5G端到端切片技術(shù)實現(xiàn)探討

伍 嘉，王志會，劉凡棟，尼松濤（.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團有限公司，北京 00033）

1 5G切片技術(shù)背景

伴隨著移動通信網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，各種依賴于移動網(wǎng)絡(luò)的新興業(yè)務(wù)及應(yīng)用如雨后春筍般涌現(xiàn)出來。網(wǎng)絡(luò)直播、智能穿戴、傳感器遠程監(jiān)控等早已融入社會的各個角落，出現(xiàn)在幾乎每個人的生活中。4K/8K直播、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）以及各種垂直行業(yè)應(yīng)用如云游戲、遠程醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)對移動網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延、可靠性等要求嚴苛，4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已無法滿足這些需求。而5G網(wǎng)絡(luò)部署商用，則為這些新興業(yè)務(wù)提供了有力的保障。

作為5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slicing）技術(shù)允許在同一物理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，按需隔離出若干張邏輯隔離的虛擬專網(wǎng)，每個邏輯隔離的虛擬專網(wǎng)即網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)切片可提供特定網(wǎng)絡(luò)能力和特性，通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)加持，可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)資源的靈活匹配，基于一張物理網(wǎng)絡(luò)虛擬出多張滿足不同業(yè)務(wù)應(yīng)用場景差異化需求的5G切片網(wǎng)絡(luò)，并能充分共享物理網(wǎng)絡(luò)資源。

切片概念最先由運營商聯(lián)盟NGMN 提出，標準化工作主要由3GPP 完成，GSMA 制定了通用切片模板GST（Generic Network Slice Template）［1］，目前切片vendor 國內(nèi)主要有華為、中興，海外則主要為愛立信。5G網(wǎng)絡(luò)切片的定義如表1所示。

表1 5G網(wǎng)絡(luò)切片的定義

5G 網(wǎng)絡(luò)切片能夠為不同垂直行業(yè)提供差異化、相互隔離、功能和容量可定制的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實現(xiàn)客戶化定制的網(wǎng)絡(luò)切片的設(shè)計、部署和運維，功能場景和設(shè)計方案可進行獨立裁剪。同時，網(wǎng)絡(luò)切片能夠保證業(yè)務(wù)的端到端服務(wù)等級協(xié)議（SLA——Service Level Agreement），具備性能可保障性。

2 5G網(wǎng)絡(luò)切片關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)

由于不同行業(yè)對5G網(wǎng)絡(luò)的時延、移動性、覆蓋、可靠性、速率、連接密度、連接成本等特性需求不同，這些差異化業(yè)務(wù)需求可以歸結(jié)為以下3 類：網(wǎng)絡(luò)性能需求、安全可靠性需求、網(wǎng)絡(luò)自運維需求。

a）網(wǎng)絡(luò)性能需求：網(wǎng)絡(luò)的上行、下行、吞吐率、時延、移動性、覆蓋概率。

b）安全可靠性需求：可用性、可快速恢復(fù)、安全、可隔離。

c）網(wǎng)絡(luò)自運維需求：用戶ID 管理、鑒權(quán)認證、位置、話單、計費、會話、業(yè)務(wù)感知。

網(wǎng)絡(luò)自運維需求與運營商對切片管理能力強相關(guān)，將在下一章節(jié)進行詳細分析。前兩點業(yè)務(wù)需求屬于由網(wǎng)絡(luò)技術(shù)直接實現(xiàn)保障的需求。

一個端到端網(wǎng)絡(luò)切片的實現(xiàn)，需要終端、無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)等多個領(lǐng)域共同協(xié)作執(zhí)行，通過若干個子切片網(wǎng)絡(luò)的搭建，最終構(gòu)建起端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，如圖1所示。這其中，不同領(lǐng)域又對切片有著不同的技術(shù)方案與實現(xiàn)形式要求?；诓煌募夹g(shù)手段，差異化的業(yè)務(wù)需求得以在同一組網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)。

2.1 終端切片實現(xiàn)技術(shù)與要求

圖1 端到端網(wǎng)絡(luò)切片組成示意圖

為了能夠順利接入一個5G 網(wǎng)絡(luò)切片，UE 首先應(yīng)滿足以下網(wǎng)絡(luò)切片相關(guān)功能要求。

a）具備同時接入至少2個網(wǎng)絡(luò)切片的能力。

b）支持網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能，支持在RRC層和NAS層攜帶網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息標識（NSSAI——Network Slicing Selection Assistant Information）。

c）支持存儲并識別網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的UE 路由選擇策略（URSP），并根據(jù)URSP 規(guī)則進行切片選擇，其中必須支持以DNN 進行網(wǎng)絡(luò)切片選擇，但更推薦支持基于IP三元組、APP ID、FQDN 完成業(yè)務(wù)和對應(yīng)S-NSSAI 的綁定，對PDU會話進行相應(yīng)配置。

其中，URSP 策略是配置在核心網(wǎng)策略控制功能（PCF——Policy Control Function）內(nèi)，用于發(fā)送給終端的OTT 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)選擇的策略信息，其作用是在網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制不同業(yè)務(wù)流激活到不同的網(wǎng)絡(luò)切片，最終實現(xiàn)業(yè)務(wù)分流。圖2 所示的是基于URSP 策略的切片選擇邏輯。

2.2 無線切片實現(xiàn)技術(shù)與要求

無線子切片是E2E 網(wǎng)絡(luò)切片的子切片。由一組配置規(guī)則和切片ID 的映射，通過調(diào)度和不同的L1/L2配置來完成切片所支持的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

無線子切片技術(shù)的核心有3點：

a）服務(wù)質(zhì)量（QoS）。即核心網(wǎng)針對不同用戶配置差異化QoS，整體規(guī)劃，無線側(cè)按配置實現(xiàn)切片內(nèi)、切片間的QoS差異化調(diào)度。

b）劃分切片組。確定切片組及用戶群組，根據(jù)分組劃分小區(qū)資源。

圖2 基于URSP策略的切片選擇過程

圖3 無線子切片實例與核心網(wǎng)子切片關(guān)系

無線子切片可以被專享，即一個無線子切片對應(yīng)于一個核心網(wǎng)切片；也可以被共享，即一個無線子切片對應(yīng)于多個核心網(wǎng)切片。核心網(wǎng)切片的數(shù)量可以很多，但是受限于資源等因素無線子切片數(shù)量有限，具有類似無線特性的切片可以共享一個無線子切片，如圖3所示。

在無線子切片的實現(xiàn)上，目前主要有3 種方案。分別是基于QoS 的無線軟切片實現(xiàn)方案；基于PRB 分配的無線軟切片實現(xiàn)方案和基于空口資源分配的無線硬切片實現(xiàn)方案。作為實現(xiàn)基礎(chǔ)，基于QoS的實現(xiàn)方案，使無線側(cè)不僅可以支持如圖4 所示的不同切片間QoS 差異化調(diào)度，還要可支持切片內(nèi)的QoS差異化，即在一個切片內(nèi)支持不同QoS。

圖4 基于QoS的切片間差異化調(diào)度

QoS 是針對單個承載/Flow 的優(yōu)先級，切片是針對一組承載/Flow 的資源保證。同一切片的不同業(yè)務(wù)可以有不同的QoS，按照QoS 區(qū)分優(yōu)先級?；诖耍瑹o線子切片可根據(jù)SLA，對切片中各承載的PDCP、RLC、MAC 參數(shù)配置和調(diào)整，還可為不同切片的相同5QI 業(yè)務(wù)配置優(yōu)先級差異化權(quán)值，實現(xiàn)相同5QI 不同業(yè)務(wù)的差異化處理終端。

此外，在傳統(tǒng)優(yōu)先級調(diào)度算法基礎(chǔ)上，還增加了針對切片級帶寬維度的保障實現(xiàn)，在調(diào)度時，如果某切片的帶寬未達到門限，則進行優(yōu)先調(diào)度。基于QoS的切片帶寬保障如圖5所示。

圖5 基于QoS的切片帶寬保障

基于PRB分配的實現(xiàn)方案的基礎(chǔ)是，5G空口頻譜資源從時、頻、空域等多個維度劃分為不同的資源塊（PRB）。將不同用戶的數(shù)據(jù)承載（DRB）映射到不同的RB 上，即可實現(xiàn)各切片所需的PRB 按頻域（BWP）或按照PRB 資源百分比進行切分調(diào)度，基于PRB 分配的無線子切片實現(xiàn)如圖6所示。

圖6 基于PRB分配的無線子切片實現(xiàn)

基于空口資源分配的無線子切片方案可以做到空口資源的絕對隔離保障，但頻譜資源的利用效率降低，因此不適合大規(guī)模應(yīng)用，可在一些小范圍特定場景下的局部區(qū)域應(yīng)用。

2.3 承載切片實現(xiàn)技術(shù)與要求

承載網(wǎng)可根據(jù)業(yè)務(wù)需求，在同一張物理網(wǎng)絡(luò)上進行資源分割形成多個虛擬網(wǎng)絡(luò)（切片網(wǎng)絡(luò)）。不同切片網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源具有隔離性。

針對承載網(wǎng)子切片的隔離度要求，主要有VPN 技術(shù)和端口級FlexE技術(shù)兩大技術(shù)實現(xiàn)。

對話、反思、質(zhì)疑——埃弗雷特的小說創(chuàng)作研究 …………………………………………………… 王玉括（5.92）

a）VPN 技術(shù)。作為一項成熟技術(shù)，VPN 提供“彈性”隔離通道，不同的業(yè)務(wù)采用不同的VPN 提供業(yè)務(wù)層面的邏輯隔離，特點是不同業(yè)務(wù)之間共同占用帶寬。但由于VPN 本身并不提供差異化的保障能力，因此單一個VPN 技術(shù)應(yīng)用會存在業(yè)務(wù)間搶占問題。不過通過部署QoS，依然可以解決這類問題。

b）端口級FlexE 技術(shù)。端口級FlexE 技術(shù)是業(yè)界主流方案，其遵從OIF2.1 標準。FlexE 既是硬隔離技術(shù)，又是差異化技術(shù)。靈活以太網(wǎng)基于Client/Group 架構(gòu)，可以支持任意多個不同子接口速率在任意一組的PHY上映射和傳輸。FlexE技術(shù)模型如圖7所示。

圖7 FlexE技術(shù)模型

在承載子切片的差異化方面，目前主要有QoS、FlexE等技術(shù)。

其中，QoS 作為差異化調(diào)度技術(shù)，通過流量管理和差異化調(diào)度，滿足不同業(yè)務(wù)的訴求，同時最大化統(tǒng)計復(fù)用。通過DSCP/802.1P 的優(yōu)先級標識傳遞，可以實現(xiàn)跨專業(yè)域的QoS質(zhì)量保障需求一致。通常現(xiàn)網(wǎng)采用單級QoS 部署方案（非HQoS），可調(diào)度8 個隊列，每個隊列中均是多個業(yè)務(wù)共享。單級QoS 部署方案如圖8所示。

圖8 單級QoS部署方案

而利用FlexE 技術(shù)，可以提供隊列和接口的物理資源隔離，從而實現(xiàn)基于業(yè)務(wù)訴求提供靈活的資源。

2.4 核心網(wǎng)切片實現(xiàn)技術(shù)與要求

針對不同的切片隔離需求，核心網(wǎng)通過網(wǎng)元的編排，實現(xiàn)共享切片和獨享切片2種部署形式。

a）共享切片。核心網(wǎng)共享切片分為完全共享和部分共享2種形式。

（a）完全共享。即一整套核心網(wǎng)網(wǎng)元所組成的切片實例被多個切片所共享。在完全共享切片內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)可以通過QoS來實現(xiàn)不同切片間的差異化調(diào)度。

（b）部分共享。部分共享形式則可根據(jù)切片用戶的實際需求，由用戶獨享部分網(wǎng)元，如SMF、UPF 等網(wǎng)元，并通過網(wǎng)元的下沉部署，實現(xiàn)諸如數(shù)據(jù)不出園區(qū)或低時延等特定的需求。

b）獨享切片。核心網(wǎng)獨享切片則有某一切片用戶完全獨享全部核心網(wǎng)網(wǎng)元，或?qū)τ诟訃揽恋男枨?，可獨享全部核心網(wǎng)物理資源，來實現(xiàn)完全的隔離，具備極高的安全性。但核心網(wǎng)獨享切片的成本較高，一般只適合有極高隔離需求，并且對成本不敏感的少數(shù)客戶群體。

核心網(wǎng)切片的實現(xiàn)形式如圖9所示。

圖9 核心網(wǎng)切片實現(xiàn)方案

3 5G切片行業(yè)應(yīng)用展望

5G 網(wǎng)絡(luò)切片在技術(shù)層面相比垂直專網(wǎng)具有明顯優(yōu)勢，應(yīng)用潛力巨大。然而5G 剛剛起步，SA 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、終端操作系統(tǒng)的支持、終端模組的成熟和頂層應(yīng)用的發(fā)展尚需時日，切片網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需要經(jīng)歷一個相對較長的過程。對于未來5G網(wǎng)絡(luò)切片發(fā)展的幾個階段，預(yù)測如下：

在5G 商用初期（2019 年—2020 年），限于技術(shù)標準的完善程度及跨廠商跨域設(shè)備互通能力，運營商主要基于eMBB 的網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)服務(wù)，滿足2B2C 的云游戲、2B 的視頻直播、移動監(jiān)控等市場對移動高速互聯(lián)網(wǎng)專線接入服務(wù)的要求。

2021 年到2022 年，隨著終端逐漸成熟，應(yīng)用日趨豐富，云AR/VR有望在2021年后為5G帶來收入。

2022 年以后，uRLLC 將成為5G 全新的業(yè)務(wù)收入點，市場空間大，特別是車聯(lián)網(wǎng)有移動性、低時延、大帶寬等典型需求；但產(chǎn)業(yè)成熟度低，處于培育階段。mMTC 很長時間需依靠NB-IoT/e-MTC（到2022 年前后），做好4G IOT是5G物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵的一步，mMTC作為遠期布局。

作為一個新生的網(wǎng)絡(luò)運營模式，5G 網(wǎng)絡(luò)切片是電信業(yè)的美好愿景，在實現(xiàn)和落地上有幾個關(guān)鍵問題需要長期貫徹。

首先，5G 網(wǎng)絡(luò)切片要讓客戶擁有良好的體驗，避免給客戶定制網(wǎng)絡(luò)帶來理解上和運營維護上的困擾。運營商需在合作中不斷探索理解客戶的業(yè)務(wù)需求和可行的收益模式。

其次，5G 網(wǎng)絡(luò)切片將一張網(wǎng)絡(luò)虛擬成N張邏輯網(wǎng)絡(luò)，需要在成本側(cè)具備明顯的競爭力，從而挑戰(zhàn)乃至顛覆原有的專網(wǎng)專用商業(yè)模式。目前實現(xiàn)技術(shù)太復(fù)雜，涉及復(fù)雜的資源管理，這些都可能會成為發(fā)展的阻力。

再次，5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期長，5G 網(wǎng)絡(luò)切片也需要不斷增添專業(yè)性的垂直行業(yè)解決方案及應(yīng)用能力，不斷滿足特定行業(yè)的切片需求，例如車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等。