面向5G的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)研究

張夢(mèng)珍，肖 娟，馬文曦，楊 蕾

武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院

0 引言

雖然前幾代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)可以支持語音、數(shù)據(jù)、視頻等服務(wù)，但傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)受到了業(yè)務(wù)單調(diào)化的限制。與之不同的是，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)不再是單一網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，它將電信生態(tài)系統(tǒng)向垂直產(chǎn)業(yè)開放，能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下不同終端的差異化通信業(yè)務(wù)。

為保障5G網(wǎng)絡(luò)不同場(chǎng)景下不同邏輯業(yè)務(wù)及應(yīng)用的需求在拓?fù)浣M網(wǎng)結(jié)構(gòu)上最大化資源分配的靈活性，需對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的編排設(shè)計(jì)以及應(yīng)用作進(jìn)一步的研究。本文對(duì)核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過XLABS 5G網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)驗(yàn)證其可行性。

1 網(wǎng)絡(luò)切片介紹

《5G消息白皮書》提出的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)根據(jù)場(chǎng)景需求，通過NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，Network Function Virtualization）對(duì)設(shè)備資源進(jìn)行合理化分配，將其轉(zhuǎn)換成多個(gè)粒度不同的、隔離度高的端到端網(wǎng)絡(luò)切片。作為運(yùn)營(yíng)商進(jìn)入具有巨大市場(chǎng)規(guī)模的垂直業(yè)務(wù)的關(guān)鍵推動(dòng)力，網(wǎng)絡(luò)切片通過按需組網(wǎng)的方式，虛擬多個(gè)分別適應(yīng)不同業(yè)務(wù)且彼此絕緣的子網(wǎng)切片。根據(jù)功能和所在的層次，子網(wǎng)切片可劃分為3類：核心網(wǎng)子切片、接入網(wǎng)子切片、傳輸網(wǎng)子切片。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)使得運(yùn)營(yíng)商可以在統(tǒng)一的物理設(shè)備上承載多種不同QoS需求的業(yè)務(wù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化，減少了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本。

1.1 核心網(wǎng)切片

核心網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)直接承接業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)層，需要有根據(jù)不同的工作情景靈活分配和部署網(wǎng)絡(luò)的功能?；趯Ｓ迷O(shè)備的傳統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)，不能滿足5G網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)等級(jí)協(xié)議的需求。因此，5G核心網(wǎng)絡(luò)不能再采用集中化的架構(gòu)。

5G核心網(wǎng)通過模塊化實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能間的解耦和整合，將網(wǎng)絡(luò)功能解耦為服務(wù)化組件，組件之間使用輕量級(jí)開放接口通信，每個(gè)服務(wù)都可以根據(jù)需要單獨(dú)開發(fā)和部署。這是一個(gè)連貫和低耦合的結(jié)構(gòu)，使核心網(wǎng)絡(luò)具有靈活性、開放性和可訪問性，從而滿足5G網(wǎng)絡(luò)切片按需定制和動(dòng)態(tài)部署的要求。

1.2 接入網(wǎng)切片

5G網(wǎng)絡(luò)需要承載更多類型的業(yè)務(wù)以及多元化的應(yīng)用場(chǎng)景，因此需要根據(jù)SLA需求的不同，進(jìn)行接入網(wǎng)子切片的定制，以實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)接入。該網(wǎng)絡(luò)主要側(cè)重于切分終端的功能和時(shí)間頻率資源。當(dāng)切分接入網(wǎng)時(shí)，可以根據(jù)應(yīng)用程序的需要進(jìn)行切片。一些應(yīng)用可以通過嚴(yán)格控制無線電頻率資源，完成接入網(wǎng)子切片。軟切片可以通過共享無線頻率資源的動(dòng)態(tài)分配來實(shí)現(xiàn)，并可以在個(gè)性化服務(wù)的同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

1.3 傳輸網(wǎng)切片

傳輸網(wǎng)切片運(yùn)用虛擬化技術(shù)，在傳輸硬件設(shè)施中切分出多個(gè)邏輯的虛擬傳輸子網(wǎng)。各個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)具有獨(dú)立的控制面、管理面和轉(zhuǎn)發(fā)面。每個(gè)切面都需要一個(gè)控制器來管理拓?fù)?、資源和協(xié)議棧，各虛擬網(wǎng)絡(luò)之上可獨(dú)立支持各種不同的業(yè)務(wù)。

2 核心網(wǎng)切片設(shè)計(jì)

想在5G的后期實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行，關(guān)鍵是打破無線通信的瓶頸。在建立組網(wǎng)方面，為了減少端到端網(wǎng)絡(luò)傳輸渠道，降低傳送的成本并縮短時(shí)間延遲，分散布置核心網(wǎng)絡(luò)是必要的。

核心網(wǎng)根據(jù)需要采用多級(jí)DC（雙連接，Dual Connectivity）架構(gòu)。與中心DC相比，邊緣雙連接架構(gòu)和接入雙連接架構(gòu)更接近用戶層，控制區(qū)的信令仍上載到核心層進(jìn)行處理，而用戶面數(shù)據(jù)則由邊緣或訪問點(diǎn)直接處理并分配。在邊緣輕量化建設(shè)和控制方面，要分割核心網(wǎng)的用戶面和控制面，將UE按需下沉到邊緣或訪問雙連接架構(gòu)中即可。

對(duì)于需要大帶寬和高速率的VR/AR和8K視頻等業(yè)務(wù)，如果此類業(yè)務(wù)的用戶面功能在核心層的話，就會(huì)帶來傳輸網(wǎng)帶寬壓力增大或用戶體驗(yàn)差等問題。語音通話、普通的Web網(wǎng)頁業(yè)務(wù)等，對(duì)于帶寬或時(shí)延要求并不高，此時(shí)，為了減少成本，可以將該類應(yīng)用的用戶面功能部署在核心層。核心網(wǎng)切片方案配置的參數(shù)如表1所示。

表1 核心網(wǎng)切片的參數(shù)配置

當(dāng)5G終端開展業(yè)務(wù)時(shí)，首先需要建立終端與應(yīng)用數(shù)據(jù)之間的傳輸通道，實(shí)現(xiàn)用戶面的功能。SMF通過DNN之間的關(guān)聯(lián)（相當(dāng)于4G中的APN）來選擇相應(yīng)的UPF進(jìn)行PDU會(huì)話的建立。通過XLABS 5G網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，基于NFV的5G核心網(wǎng)子切片的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 核心網(wǎng)切片示例

將網(wǎng)絡(luò)切片編排完成后，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的入網(wǎng)選擇，而后將5G終端切換至屏幕界面，點(diǎn)擊瀏覽器并進(jìn)行搜索以檢驗(yàn)方案的可行性，該切片的終端顯示和具體工作流程如圖2所示。

圖2 核心網(wǎng)切片終端顯示及工作流程

可見，切片完成了建立會(huì)話并且訪問成功，證明了該切片在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

3 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)切片作為5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一，能實(shí)現(xiàn)根據(jù)業(yè)務(wù)需求機(jī)動(dòng)組網(wǎng)，提高服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性，隔離定制化的網(wǎng)絡(luò)資源，確保功能需求。網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用為5G網(wǎng)絡(luò)提供了靈活的部署策略和定制化的業(yè)務(wù)方案，使得5G的發(fā)展前景更加廣闊。本文針對(duì)核心網(wǎng)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)切片方案設(shè)計(jì)，通過XLABS 5G網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)進(jìn)行切片編排和仿真運(yùn)行，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。