5G網(wǎng)絡切片技術淺析

王宏宇　陳冬梅

摘要：5G網(wǎng)絡的一個重要關鍵技術就是網(wǎng)絡切片，它通過在一張物理網(wǎng)絡上劃分出多個虛擬的“專用”邏輯網(wǎng)絡，來提供相互隔離、端到端和按需定制的服務。在應用場景多樣、萬物互聯(lián)的5G時代，網(wǎng)絡切片能通過服務的形式滿足各行業(yè)的定制化需求。該文首先簡要介紹了網(wǎng)絡切片的基本知識，然后對網(wǎng)絡切片面臨的挑戰(zhàn)進行了分析，最后對5G 網(wǎng)絡切片的今后應用進行了展望。

關鍵詞：5G;網(wǎng)絡切片;車聯(lián)網(wǎng);網(wǎng)聯(lián)無人機

中圖分類號：TP311 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）15-0054-02

1 引言

隨著5G商用化時代的到來，作為5G中關鍵的技術，網(wǎng)絡切片對于5G 具有重要意義。由于4G網(wǎng)絡的核心架構是集中式，使其只能對單一移動終端提供服務，無法適應應用場景多樣化的萬物互聯(lián)時代。而具有更廣連接、更低時延、更可靠性能和更高帶寬的5G 移動通信技術，可以實現(xiàn)應用場景多樣化的萬物互聯(lián)。網(wǎng)絡切片技術作為5G的關鍵技術之一，使運營商在一張物理網(wǎng)絡上可以劃分出多個虛擬的端到端邏輯網(wǎng)絡，每一個虛擬邏輯網(wǎng)絡從核心網(wǎng)到傳輸網(wǎng)，到接入網(wǎng)，再到接入設備邏輯上是相互隔離的，并根據(jù)不同的服務需求，如可靠性、安全性、帶寬和時延等來邏輯劃分，以靈活應對不同的應用場景如遠程醫(yī)療、無人駕駛、工業(yè)控制等各類行業(yè)的各種需求。

2 網(wǎng)絡切片概述

2.1 網(wǎng)絡切片定義

網(wǎng)絡切片是通過在一張物理網(wǎng)絡上劃分出多個虛擬的“專用”邏輯網(wǎng)絡，來提供相互隔離、端到端和按需定制的服務。本質上就是允許多個虛擬邏輯網(wǎng)絡在一個共享的物理網(wǎng)絡基礎設施上運行，即運營商通過劃分其網(wǎng)絡資源以允許不同的用戶復用單個物理硬件基礎設施，從而靈活應對多樣化的應用場景。相互隔離、按需定制、虛擬化和質量可保證的端到端是網(wǎng)絡切片技術具有的重要特征。其中，相互隔離是指每一個虛擬邏輯網(wǎng)絡的各種專屬資源和服務不會因為其他虛擬邏輯網(wǎng)絡的故障或錯誤而影響其使用，不同的邏輯網(wǎng)絡之間是相互隔離的;按需定制是指每個虛擬邏輯網(wǎng)絡針對各類行業(yè)的各種服務需求提供不同的應用特征予以滿足;虛擬化是指每個虛擬邏輯網(wǎng)絡是運營商在NFV/SDN通用物理硬件基礎設施上劃分構建的;質量可保證的端到端是指每個虛擬邏輯網(wǎng)絡要從核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、接入網(wǎng)，再到接入設備上來實現(xiàn)。每個網(wǎng)絡切片即虛擬邏輯網(wǎng)絡都包括核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、接入網(wǎng)和接入設備的完整網(wǎng)絡資源和功能，它通過將這些資源和功能根據(jù)不同的應用場景進行按需組合，從而實現(xiàn)邏輯上相互隔離的“專用”邏輯網(wǎng)絡。

2.2 關鍵技術

網(wǎng)絡切片實現(xiàn)的技術基礎是NFV/SDN技術，它通過NFV/SDN技術，虛擬化5G網(wǎng)絡物理資源，以實現(xiàn)網(wǎng)絡功能的映射匹配以及軟、硬件的分離，從而將各類不同業(yè)務需求的應用場景虛擬化為各個相互隔離的“專用”邏輯網(wǎng)絡。

NFV即“網(wǎng)絡功能虛擬化”（Network Function Vitiualized，NFV），是把電信設備從目前的專用硬件平臺遷移到通用的 X86 服務器上。它利用虛擬化技術，將各種網(wǎng)絡專用設備的功能，分別以軟件方式在標準的服務器、存儲等通用硬件上實現(xiàn)，不再局限于專用硬件。從而可以大大降低運營商部署傳統(tǒng)網(wǎng)絡專用硬件設備的昂貴成本，滿足物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算等發(fā)展的需求。該技術通過軟、硬件分離，使不同的業(yè)務系統(tǒng)共享硬件資源，新增或縮減硬件可以通過調整虛擬資源的方式實現(xiàn)，增強了系統(tǒng)靈活性，實現(xiàn)了網(wǎng)絡及應用的快速部署、靈活擴容和縮容，可以滿足5G網(wǎng)絡時代的多種應用場景需求。軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network， SDN），是一種實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬化的方式，也是新型網(wǎng)絡架構的一種。它只是一種設計理念，一個體系框架，并不是一種協(xié)議，也不是一種技術。使網(wǎng)絡系統(tǒng)中的控制和轉發(fā)分離、開放的編程接口以及集中化的網(wǎng)絡控制是SDN的三個基本特征。

NFV和SDN都是通過分離來提高系統(tǒng)的靈活性，在降低企業(yè)運營成本和資本性支出等方面具有共同之處，但它們之間并不是相互依賴的關系，兩者之間具有很強的互補性，且NFV可以獨立于SDN部署，反之亦然。NFV和SDN的區(qū)別是：NFV實現(xiàn)的是軟件和硬件的分離，而SDN實現(xiàn)的是控制與轉發(fā)的分離;NFV處理的是對應OSI模型中的傳輸層、會話層、表達層和應用層，如防火墻、負載均衡等，而SDN處理的是對應OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層，如路由器、交換機等。當前，NFV已具備商用基礎條件，將成為5G網(wǎng)絡的底層技術，但SDN由于需要對整個網(wǎng)絡架構進行重塑，因此短期內還沒法在電信運營商網(wǎng)絡中進行商用，可能初期還是以在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中應用為主。

3 網(wǎng)絡切片的應用

目前，國際主流設備商已經(jīng)順利完成5G技術研發(fā)試驗第一階段和第二階段測試，現(xiàn)在已進入第三階段即系統(tǒng)驗證測試階段。網(wǎng)絡切片技術也隨之完成了功能性測試，并進入到端到端技術驗證階段。在第一階段測試中，網(wǎng)絡切處技術主要進行切片的多接入、切片選擇、切片生命周期管理、切片模板、切片共享、切片維護等共20多個用例測試，測試主要側重于網(wǎng)絡切片技術的功能性。第二階段主要進行場景測試，測試內容包括：主要業(yè)務流程、服務化架構、邊緣計算和網(wǎng)絡切片等5關鍵技術。在該階段測試中，在網(wǎng)絡切片原型和試點應用方面，華為、中興等公司已取得了成功。

《5G網(wǎng)絡切片跨行業(yè)發(fā)展白皮書》為網(wǎng)絡切片定義了VR/AR、汽車、航空、醫(yī)療、電網(wǎng)、物流、無人機七大應用場景。在智能配電網(wǎng)中華為已成功實現(xiàn)網(wǎng)絡切片在其中的應用驗證，在電力通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中通常分為發(fā)、輸、變、配、用五大環(huán)節(jié)，其中發(fā)電、輸電和變電采用自建光纖專網(wǎng)的方式，對于配電和用電通信存在著廣覆蓋、大連接的特征。所以在配電和用電環(huán)節(jié)，5G網(wǎng)絡切片可以在現(xiàn)有的光纖專網(wǎng)基礎上形成低成本、高質量的補充，使智能電網(wǎng)最后5公里的業(yè)務智能化。華為基于標準切片設計了一個完整的端到端電力切片架構，以滿足電力行業(yè)不同業(yè)務對通信網(wǎng)絡能力的差異化需求，保障電網(wǎng)穩(wěn)定、可靠、安全運行。

2018年2月中興通訊發(fā)布5G網(wǎng)絡切片應用方案，該方案由無線、核心網(wǎng)、承載子切片共同構成，通過貫通全網(wǎng)的切片，提供“敏捷、智能、開放”的切片服務。中國移動在2018年6月也展示了5G網(wǎng)絡切片在電力行業(yè)、AR/VR和游戲三個方面的應用，特別是中國移動和華為等公司在第十二屆音樂盛典咪咕匯期間通力合作，成功實現(xiàn)5G網(wǎng)絡切片在全球大型活動直播中的首次應用，直播采用華為業(yè)界首發(fā)的“端到端5G網(wǎng)絡切片”解決方案實現(xiàn)。在巴塞羅那移動通信展期間，愛立信與中國移動開發(fā)并演示了基于網(wǎng)絡切片技術的新一代5G智能工廠原型。原型演示了模擬智能工廠環(huán)境下網(wǎng)絡切片技術和5G網(wǎng)絡靈活的擴展性結合讓生產(chǎn)線升級和產(chǎn)品換型變得很容易。

4 網(wǎng)絡切片技術面臨的挑戰(zhàn)

網(wǎng)絡切片是一個端到端的復雜的系統(tǒng)工程，實現(xiàn)起來相當復雜，需要經(jīng)過三個穿透的網(wǎng)絡即接入網(wǎng)絡、核心網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)和服務網(wǎng)絡。當前網(wǎng)絡切片技術面臨的挑戰(zhàn)主要有以下三個方面。

一是在國際標準和定義方面5G網(wǎng)絡切片技術還沒有統(tǒng)一，在網(wǎng)絡切片的運營、維護、部署和定義等方面不同運營商持有不同的觀點。不同運營商切片在實際部署中可能會面臨著互相操作的問題，如在切片的運營、維護、部署和定義等方面，怎樣實現(xiàn)在一個運營商網(wǎng)絡的不同廠商設備之間，或者是不同運營商的網(wǎng)絡之間，開放運營，統(tǒng)一編排管理，共享切片資源，達到敏捷智能地為用戶提供服務并保障客戶的一致性體驗。

二是在應用示范和原型驗證方面5G網(wǎng)絡切片技術比較缺乏，現(xiàn)階段主要進行的是行業(yè)應用對5G需求的分析、應用場景的討論、業(yè)務原型的演示等。與傳輸網(wǎng)和接入網(wǎng)切片比較，核心網(wǎng)切片技術比較成熟，但5G端到端網(wǎng)絡切片技術的原型驗證和應用示范缺乏。

三是如何開展網(wǎng)絡切片經(jīng)營也是網(wǎng)絡切片技術面臨的問題。作為主要服務于垂直行業(yè)應用的新業(yè)務形式，如何將5G的創(chuàng)新網(wǎng)絡技術轉換為運營商新的商業(yè)模式仍有待于進一步驗證。另外，為特定服務定制的不同網(wǎng)絡切片對于網(wǎng)絡可靠性和安全性要求是不一樣的，而且由于同一張物理網(wǎng)絡上會共存多個切片，也更容易遭受到旁路攻擊，這也對網(wǎng)絡安全提出了新的挑戰(zhàn)。

5 結語

2019年全球正式進入5G時代，很多愿景中的5G應用將逐步成為現(xiàn)實，并被逐一驗證，包括云AR/VR、網(wǎng)聯(lián)無人機、網(wǎng)聯(lián)汽車、云端機器人等，而且新的技術也有望被逐步廣泛應用進而形成新的商務模式。5G網(wǎng)絡不僅要規(guī)避市場培育階段的新興業(yè)務投資風險，還要滿足大量并行業(yè)務上線的需求并實現(xiàn)質量可保證的端到端性能，如以傳統(tǒng)專網(wǎng)構建方式，必將浪費大量資源，但通過網(wǎng)絡切片技術構建的虛擬專用邏輯網(wǎng)絡可以避免此問題，如果某項專網(wǎng)業(yè)務沒有投資價值運營商通過刪除網(wǎng)絡切片可以及時退出，有效降低客戶投資的風險成本。

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