基礎設施，5G需要滿足多元化需求，提供滿足不同領域需求的網(wǎng)絡功能，推動各行各業(yè)的能力提升和轉型升級。

ITU在2015年6月召開的ITU-RWP5D第22次會議上，確定了5G的名稱、愿景和時間表等關鍵內容，定義了3個主要應用場景：一是增強型移動寬帶eMBB，高帶寬，廣覆蓋； 二是大規(guī)模機器通信mMTC，低功耗，大連接；三是高可靠低時延通信uRLLC，低時延，高可靠。3個主要應用場景對速率、覆蓋率、容量、QoS、安全性的要求各有不同，這就需要5G網(wǎng)絡以靈活的方式構建，可以對上述網(wǎng)絡性能指標進行靈活組合和調整，從而滿足不同應用的個性化需求。

上述場景的差異很大，各場景中也會衍生多個應用實例，不同場景、不同實例對于網(wǎng)絡功能、系統(tǒng)性能、安全、用戶體驗等的業(yè)務需求千差萬別。如果按照傳統(tǒng)思路通過構建多個專網(wǎng)來實現(xiàn)是不可思議的，勢必造成基礎設施和網(wǎng)絡功能的巨大浪費。如果采用傳統(tǒng)的、單一的網(wǎng)絡為不同業(yè)務同時提供服務，將會導致業(yè)務體驗差、管理效率低、網(wǎng)絡結構異常復雜、網(wǎng)絡運維難以支持。因此，基于一張統(tǒng)一的物理網(wǎng)絡，需要引入“網(wǎng)絡切片”技術來構建靈活彈性網(wǎng)絡，滿足各種業(yè)務需求。網(wǎng)絡切片已成為業(yè)界公認的最理想的5G網(wǎng)絡理想模式。

2 切片的概念

什么是網(wǎng)絡切片？最簡單的理解，就是將一個物理網(wǎng)絡邏輯上切割成多個虛擬的端到端的網(wǎng)絡，每個虛擬網(wǎng)絡之間，包括網(wǎng)絡內的業(yè)務平臺、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)、傳送網(wǎng)、接入網(wǎng)、終端以及相關IT系統(tǒng)，都是邏輯獨立的，都是相互隔離的，任何一個虛擬網(wǎng)絡發(fā)生故障都不會影響到其他虛擬網(wǎng)絡。

5G網(wǎng)絡切片技術通過在同一網(wǎng)絡基礎設施上，按照各種不同的業(yè)務場景和業(yè)務模型，利用虛擬化技術，將資源和功能進行邏輯上的劃分，進行網(wǎng)絡功能的裁剪定制，進行網(wǎng)絡資源的管理編排，形成多個獨立的虛擬網(wǎng)絡，為不同的應用場景提供相互隔離的網(wǎng)絡環(huán)境，使得不同應用場景可以按需定制網(wǎng)絡。5G網(wǎng)絡切片要實現(xiàn)的目標是將業(yè)務平臺資源、核心網(wǎng)資源、承載網(wǎng)資源、傳送網(wǎng)資源、接入網(wǎng)資源、終端設備以及IT系統(tǒng)進行有機組合，為不同應用場景或者業(yè)務類型提供相互隔離的、邏輯獨立的完整網(wǎng)絡。

每個網(wǎng)絡切片按照業(yè)務場景和業(yè)務模型，進行網(wǎng)絡功能的定制裁剪和編排管理。一個網(wǎng)絡切片可以視為一個實例化的5G網(wǎng)絡。在5G網(wǎng)絡切片中，網(wǎng)絡編排是一個非常重要的功能模塊，實現(xiàn)對網(wǎng)絡切片的創(chuàng)建、管理和撤銷。運營商首先根據(jù)業(yè)務場景需求生成網(wǎng)絡切片模板，切片模板包括該業(yè)務場景所需的網(wǎng)絡功能模塊及其特定的配置、各網(wǎng)絡功能模塊之間的接口以及這些網(wǎng)絡功能模塊所需的網(wǎng)絡資源。網(wǎng)絡編排功能模塊根據(jù)該切片模板向網(wǎng)絡申請資源后進行實例化。網(wǎng)絡編排功能模塊對創(chuàng)建的網(wǎng)絡切片進行監(jiān)督管理，根據(jù)實際業(yè)務量對網(wǎng)絡資源進行靈活地擴容、縮容和動態(tài)調整，并在生命周期結束之后撤銷網(wǎng)絡切片。網(wǎng)絡切片打通了應用場景、網(wǎng)絡功能和網(wǎng)絡資源間的適配接口，按需定制，按需提供。在每種業(yè)務看來，為其分配的資源是獨享的，和其他業(yè)務之間是相互隔離的；同時這些業(yè)務共享相同的物理基礎設施，充分發(fā)揮了網(wǎng)絡的規(guī)模效應，提高了物理資源使用率，降低了網(wǎng)絡CAPEX和OPEX，豐富了網(wǎng)絡的運營模式。

3 切片的特點

多元化的業(yè)務場景對5G網(wǎng)絡提出了多元化的功能要求和性能要求，網(wǎng)絡切片針對不同的業(yè)務場景提供量身定制的網(wǎng)絡功能和網(wǎng)絡性能保證，實現(xiàn)了“按需組網(wǎng)”的目標。具體而言，網(wǎng)絡切片具有如下特點。

（1）安全性：通過網(wǎng)絡切片可以將不同切片占用的網(wǎng)絡資源隔離開，每個切片的過載、擁塞、配置的調整不影響其他切片，提高了網(wǎng)絡的安全性和可靠性，也增強了網(wǎng)絡的健壯性。

（2）動態(tài)性：針對用戶臨時提出的某種業(yè)務需求，網(wǎng)絡切片可以動態(tài)分配資源，滿足用戶的動態(tài)需求。

（3）彈性：針對用戶數(shù)量和業(yè)務需求可能出現(xiàn)的動態(tài)變化，網(wǎng)絡切片可以彈性和靈活的擴展，比如可以將多個網(wǎng)絡切片進行融合和重構，以便更靈活地滿足用戶動態(tài)的業(yè)務需求。

（4）最優(yōu)化：根據(jù)不同的業(yè)務場景，對所需的網(wǎng)絡功能進行不同的定制化裁剪和靈活組網(wǎng)，實現(xiàn)業(yè)務流程最優(yōu)化，實現(xiàn)數(shù)據(jù)路由最優(yōu)化。

4 切片的分類與部署

網(wǎng)絡切片分類如圖1所示，可以分為兩種。

（1）獨立切片：每個切片包括控制面和用戶面完全獨立，為特定用戶提供端到端的獨立的專網(wǎng)服務或者部分特定功能服務。獨立切片隔離性最好。

（2）共享切片：可供各獨立切片共同使用的切片，提供的功能可以是端到端的，也可以只提供部分共享功能。

圖1 切片分類示意圖

網(wǎng)絡切片部署有以下3種場景：

（1）完全獨立部署：獨立部署各種端到端切片，每個獨立切片包含完整的控制面和用戶面功能，為不同用戶群提供專有虛擬網(wǎng)絡。

（2）控制面采用共享切片，用戶面采用獨立切片：端到端的控制面共享切片為所有用戶服務，對各用戶面獨立切片進行統(tǒng)一管理，包括移動性管理、鑒權等。

（3）共享切片與獨立切片聯(lián)合部署：共享切片實現(xiàn)部分非端到端功能，后面連接各種不同的個性化的獨立切片，二者聯(lián)合起來實現(xiàn)端到端功能。

5 切片的全生命周期管理

一個網(wǎng)絡切片的生命周期包含設計、上線、運營、下線等4個階段。

（1）設計：定義網(wǎng)絡功能和連接關系，根據(jù)計劃部署的特定業(yè)務的特點，在切片上選擇相應的功能，包括所需要的功能、性能、安全性、可靠性、運維管理、業(yè)務體驗等，完成切片模板初始化。

（2）上線：切片上線的過程完成切片的實例化部署，完全自動化，無需人工干預。系統(tǒng)為切片選擇最適合的虛擬資源和物理資源，不僅完成指定功能的部署及配置，而且完成切片的連通性測試。切片上線的過程就是設計的切片模板的一個實例化過程，一個切片模板可以生成多個切片實例。

（3）運營：切片上線后進入運營階段。切片運營方可在切片上部署自己制定的切片運營策略，完成切片用戶發(fā)放、切片監(jiān)控、切片運維等工作。在切片運行的過程中，切片運營方對切片進行實時監(jiān)控，包括業(yè)務監(jiān)控和資源監(jiān)控，監(jiān)控的顆粒度可以是系統(tǒng)級性能、切片級性能以及子切片級性能。根據(jù)切片的監(jiān)控結果，運營方可及時做出相應策略調整，比如切片的功能增減和切片的動態(tài)伸縮。另外，網(wǎng)絡側也可提供開放的運維接口給不同的用戶進行二次開發(fā)，進行按需定制。

（4）下線：因為種種原因，某些切片不再需要運營，則可進行切片的下線。

6 切片的技術基礎

網(wǎng)絡切片不是一個單獨的技術，它是在SDN、NFV和云計算等幾大技術之上，通過上層的統(tǒng)一編排和協(xié)同實現(xiàn)一張通用的物理網(wǎng)絡能夠同時支持多個邏輯網(wǎng)絡的功能。

網(wǎng)絡切片利用NFV技術，將5G網(wǎng)絡的物理資源根據(jù)業(yè)務場景需求虛擬化為多個平行的相互隔離的邏輯網(wǎng)絡；網(wǎng)絡切片利用SDN技術，定義網(wǎng)絡功能，包括速率、覆蓋率、容量、QoS、安全性、可靠性、時延等。

云計算技術剛剛誕生時，提出了IaaS（Infrastructure as a Service，基礎設施即服務）、PaaS（Platform as a Service，平臺即服務）、SaaS（Software as a Service，軟件即服務）。隨著業(yè)務能力更加多元化更加開放，DaaS（Data as a Service，數(shù)據(jù)即服務）、CaaS（Communication as a Service，通信即服務）、STaaS（Storage as a Service，存儲即服務）、MaaS（Monitoring as a Service， 監(jiān) 測 即 服 務 ）、NaaS（Network as a Service，網(wǎng)絡即服務）等等應運而生，我們已經進入“XaaS（Everything as a Service，一切皆服務）”的時代。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構適合單一業(yè)務型網(wǎng)絡。然而， 5G的“網(wǎng)絡切片”基于邏輯資源而不是物理資源，可以根據(jù)需求進行資源分配和重組，可以滿足差異化服務的QoS需求，可以保證不同業(yè)務、不同客戶之間的安全隔離，可以使運營商有能力為客戶提供“量身定制”的網(wǎng)絡，實現(xiàn)“網(wǎng)絡即服務”。

7 結束語

網(wǎng)絡切片技術是5G網(wǎng)絡演進的必由之路。但是網(wǎng)絡切片技術目前尚未成熟，還處于標準討論階段，尚未確定最終技術方案。網(wǎng)絡切片后續(xù)需重點研究與驗證的關鍵技術包括切片劃分、切片選擇、切片切換/重選、切片的漫游支持、切片的資源與安全隔離、切片管理器的實現(xiàn)機制與流程、切片管理器與MANO的協(xié)同、切片與用戶/業(yè)務的對應策略、切片的上下線流程等。

網(wǎng)絡切片不僅帶來技術上的重大突破，使得用戶可以按需接入最合適的網(wǎng)絡，同時也給運營商的商業(yè)模式、運維模式帶來了革命性變革。利用網(wǎng)絡切片技術，移動網(wǎng)絡由原來的用戶/業(yè)務適配網(wǎng)絡轉變?yōu)榫W(wǎng)絡適配用戶/業(yè)務，此外原來的單一網(wǎng)絡運營模式也逐漸轉變?yōu)槎嘀鼐W(wǎng)絡的動態(tài)管理。

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