5G網絡切片對業務場景的支持與發展現狀

宋 熠，杜詩雨

?

5G網絡切片對業務場景的支持與發展現狀

宋 熠1，杜詩雨2

（1. 中國電信上海號百信息服務分公司，上海 200050；2. 北京郵電大學 網絡技術研究院，北京 100876）

業務場景的多樣化對移動通信技術提出了更高的要求，通信業界提出的網絡切片概念，可以基于統一的物理基礎設施和共享網絡資源來滿足不同的業務需求，成為構建理想5G網絡架構的基礎。本文主要介紹5G網絡切片的基本概念和功能框架，5G網絡切片技術對業務場景的支持，如可用性和彈性、安全性、全球性等，以及網絡切片的發展現狀。

網絡切片；5G；業務場景支持；發展現狀

0 引言

概括而言，每更新一代移動通信技術都需要承載更加多樣化的業務需求，支持更多元的設備類型，應用于越來越豐富的場景。預計到2020年，移動網絡的主要需求不僅包括目前第四代移動通信系統（4G）已經支持的智能手機、平板電腦和視頻流等，還面臨大量的數據、異質設備和高數據速率以及新型無法預測的應用[1]。因此，在4G發展方興未艾之時，關于第五代移動通信技術（5G）的研究已經在全世界范圍內廣泛開展。

在第3代合作伙伴計劃（3GPP）會議上為5G網絡定義了三大應用場景：（1）增強移動帶寬（Enhanced mobile broadband，eMBB），對數據速率和帶寬有較高的要求，對應于超高清視頻等大流量業務；（2）超高可靠超低延時通信（Ultra-reliable low-latency communications, URLLC），要求超低延遲和超高的可靠性及可用性，對應于無人駕駛、工業自動化等業務；（3）大規模物聯網（Massive Machine Type Communications，mMTC)，要求較低帶寬、高連接密度、增強覆蓋范圍以及用戶端的低能耗，對應于大規模物聯網業務。因此，未來5G網絡面臨著大量差異性的服務類型，而現有的移動網絡架構是為語音通信以及常規的MBB（Mobile broadband）業務而設計的，將所有的服務提供給網絡中的每臺設備。人們普遍認為，5G將觸及未來世界的方方面面，提供全方位的以用戶或以服務為中心的全面互聯[2]，上述4G網絡架構方案不足以支撐5G時代的多業務場景，需要考慮新一代的移動通信網絡架構來支持。

在大量差異化場景需求的驅動下，通信業界提出的網絡切片概念已成為構建理想5G網絡架構的基礎。網絡切片可以基于統一的物理基礎設施和共享網絡資源來滿足不同的網絡需求，被認為是為特定網絡功能提供多個獨立運行實例的關鍵范例[3]。而5G網絡切片允許在同一基礎架構下，根據特定的服務需求，實例化多個獨立且專用的網絡切片實例，在網絡切片實例上運行對延遲、可靠性、帶寬、連接密度、移動性等有完全不同要求的服務[4]。未來的網絡通過網絡切片從“one size fits all（一種架構滿足所有網絡要求）”向“one size per service（每個網絡切片架構支持一種服務）”過渡，解決了僅由3GPP現有各個版本的升級所造成的網元眾多、接口復雜、靈活性不足以支撐5G時代的多業務場景的問題。

本文將主要對5G網絡所使用的網絡切片的基本概念和功能框架、網絡切片技術對業務需求的支持和網絡切片的發展現狀進行論述。

1 5G網絡切片的基本功能框架

網絡切片的目標是為特定用例按需提供業務處理功能，并避免其他不必要的功能，這種靈活性為服務提供商和服務使用商帶來了更多的機遇，在擴大現有業務的同時創建新的業務模式，為第三方業務提供商等分配一定的權限，使其可通過API控制切片，實現定制化服務。

基于網絡切片的5G網絡架構將從根本上改變傳統的網絡規劃和部署模式。根據下一代移動網絡（NGMN）5G白皮書[5]，5G網絡切片由5G網絡功能和特定的RAT（Radio Access Technology，無線接入技術）設置組成，這些網絡功能和其相應配置針對特定用例或業務模型組合在一起，通過靈活設計功能、隔離機制和網絡運行等，形成一個完整的邏輯網絡。對于5G網絡的每一個網絡切片，功能是有差異的，比如目前的移動網絡中一些非常重要的功能，在特定的網絡切片中是不需要的。

5G網絡切片分為服務層（Service layer）和基礎設施層（Infrastructure Layer）[6]，如圖1所示。服務層是整個系統的邏輯層面，由網絡功能和網絡功能間的連接關系組成，將網絡功能抽象成圖中的頂點，并通過網絡功能間的邏輯關系連接?；A設施層包含服務層中所需的資源，根據服務層場景的需求確定所需資源的數量，包括邏輯資源和物理資源。其中，物理資源包括用于計算、存儲和傳輸等的資源，邏輯資源是物理資源的分區，或是一組網絡功能共享的多個物理資源的分組[7]。網絡切片可看作是物理基礎設施上服務層的實現。

圖1 5G網絡切片實例示意

圖2展示了在同一物理基礎設施上同時運行的多個網絡切片實例。例如通過在網絡上設置全面的功能來實現典型的智能手機使用的網絡切片。而對于自動駕駛場景下的網絡切片，需要考慮安全性、可靠性和延遲。為支持此類網絡切片，所有必要的（或可能專用的）功能都可以在云邊緣節點上實例化，因此需要足夠的開放接口來支持垂直應用程序的實現。對于支持大規模機器類型設備（如傳感器）的網絡切片，移動性的配置則可以省略，只需要配置一些基本的控制面的功能。

2 5G網絡切片如何應對業務需求

多變的業務需求，尤其是垂直行業的業務需求對5G網絡切片提出了大量的要求[8]，主要分為三個類別：（1）性能要求，包括延遲、吞吐量、上行鏈路、下行鏈路、可用性和彈性、服務連續性、可靠性以及覆蓋范圍要求；（2）功能要求，包括安全管理、身份管理（涉及設備和用戶身份的管理）、用戶設備安全性（支持識別和驗證設備）以及隔離功能；（3）運行要求，包括資源分配、提供API、垂直業務核心要求的服務保證、計費管理和全球運營等。這里主要介紹網絡切片對可用性和彈性、安全性以及全球性的支持。

圖2 在同一基礎設施上實現的網絡切片

2.1 網絡切片對可用性和彈性的支持

對于用戶的移動性、用戶數量的增減以及業務需求的變化，網絡需要可以依靠高可用性和彈性來支持。在傳統的單一網絡中，所有的服務采用相同的方法和標準來提供，這就導致對一些服務來說所制定的標準過高，而對于另一些服務來說，尚不能達到其對可用性和彈性的要求。通過網絡切片技術，能夠實現網絡資源的邏輯和物理上的分離，并基于資源的定制，實現邏輯上的靈活組網。ITU-T認為網絡切片是由多個虛擬資源組成的邏輯隔離網絡分區[9]，在業務需求和用戶數量等出現變化時，網絡切片可以實現彈性和靈活的擴展，比如在必要時，將一個網絡切片和另一個網絡切片進行融合，以及時支持用戶的動態業務需求。不同的網絡切片可以具有不同的級別，甚至不同類型的可用性和彈性，而不需要面向同一個標準。但是高可用性和彈性以更多的資源為代價，意味著更高的成本。

2.2 網絡切片對安全性的支持

網絡切片千變萬化，5G網絡應能確保在任何情況下對端到端網絡的控制和安全操作。5G 安全機制除了要滿足基本通信安全要求之外，還需要為不同業務場景提供差異化安全服務，以適應多種網絡接入方式及新型網絡架構，保護用戶隱私，并支持提供開放的安全能力[10]。通過網絡切片，網絡功能和資源可以在更高的程度上被隔離和保留，以保證不同應用所需要的安全性。比如對于要求數據高度安全、需要隔離的用戶，服務提供商創建邏輯分離的網絡切片，用戶可將此網絡切片視為專有的物理網絡來使用。網絡切片還可以通過以下三種方式來保證安全性。

（1）網絡切片可以切斷與互聯網的關聯，并連接到專有的VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網絡）；

（2）特定的網絡切片可以配備更高級別的安全保護，例如配置企業級防火墻；

（3）由于每一個網絡切片具有自己的邏輯網絡功能，因此會有更少的攻擊媒介。

2.3 網絡切片對全球性的支持

從移動運營商的角度來看，實現網絡切片的技術對用戶而言是透明的，移動運營商需要保證用戶在當前網絡下的分類服務。如果當用戶的位置發生改變時，網絡切片無法得到受訪網絡的資源，那么服務會出現中斷。因此在漫游場景下應該實現無縫切換，保證服務的連續性，使網絡切片能夠進行全球擴展。

從技術角度來說有三種方式可以實現網絡切片的全球性[11]。

（1）如圖3所示，國際上定義并支持一套通用的標準化切片，受訪網絡向移動的用戶提供與其當前使用的網絡切片功能相同的切片。此方式主要分為兩步：第一，移動設備漫游到受訪網絡；第二，在受訪網絡中使用功能相同的實例化、標準化的切片。

圖3 使用通用的標準化切片

（2）如圖4所示，當前服務提供商輸出用戶使用的定制化網絡切片，使其可以在受訪網絡中進行實例化并被管理。此方式主要分為三步：第一，當前服務提供商輸出自定義切片模版；第二，移動設備漫游到受訪網絡；第三，受訪網絡實例化并管理相同的網絡切片模版。

圖4 輸出用戶使用的定制化網絡切片

（3）如圖5所示，網絡切片具有受訪網絡分配的控制權限，可以由當前網絡擴展到受訪網絡。此方式主要分為三步：第一，移動設備漫游到受訪網絡；第二，當前網絡請求控制受訪網絡的權限；第三，移動設備可以在受訪網絡中使用與當前網絡中相同的網絡切片資源。

3 5G網絡切片發展現狀

網絡切片技術的提出促進了5G網絡架構的設計與實現，3GPP、NGMN、GSMA（全球移動通信系統聯盟）等不同標準化組織均對網絡切片展開了深入的研究并取得了一定的成果。除此之外。中國和國外各家運營商以及設備制造商也在進行緊密的研究，推出5G網絡切片的實現和管理方案，發表了有關網絡切片的白皮書。

圖5 擴展網絡切片

2017年2月，在中國移動、華為和德國電信聯合發表的《5G服務保證的網絡切片白皮書》[12]中，提出了兩個服務保證的網絡切片愿景。其中愿景一提供有保證的性能，以滿足垂直行業的基本服務要求，愿景二提供個性化的服務，以保證垂直行業的競爭力。該白皮書認為5G網絡切片技術的實現需要整個5G移動通信系統體系結構的本地支持，如圖6所示，包括基礎設施層、網絡切片層和網絡管理層?；A設施層提供物理和虛擬化資源，例如計算資源、存儲資源和連接。網絡切片層，提供必要的網絡功能、工具和機制，通過網絡切片實例（Network Slice Instance，NSI）形成端到端的邏輯網絡。網絡管理層包括通用的業務支撐系統（Business Support System，BSS）/運營支持系統（Operations Support System，OSS）和網絡切片管理（Network Slice Management，NSM）系統，用于管理網絡分片和保證服務等級協議（Service Level Agreement，SLA）的要求。

2017年9月，在愛立信、華為和諾基亞聯合發表的《面向垂直行業的網絡切片技術白皮書》[8]中，提出5G將提供一個行業垂直優化平臺，利用云平臺、分析技術、系統自動化和網絡切片技術以及新的業務模式滿足垂直行業的需求。該白皮書認為網絡切片技術將在接入網、傳輸網和核心網中，改變網絡結構的設計方式。在接入網中，從較低級別的頻譜到較高級別的協議棧，都可以進行切片和定制，以支持特殊的性能要求，如可以為超高可靠超低延時通信設計和優化協議棧。在傳輸網中，可以通過資源共享（例如虛擬化）或專用資源（例如為公共安全服務提供的網絡切片專用端口）來實現隔離。對于核心網，可以根據垂直行業的要求提供定制的網絡功能，例如為mMTC實現簡單的移動管理，而為高速行駛的汽車行業提供復雜的移動管理。圖7展示了該白皮書中網絡切片為解決不同垂直行業要求所設計的不同解決方案。

圖6 保證網絡切片實現的系統架構

除此之外，各大設備廠商積極將理論投入實踐，為5G網絡切片技術的發展提出了可選的技術方案，開發出測試網絡切片可行性的設備，并驗證網絡切片的可行性以及相關的性能。

比如，愛立信作為全球5G的引領者，在研究和完善網絡切片技術的同時，與全球領先的運營商合作，設計網絡切片原型，驗證網絡切片的性能。2015年，愛立信攜手SK電訊開發部署網絡切片原型設備，并成功演示了5G網絡切片應用，該演示創建了面向超多視點、增強現實、虛擬現實、大規模物聯網以及企業解決方案等業務優化的虛擬網絡切片。2016年，愛立信和日本運營商NTT DoCoMo進行了5G核心網動態網絡切片技術的聯合概念驗證，展示了如何將一個物理網絡虛擬化劃分為多個能同時共存的邏輯網絡，并能通過同樣的基礎設施提供單獨的服務。其中NTT DoCoMo公司設計了網絡切片和選擇函數，而愛立信提供了管理切片網絡服務提供和生命周期的技術。

圖7 網絡切片對垂直行業的解決方案

網絡切片技術在面向特定領域場景下也不乏實踐。中國移動和諾基亞一直以來在5G產業化和行業化方面保持著緊密合作。在2017年的世界移動大會上，諾基亞與中國移動聯合展示了基于獨立5G端到端網絡技術的電子醫療（eHealth）解決方案。在該解決方案中，數據傳輸通過諾基亞的Airscale平臺5G空口實現，利用基于5G核心網的云架構，以及端到端的網絡切片、控制面/用戶面分離和集成數據層等技術，提供高傳輸速率和低延遲性能，保證電子醫療的實效性和可靠性。時隔一年，在2018年的世界移動大會上，中國移動和諾基亞推出新的研究成果，展現了5G網絡切片在工業自動化領域的應用。

4 結語

網絡切片作為5G的核心技術，根據業務需求靈活組網，降低了對網絡的依賴性，實現了對資源的定制和隔離，并保證了性能要求。通過5G網絡切片技術，可實現多種方案以應對豐富的業務需求。現階段，運營商和設備制造商通過原型開發和試驗部署證實了5G網絡切片技術可用于醫療、工業制造等領域，并不斷探索更豐富的用例。我們可以看到，5G正邁著矯健的步伐向前推進，5G真正走入我們生活的美好愿望也即將實現。

[1] Andrews J G, Buzzi S, Choi W, et al. What will 5G be?[J]. IEEE Journal on selected areas in communications, 2014, 32(6): 1065-1082.

[2] Zhang H, Liu N, Chu X, et al. Network slicing based 5G and future mobile networks: mobility, resource management, and challenges[J]. IEEE Communications Magazine, 2017, 55(8): 138-145.

[3] Jiang M, Condoluci M, Mahmoodi T. Network slicing management & prioritization in 5G mobile systems[C]//European Wireless 2016; 22th European Wireless Conference; Proceedings of. VDE, 2016: 1-6.

[4] Pries R, Morper H J, Galambosi N, et al. Network as a service-a demo on 5g network slicing[C]//Teletraffic Congress (ITC 28), 2016 28th International. IEEE, 2016, 1: 209-211.

[5] Alliance N. 5G white paper[J]. Next generation mobile networks, white paper, 2015.

[6] Sama M R, An X, Wei Q, et al. Reshaping the Mobile core network via function decomposition and network slicing for the 5G era[C]//Wireless Communications and Networking Conference Workshops (WCNCW), 2016 IEEE. IEEE, 2016: 90-96.

[7] Alliance N. Description of network slicing concept[J]. NGMN 5G P, 2016, 1.

[8] GSA. 5G Network Slicing for vertical Industries[R]. GSA White Paper, 2017, 9.

[9] ITU-T Y.3011, Framework of Network Virtualization for Future Networks, Next Generation Network - Future Networks, Jan. 2012.

[10] IMT-2020(5G)推進組. 5G網絡安全需求與架構[R]. 2017, 6.

[11] GSMA. An Introduction to Network Slicing[R]. 2017.

[12] China Mobile Communications Corporation, Huawei Technologies Co., Ltd., et al. 5G Service-Guaranteed Network Slicing White Paper[R]. 2017, 2.

Support for Business Scenarios and Development Status of 5G Network Slicing

SONG Yi1, DU Shi-yu2

(1. Shanghai Best Tone Information Service Branch Of China Telecom, Shanghai 200050; 2. Institute of Network Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876)

The diversification of business scenarios has put forward a higher demand for mobile communication technology. The concept of network slicing proposed by the communications industry can be based on a unified physical infrastructure and shared network resources to meet different business requirements and become the basis for building an ideal 5G network architecture. This paper mainly introduces the basic concepts and functional framework of 5G network slicing, the support of 5G network slicing technology to business scenes, such as availability and resilience, security, global operation, and the development status of network slicing.

Network slicing; 5G; Support for business scenarios; Development status

TN915.09

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.08.032

宋熠(1978-)，男，工程師，主要從事電信呼叫網絡建設，以及5G網絡研究和規劃；杜詩雨(1995-)，女，研究生，主要從事新一代電信網技術的研究。

本文著錄格式：宋熠，杜詩雨. 5G網絡切片對業務場景的支持與發展現狀[J]. 軟件，2018，39（8）：156-161