5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)及應(yīng)用綜述

陳慧杰，邢松峰

（中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 第四分公司，河南 鄭州 450000）

1 概 述

目前，5G網(wǎng)絡(luò)為制造業(yè)、金融業(yè)、服務(wù)業(yè)等行業(yè)提供了重要的服務(wù)支撐。作為第五代移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)之一，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)旨在對(duì)現(xiàn)有物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，形成多個(gè)獨(dú)立的邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而為差異化業(yè)務(wù)提供定制化服務(wù)。不同業(yè)務(wù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的要求是多樣化的，例如4K/8K融合媒體、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）全息影像、視頻娛樂(lè)服務(wù)等業(yè)務(wù)需要高帶寬、高質(zhì)量的移動(dòng)或固定網(wǎng)絡(luò)帶寬連接，智慧城市、智能家居、智能電網(wǎng)等需要大規(guī)模連接和頻繁傳輸小型數(shù)據(jù)包的服務(wù)支撐，而智能工業(yè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動(dòng)駕駛等要求毫秒級(jí)時(shí)延和超高可靠性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量保障。5G網(wǎng)絡(luò)3大應(yīng)用場(chǎng)景為增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠性低時(shí)延通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）以及海量機(jī)器類(lèi)通信（Massive MachineType Communication，mMTC）。為滿足不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)需求，基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）的技術(shù)架構(gòu)，根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景和需求提出網(wǎng)絡(luò)切片的概念，實(shí)現(xiàn)端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)劃分，按需配置網(wǎng)絡(luò)資源。5G網(wǎng)絡(luò)切片使每個(gè)應(yīng)用都得以?xún)?yōu)化和擴(kuò)展，而通信運(yùn)營(yíng)商也可以利用虛擬基礎(chǔ)設(shè)施按需重新規(guī)劃[1-3]。

使用NFV/SDN技術(shù)和通用硬件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能軟件化，實(shí)現(xiàn)差異性業(yè)務(wù)編排。業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)運(yùn)營(yíng)利用數(shù)字化平臺(tái)有效對(duì)接業(yè)務(wù)需求，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放能力，按照用戶(hù)面部署，降低業(yè)務(wù)時(shí)延，有效控制和緩解傳輸網(wǎng)壓力，使用戶(hù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)下沉至本地，實(shí)現(xiàn)高頻和低頻的混合組網(wǎng)。此外，5G核心網(wǎng)結(jié)合NFV基礎(chǔ)設(shè)施為普通消費(fèi)者、應(yīng)用提供商以及垂直行業(yè)需求方提供網(wǎng)絡(luò)切片與邊緣計(jì)算等新型業(yè)務(wù)，從傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)接入管道轉(zhuǎn)型為全社會(huì)信息化的賦能者。相比于4G網(wǎng)絡(luò)，5G核心網(wǎng)以原生方式高度適配云平臺(tái)，能夠提升控制與轉(zhuǎn)發(fā)的靈活性，增強(qiáng)開(kāi)放效果[4-6]。

2 網(wǎng)絡(luò)切片定義

網(wǎng)絡(luò)切片是基于邏輯的概念對(duì)資源進(jìn)行重組，通過(guò)核心NFV技術(shù)將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的硬件和軟件分離，硬件服務(wù)器統(tǒng)一部署，軟件由不同的網(wǎng)絡(luò)功能（Network Function，NF）承擔(dān)。根據(jù)承載業(yè)務(wù)的特性和需求，對(duì)端到端的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行邏輯劃分和封裝，按照用戶(hù)方網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、帶寬、可靠性等需求靈活提供一種或多種5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵服務(wù)。通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)切片將網(wǎng)絡(luò)資源靈活分配，網(wǎng)絡(luò)性能按需組合，基于5G網(wǎng)絡(luò)虛擬出多個(gè)具備不同特性的邏輯子網(wǎng)。端到端的網(wǎng)絡(luò)切片由核心網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)以及傳輸網(wǎng)子切片組成，并通過(guò)端到端切片編排管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

3 網(wǎng)絡(luò)切片整體架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 按需構(gòu)建基于服務(wù)化架構(gòu)的核心網(wǎng)切片

5G核心網(wǎng)摒棄傳統(tǒng)專(zhuān)用硬件組網(wǎng)方式，采用服務(wù)化架構(gòu)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(kāi)放接口通信。同時(shí)將控制面與用戶(hù)面數(shù)據(jù)分離，通過(guò)高內(nèi)聚低耦合的結(jié)構(gòu)使其具備敏捷、高效安全、易拓展以及靈活開(kāi)放等特性，滿足按需構(gòu)建、動(dòng)態(tài)彈縮部署以及高可靠性要求，滿足5G網(wǎng)絡(luò)切片在靈活性和服務(wù)等級(jí)協(xié)議（Service-Level Agreement，SLA）方面的需求。

3.2 基于統(tǒng)一空口架構(gòu)設(shè)計(jì)適配多場(chǎng)景的無(wú)線網(wǎng)切片

5G無(wú)線網(wǎng)切片基于軟件定義空口（Software Defined Air Interface，SDAI）的設(shè)計(jì)理念和框架，對(duì)多個(gè)無(wú)線空口功能模塊進(jìn)行靈活控制及編排，靈活的幀結(jié)構(gòu)、調(diào)制編碼、新波形、新型多址以及多天線等設(shè)計(jì)使得無(wú)線切片資源靈活分配。同時(shí)，5G無(wú)線網(wǎng)支持集中單元（Centralized Unit，CU）、分布單元（Distributed Unit，DU）靈活配置及部署。CU支持云化部署，也可下沉與DU集中部署，滿足不通場(chǎng)景下切片組網(wǎng)的差異化需求。

3.3 基于SDN、FlexE技術(shù)構(gòu)建靈活的傳輸網(wǎng)切片

傳輸網(wǎng)切片運(yùn)用SDN技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面與數(shù)據(jù)面分離，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，面向網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滟Y源構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)，使端到端網(wǎng)絡(luò)傳輸變得更加智能。同時(shí)，傳輸網(wǎng)切片基于靈活以太網(wǎng)技術(shù)（Flexible Ethernet，F(xiàn)lexE）構(gòu)建端到端的承載管道，具備高靈活性、端口內(nèi)業(yè)務(wù)隔離、差異化承載等特點(diǎn)?；赟DN、FlexE技術(shù)構(gòu)建靈活的傳輸網(wǎng)切片，從而有效滿足不同傳輸業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需求。

3.4 高效運(yùn)營(yíng)的端到端切片編排管理系統(tǒng)

切片編排管理系統(tǒng)具備切片環(huán)境設(shè)計(jì)、自動(dòng)化端到端編排部署、人工智能（Artificial Intelligence，AI）自動(dòng)運(yùn)維、網(wǎng)絡(luò)切片全生命周期管理以及全流程模型化驅(qū)動(dòng)等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)資源的靈活匹配，滿足用戶(hù)的快速定制和部署需求。

4 5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

4.1 核心網(wǎng)切片思路

網(wǎng)絡(luò)切片是在保障業(yè)務(wù)SLA的前提下，靈活地按需分配網(wǎng)絡(luò)資源。核心網(wǎng)作為直接承載業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)層級(jí)，采用服務(wù)化架構(gòu)解耦網(wǎng)絡(luò)功能組件、控制面與數(shù)據(jù)面分離、切片功能按需定制化等技術(shù)，滿足5G網(wǎng)絡(luò)切片的核心基礎(chǔ)功能。同時(shí)，核心網(wǎng)通過(guò)統(tǒng)一的功能服務(wù)模板與服務(wù)總線結(jié)合實(shí)現(xiàn)開(kāi)放化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)上層業(yè)務(wù)、應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口，由傳統(tǒng)集中式部署轉(zhuǎn)變?yōu)榭煞植际讲渴鸬奶摂M化架構(gòu)。

4.1.1 基于模塊服務(wù)化架構(gòu)的快速構(gòu)建

5G核心網(wǎng)支持靈活的NF服務(wù)和公共服務(wù)之間的組合，通過(guò)服務(wù)化架構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)功能解耦為服務(wù)化組件。對(duì)每個(gè)服務(wù)組件進(jìn)行統(tǒng)一的定義，抽象為服務(wù)化架構(gòu)。在可視化界面上，通過(guò)對(duì)各類(lèi)NF進(jìn)行拖拽組合的方式靈活編排，再將NF組合成eMBB、URLLC、mMTC等業(yè)務(wù)場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)切片。每個(gè)服務(wù)支持獨(dú)立的注冊(cè)、發(fā)現(xiàn)和升級(jí)等功能，能夠滿足各垂直行業(yè)的定制化需求?；诰W(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信 息（Network Slice Selection Assistance Information，NSSAI）、位置信息、切片負(fù)荷信息等，通過(guò)各種策略的網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能（Network Slice Selection Function，NSSF）實(shí)現(xiàn)切片選擇。

4.1.2 基于數(shù)據(jù)分離控制的靈活組網(wǎng)

分布式靈活部署、虛擬化部署是5G核心網(wǎng)的顯著特點(diǎn)，通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)功能抽象為服務(wù)，服務(wù)間通過(guò)接口的方式相互調(diào)用，實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)隔離。5G核心網(wǎng)突破了4G核心網(wǎng)中網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)元只能集中部署的限制，根據(jù)業(yè)務(wù)實(shí)際功能需求、用戶(hù)實(shí)際體驗(yàn)需求等選擇服務(wù)模塊進(jìn)行集中或分散式的匹配部署。經(jīng)典切片組網(wǎng)方式為5G核心網(wǎng)以NSSF和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)功能（NF Repository Function，NRF）作為核心公共服務(wù)，以公共陸地移動(dòng)網(wǎng)（Public Land Mobile Network，PLMN）為單位部署，提供接入管理功能（Access Management Function，AMF）、策略控制功能（Policy Control Function，PCF）、業(yè)務(wù)鑒權(quán)功能（Authentication Server Function，AUSF）以及統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能（Unified Data Management，UDM）等，通過(guò)會(huì)話管理（Session Management Function，SMF）、用戶(hù)面功能（User Plane Function，UPF）等滿足切片對(duì)時(shí)延、帶寬、安全等需求，為每個(gè)切片單獨(dú)部署不同的NF。根據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)成本、安全隔離、SLA等的要求，核心網(wǎng)切片支持GROUP A、GROUP B、GROUP C等多種共享類(lèi)型進(jìn)行靈活組網(wǎng)。

4.1.3 基于業(yè)務(wù)需求的切片能力定制化開(kāi)放

5G核心網(wǎng)通過(guò)統(tǒng)一的功能服務(wù)模板與服務(wù)總線結(jié)合，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放功能（Network Exposure Function，NEF）平臺(tái)向外部應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，對(duì)第三方應(yīng)用提供便利的接口服務(wù)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。此外，核心網(wǎng)由傳統(tǒng)集中式部署轉(zhuǎn)變?yōu)榭煞植际讲渴鸬奶摂M化架構(gòu)，支持定制化的網(wǎng)絡(luò)功能參數(shù)，個(gè)性化的網(wǎng)絡(luò)切片滿足外部的各種網(wǎng)絡(luò)需求。

4.2 無(wú)線網(wǎng)切片思路

無(wú)線網(wǎng)子切片是端到端網(wǎng)絡(luò)切片的關(guān)鍵組成部分，通過(guò)SDAI設(shè)計(jì)理念對(duì)多個(gè)無(wú)線空口功能模塊進(jìn)行靈活控制及編排，根據(jù)不同業(yè)務(wù)的SLA需求靈活配置及部署CU、DU，滿足不同場(chǎng)景下切片組網(wǎng)的差異化需求。

4.2.1 基于空口統(tǒng)一框架的無(wú)線網(wǎng)切片

無(wú)線網(wǎng)基于統(tǒng)一的空口框架，采用SDAI的設(shè)計(jì)理念，以空口功能模塊定制化的方式按需分配無(wú)線信號(hào)。物理層功能模塊包括幀結(jié)構(gòu)、調(diào)制編碼、新波形、新型多址以及多天線等，通過(guò)靈活組合物理層不同功能模塊來(lái)滿足多樣化的網(wǎng)絡(luò)需求。

4.2.2 基于CU、DU的靈活切分和部署

隨著業(yè)務(wù)場(chǎng)景的多樣化，網(wǎng)絡(luò)切片在滿足安全隔離的前提下，具備靈活開(kāi)放部署、按需彈性分配無(wú)線資源、控制面與用戶(hù)面相分離等特性。無(wú)線網(wǎng)切片的核心演進(jìn)思路是將有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）、CU、DU分離，按需進(jìn)行靈活切分和部署。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，例如智慧城市、智能家居、智能電網(wǎng)等mMTC場(chǎng)景對(duì)帶寬和時(shí)延無(wú)特殊要求，可以采用CU云化集中部署、DU分布式部署、AAU邊緣部署，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)。

5 5G網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展

在5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題值得關(guān)注，按照行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)選擇正確的安全防護(hù)技術(shù)，防止在后續(xù)使用時(shí)存在較為嚴(yán)重的安全問(wèn)題。為了保證5G安全研究效果提高，需要滿足總體架構(gòu)構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)業(yè)務(wù)保持同步，并且推進(jìn)技術(shù)的創(chuàng)新，構(gòu)建科學(xué)性較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)安全模式，在后續(xù)工作中統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)安全的認(rèn)證架構(gòu)，注重安全保護(hù)以及密碼的計(jì)算等。根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用情況構(gòu)建較為完善的安全屏障，之后配合虛擬化的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品來(lái)提供安全保證效果，滿足5G網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)及要求。在實(shí)際工作中，通過(guò)安全框架和接入安全技術(shù)保證數(shù)據(jù)的私密性與完整性，實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)之間的相互連接，推動(dòng)我國(guó)5G技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)新的運(yùn)營(yíng)模式和商業(yè)模式實(shí)現(xiàn)5G切片的應(yīng)用，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)切片的部署要求運(yùn)營(yíng)商轉(zhuǎn)變與行業(yè)伙伴的合作方式。新的商業(yè)模式和價(jià)值鏈采用5G和網(wǎng)絡(luò)切片將為通信行業(yè)提供更多的機(jī)會(huì)，在保障用戶(hù)差異化感知的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商資源對(duì)等和公平共享。