5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)研究

夏洪偉，尹 霞，鄧 ?。?中國聯(lián)通重慶分公司，重慶 400；.中國鐵通重慶分公司，重慶 400）

1 概述

隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，各種新興應(yīng)用層出不窮，如可穿戴設(shè)備應(yīng)用、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、垂直行業(yè)應(yīng)用等［1］。4G 網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)技術(shù)已漸漸不能滿足各種應(yīng)用的發(fā)展需求，5G呼之欲出。

5G 網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slicing）作為5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，允許網(wǎng)絡(luò)在共享同一物理通信設(shè)施的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)邏輯隔離，并且可以根據(jù)運(yùn)營者的策略通過SDN、NFV 靈活動態(tài)地創(chuàng)造以及撤銷切片。虛擬網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)用戶需求提供定制化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)［2-3］。在使用網(wǎng)絡(luò)切片的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，不僅可以靈活地管理網(wǎng)絡(luò)資源，滿足5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)多樣化的需求［4］，還可以對異構(gòu)無線接入進(jìn)行管理，使得多種無線接入技術(shù)共存成為了可能［5-6］。

此外，在無線傳輸中，頻譜是一種重要而稀缺的資源，各頻段的使用在設(shè)計(jì)之初基本已經(jīng)被規(guī)定完畢。固定的分配方式導(dǎo)致了新網(wǎng)絡(luò)制式下帶寬增長受限，網(wǎng)絡(luò)越來越難以滿足激增的移動數(shù)據(jù)流量需求。常用的通過小區(qū)裂化來承載更多的數(shù)據(jù)流量的方法在帶來較低的流量承載增長的同時(shí)［7］，也帶來了嚴(yán)重的干擾和巨大的能耗問題。使用無線網(wǎng)絡(luò)切片的方式，可以通過將物理網(wǎng)絡(luò)切片成多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)制式網(wǎng)絡(luò)間的頻譜資源共享，通過只提供必要的網(wǎng)絡(luò)資源以滿足服務(wù)，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，有效解決了流量增長帶來的頻譜資源不足的問題，并且可以有效降低網(wǎng)絡(luò)重耕和網(wǎng)絡(luò)搬遷的運(yùn)維成本消耗。

2 網(wǎng)絡(luò)切片的架構(gòu)

國際電信聯(lián)盟無線電通信局（ITU-R）為5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展確定了三大主要應(yīng)用場景為：超高可靠與低延遲的通信（uRLLC）、增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）和大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC）。

5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能夠在同一套物理網(wǎng)絡(luò)上針對不同用戶，提供差異化服務(wù)，能實(shí)現(xiàn)差異化路由和獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)管理的功能?？梢詾閡RLLC 場景提供時(shí)延低于1 ms 的高可靠性服務(wù)，為eMBB 場景提供高速移動的通信服務(wù)以及為mMTC 場景提供滿足其3 個(gè)主要性能指標(biāo)的服務(wù)等。

下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟NGMN 發(fā)布的5G 網(wǎng)絡(luò)切片劃分如圖1所示。

圖1 NGMN發(fā)布的5G網(wǎng)絡(luò)切片示意圖

2.1 網(wǎng)絡(luò)切片PDU session的建立

如圖2 所示，網(wǎng)絡(luò)切片的粒度是分散處理會話控制單元（PDU session），用戶設(shè)備（UE）可以建立多個(gè)PDU session，每一個(gè)PDU session 在無線接入側(cè)（RAN）由多個(gè)承載（DRB）組成。PDU session 的建立是由核心網(wǎng)側(cè)發(fā)起，每個(gè)PDU session 都會綁定一個(gè)唯一SNSSAI 標(biāo)識。當(dāng)一個(gè)指定S-NSSAI 的PDU session 建立后，核心網(wǎng)將向RAN 發(fā)送對應(yīng)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片的SNSSAI 以實(shí)現(xiàn)訪問功能。PDU session 的建立如圖2 所示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)切片的接入

當(dāng)UE首次進(jìn)入5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，UE會與網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例集（AMF）中網(wǎng)絡(luò)切片選擇函數(shù)（NSSF）進(jìn)行交互。5G基站gNB 和AMF 內(nèi)存有一個(gè)NSSAI 列表，其中包括多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片列表S-NSSAI。在各個(gè)S-NSSAI 中，包含有網(wǎng)絡(luò)切片的功能和業(yè)務(wù)類型信息（SST）和輔助可選信息（SD）。系統(tǒng)可以通過選擇S-NSSAI 來應(yīng)答UE 發(fā)起的請求，選擇對應(yīng)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)切片的選擇如圖3所示。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)SST數(shù)值

為便于在切片之間建立全面互操作，實(shí)施高效漫游，5G 網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)SST 數(shù)值對應(yīng)不同的服務(wù)類型，對應(yīng)于5G 定義的三大應(yīng)用場景，標(biāo)準(zhǔn)SST 對應(yīng)數(shù)值表如表1所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)切片PDU session建立

圖3 網(wǎng)絡(luò)切片的選擇

表1 三大應(yīng)用場景對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)SST

3 網(wǎng)絡(luò)切片研究熱點(diǎn)

3.1 網(wǎng)絡(luò)切片的部署

網(wǎng)絡(luò)切片在物理設(shè)施基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)邏輯隔離，其部署問題就成了網(wǎng)絡(luò)切片的研究熱點(diǎn)之一。在SDN 和NFV 技術(shù)的支持下，5G 網(wǎng)絡(luò)能夠提供更加精細(xì)化、靈活化、專一化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，同時(shí)大大降低運(yùn)維成本。對網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行部署后，用戶可以選擇經(jīng)過SDN控制器統(tǒng)一編排過的網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行精準(zhǔn)服務(wù)［8-9］。

網(wǎng)絡(luò)切片部署需要在底層通用設(shè)備資源的基礎(chǔ)上根據(jù)VNF 和用戶需求進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)用戶所需的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)［10］。對物理設(shè)備資源進(jìn)行抽象后的網(wǎng)絡(luò)切片部署示意圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)切片部署示意圖

網(wǎng)絡(luò)切片可以由1 個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備承載，這些設(shè)備間可以直接互連，也可以通過其他設(shè)備間接連接。網(wǎng)絡(luò)切片使用的物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源可以是全部，也可以是其中某一部分。

3.1.1 研究熱點(diǎn)

目前關(guān)于網(wǎng)絡(luò)切片部署的研究，主要集中在提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備負(fù)載均衡等問題上。

當(dāng)前的研究中，R Cohen 等人為解決物理網(wǎng)絡(luò)承載虛擬分片問題，提出了一種近似最優(yōu)算法來解決部署的問題，基于用戶端之間的距離和虛擬功能，設(shè)計(jì)了雙標(biāo)準(zhǔn)解決方案，但是停于理論沒做實(shí)際試驗(yàn)［11］。針對動態(tài)NFV 布局問題，Otokura M 等人提出了MVG的概率，并根據(jù)遺傳算法提出了動態(tài)NFV 布局的解決方案［12］。為了解決vEPC 網(wǎng)絡(luò)中VNF 的池組化部署問題，湯紅波等提出了一種VNF 部署模型來支持節(jié)點(diǎn)分割，可以有效降低資源開銷［13］?？紤]到VNF 布局和鏈接的問題，Luizelli M C 等人提出了一種可以結(jié)合可變領(lǐng)域搜索的基于固定優(yōu)化的啟發(fā)式算法，可以針對多個(gè)VNF 布局使用［14］。從最小化被占用鏈路和節(jié)點(diǎn)資源考慮出發(fā)，Baumgartner A 等人針對移動核心網(wǎng)網(wǎng)元（PGW、SGW、MME 等）形成的SFC 進(jìn)行網(wǎng)元功能部署和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化［15］。針對彈性虛擬網(wǎng)絡(luò)功能布局（EVNFP）問題，Ghaznavi M 等人提出了一種最小化VNF 服務(wù)中運(yùn)營成本的方法［16］。Moens H 等建立了一個(gè)評估模型來對VNF P 模型進(jìn)行評估［17］。Cao J 等在現(xiàn)有的多目標(biāo)遺傳算法和改進(jìn)的非支配排序遺傳算法的基礎(chǔ)上，提出并比較了4 種遺傳算法來對鏈路最大利用率以及帶寬消耗進(jìn)行優(yōu)化［18］。

3.1.2 總結(jié)與發(fā)展預(yù)測

總體而言，現(xiàn)有研究針對VNF 部署，主要集中在互聯(lián)網(wǎng)和演進(jìn)分組核心網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)場景下的針對不同目標(biāo)的VNF 部署策略和優(yōu)化。其中優(yōu)化方向主要有降低VNF 部署成本、平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、多個(gè)VNF 布局評估、節(jié)約物理承載資源等方面。而用戶服務(wù)還有多個(gè)VNF 聯(lián)合應(yīng)用的情況，這方面的研究較少，針對多個(gè)VNF 的聯(lián)合應(yīng)用的研究尚待突破。另外考慮到5G 網(wǎng)絡(luò)切片采用SDN 和NFV 技術(shù)，由此引入的虛擬化技術(shù)可能會導(dǎo)致安全性問題［19-20］，預(yù)計(jì)安全性問題會成為網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的下一個(gè)研究熱點(diǎn)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)切片的資源調(diào)配

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)使得在一套物理設(shè)備基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)，那么各個(gè)業(yè)務(wù)之間的資源如何調(diào)配也成了其另一研究熱點(diǎn)。一個(gè)簡單的5G 單小區(qū)下行鏈路網(wǎng)絡(luò)切片模型如圖5所示。假設(shè)物理設(shè)備為一個(gè)小區(qū)基站，小區(qū)用戶分為標(biāo)準(zhǔn)的三大應(yīng)用場景eMBB、uRLLC 和mMTC，用戶數(shù)分別為Ke、Ku 和Km，其他用戶為Ko，一個(gè)用戶只接入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，以資源塊（RB）為單位進(jìn)行資源分配，分配給三大場景的資源塊分別為Ne、Nu和Nm。

圖5 5G單小區(qū)下行鏈路網(wǎng)絡(luò)切片模型

常用的資源調(diào)度方法有以下3種。

a）輪詢算法（RR），其基本思想類似于時(shí)分復(fù)用，輪流為用戶提供服務(wù)［21］。把服務(wù)時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)間段，每到一時(shí)間段就為對應(yīng)的場景用戶提供服務(wù)。隨著時(shí)間的變化，服務(wù)場景對象輪流替換。場景服務(wù)次序可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。輪詢算法不考慮信道差異，可以為用戶提供相對公平的服務(wù)，但是系統(tǒng)資源浪費(fèi)較大，用戶吞吐量較低。

b）最大載干比算法（Maximum C/I），其基本思想是根據(jù)用戶的信道條件來分配資源塊［22］。信道條件越好的用戶，其享受服務(wù)的優(yōu)先級越高。假設(shè)用戶優(yōu)先級有：Pe（t）＞Pu（t）＞Pm（t），則根據(jù)最大載干比算法，可以得到各個(gè)場景分得的資源塊數(shù)有：Ne＞Nu＞Nm，用戶信道條件和時(shí)間t有關(guān)，具體每個(gè)場景分得的資源塊數(shù)與信道條件的差異性和各場景用戶數(shù)有關(guān)。最大載干比算法常用公式為：k=arg maxRi（t），其中，k是某一用戶，Ri（t）表示某一用戶的瞬時(shí)傳輸速率。最大載干比算法可以保證整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率最高，吞吐量實(shí)現(xiàn)最大化，但是會造成用戶間的分配不公平合理。

c）比例公平算法（PF），其主要思想是選擇用戶時(shí)考慮瞬時(shí)速率和長期平均速率的比值，利用比值對用戶優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)整，兼顧系統(tǒng)性能和用戶體驗(yàn)［23］。用戶優(yōu)先級可表示為，則比例公平算法可表示為：其中，k表示被選中的用戶，即優(yōu)先級最高的用戶。Rk（t）表示用戶在t時(shí)刻的瞬時(shí)速率表示用戶在t時(shí)刻積累的平均傳輸速率，如果設(shè)定取時(shí)刻t前n個(gè)時(shí)隙來進(jìn)行計(jì)算，則平均速率可以表示為：，其中，表示第m個(gè)時(shí)隙上的平均速率，表示為：，其中，tm表示第m個(gè)時(shí)隙占用的時(shí)間長度，Rk（a）表示時(shí)刻a的瞬時(shí)傳輸速率。根據(jù)比例算法，用戶越使用服務(wù)，其優(yōu)先級會逐漸降低，而使用較少的用戶優(yōu)先級會逐漸升高。保證系統(tǒng)性能的同時(shí)兼顧到公平性，是一種折中算法。

資源調(diào)配在網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)中算是一個(gè)核心難點(diǎn)問題。由于用戶需求可能由1 個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片滿足，故資源調(diào)配不但包括切片內(nèi)的資源調(diào)配，還包括切片間的資源調(diào)配。同時(shí)不同業(yè)務(wù)具有各自不同的網(wǎng)絡(luò)性能需求，如eMBB 業(yè)務(wù)有較高速率需求、uRLLC業(yè)務(wù)要考慮時(shí)延問題、mMTC 則要關(guān)心丟包率的情況。而系統(tǒng)對需求的應(yīng)答又可以分為靜態(tài)、半靜態(tài)和動態(tài)等。故現(xiàn)有的資源調(diào)配算法能在某一方面取得性能優(yōu)勢，但是在綜合性能上目前沒有一套標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)度模型能讓各業(yè)務(wù)調(diào)度都滿意，故在網(wǎng)絡(luò)切片資源調(diào)度上還需要進(jìn)一步研究下去。

在當(dāng)前的研究中，粟欣等提出了一種注重滿足切片間資源分配公平的算法，但是沒有考慮到切片間需求的差異性［24］。Yang M 等人提出了一種無線資源分配共享方案，但是沒有考慮到切片間的分配問題［25］。Kamel M I等人提出了一種快速分配資源塊的方法，但是沒有結(jié)合不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量來考慮［26］。周恒等提出了一種在SDN/NFV 架構(gòu)下的GA-PSO 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)切片算法，融合了粒子群算法快速收斂最優(yōu)解，得到網(wǎng)絡(luò)切片性能函數(shù)［27］。李凌書提出了通過細(xì)粒度按需創(chuàng)建分配5G網(wǎng)絡(luò)切片資源的方法，可以適應(yīng)多樣性的業(yè)務(wù)類型［28］。唐倫等提出了一種根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片差異區(qū)分，進(jìn)行最大化網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率的算法，但沒有充分考慮到用戶間的公平性［29］。Wang Hucheng等提出了一種綜合考慮移動性網(wǎng)絡(luò)切片的方法應(yīng)用于不同業(yè)務(wù)的引流上，但是沒有考慮到大規(guī)模用戶使用的情況下系統(tǒng)如何支持的問題［30］。

現(xiàn)在學(xué)術(shù)界對資源調(diào)度還沒有提出一種面面俱到的算法，在追求用戶滿意和效益最大的進(jìn)程中，資源的利用率成了主要研究點(diǎn)，對資源分配的算法還在持續(xù)研究中。

3.3 相關(guān)研究點(diǎn)

當(dāng)前5G 的發(fā)展越來越迅速，5G 技術(shù)中網(wǎng)絡(luò)切片的研究也越來越多。除了上述的5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)研究熱點(diǎn)外，關(guān)于5G網(wǎng)絡(luò)切片的技術(shù)還有不少其他方面內(nèi)容，如：項(xiàng)弘禹等提出了將網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算融合來滿足商業(yè)模型，從而降低接入成本的方法［31］。Samdanis K 等提出了用戶動態(tài)地通過信令請求和租賃物理設(shè)備資源的問題［32］。Zhou X 等人提出了層次化NSaaS 的概念，通過服務(wù)質(zhì)量協(xié)調(diào)和服務(wù)水平協(xié)議映射，幫助網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者給用戶提供定制的端到端服務(wù)的方法［33］。Foukas X 等人提出了一個(gè)5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)框架并進(jìn)行了當(dāng)前技術(shù)評估［34］。在分析了當(dāng)前5G 網(wǎng)絡(luò)所面臨的挑戰(zhàn)后，Rost P 等提出了靈活的無線接入網(wǎng)絡(luò)方式并對網(wǎng)絡(luò)切片的收益問題做了研究［35］。而Ordonez-Lucena J 等人在總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)切片的常用技術(shù)后，分析了ETSI 的建議，提出了將SDN 能力納入NFV架構(gòu)的建議［36］。考慮到網(wǎng)絡(luò)切片用戶和業(yè)務(wù)優(yōu)先級方面的影響，Jiang M 等提出了一種基于啟發(fā)式的接入控制機(jī)制方式，能動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)資源，最大滿足用戶需求［37］?？紤]到多小區(qū)的RAN 切片問題，Sallent O 等人提出了4 種不同的RAN 切片方法并從不同角度進(jìn)行了比較［38］。

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的發(fā)展并不成熟，各項(xiàng)技術(shù)也在不斷研究完善中。網(wǎng)絡(luò)切片的技術(shù)研究已經(jīng)成了一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。除了上述研究外，目前可以著重考慮一下的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)突破點(diǎn)有：RAN 的切片隔離問題、網(wǎng)絡(luò)切片的真實(shí)部署問題、用戶接入控制問題、高速移動用戶的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)選擇問題和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)與新技術(shù)的融合相關(guān)問題。

4 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以通過同一套物理網(wǎng)絡(luò)承載多個(gè)邏輯隔離的端到端網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)之間，包括接入層、匯聚層和核心層，都形成邏輯獨(dú)立的關(guān)系。通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以提供不同側(cè)重點(diǎn)的業(yè)務(wù)，滿足不同用戶的需求。在可以預(yù)見的將來，網(wǎng)絡(luò)切片和網(wǎng)絡(luò)虛擬化的運(yùn)營方式將會代替?zhèn)鹘y(tǒng)運(yùn)營模式，構(gòu)建專屬化和精確化的網(wǎng)絡(luò)承載模式。

本文從網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的架構(gòu)問題出發(fā)，介紹了網(wǎng)絡(luò)切片PDU session 的建立和UE 對網(wǎng)絡(luò)切片的選擇接入過程，著重討論并分析了5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的兩大研究熱點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)切片的部署和切片間的資源分配問題，并對當(dāng)前這兩大研究熱點(diǎn)的最新研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié)。最后介紹了關(guān)于5G 網(wǎng)絡(luò)切片的其他研究點(diǎn)并列出了有關(guān)5G 網(wǎng)絡(luò)切片的技術(shù)調(diào)整及研究突破方向，為后續(xù)研究發(fā)展提供參考。