5G 網絡切片技術綜述與初期部署方案研究*

李 昊，張 坦，王 妮

（中國移動通信集團設計院有限公司湖南分公司，湖南 長沙 410003）

0 引 言

正如全球領先運營商們設想的那樣，移動通信網絡在未來10 年將要應對爆炸式的流量增長和多樣化的應用場景。現有的網絡中充斥著各種各樣的煙囪式系統和專有硬件設備，隨著運營成本的不斷上升，需要新的技術、新的網絡部署和運營模式對網絡基礎設施和系統運營管理的總成本進行有效控制。如何提升網絡的適應能力，提升網絡資源使用效率，降本增效成為運營商可持續發展的關鍵。5G網絡未來將支持來自垂直行業的各種新用例，這些行業對性能和成本的要求比傳統移動寬帶服務要廣泛得多，而現有的基于傳統“一刀切”設計的網絡在性能、安全性、可用性和成本方面都無法滿足需求。為了有效利用物理網絡基礎設施，在增強移動寬帶服務的基礎上適應各種垂直行業定制的服務需求，網絡切片技術應運而生，并成為了5G 網絡的基礎技術框架。

1 網絡切片的概念與驅動力

1.1 多樣化的需求

正如文獻[1]提到的，5G 應用場景可以分為3大類。

（1）增強的移動寬帶（Enhanced Mobile Broad- band，eMBB）。這類用例與當前的用例類似，是以人為中心的應用場景，集中表現為超高的傳輸數據速率、廣覆蓋下的移動性保證等，如VR/AR、超高清在線視頻服務等。

（2）超大規模機器類通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）。該場景包括低成本、低功耗、遠程MTC 和寬帶MTC，需要極高的設備連接密度，如智慧城市、智能家居以及環境監測等。

（3）超高可靠性超低時延通信（Ultra-reliable and Low Latency Communication，uRLLC）。這一場景下，連接時延要達到1 ms 級別，且要支持高速移動情況下的高可靠性連接。典型的用例是自動駕駛場景。

1.2 現有解決方案

在引入網絡切片前，解決網絡差異化服務的手段主要是QoS 和APN。此外，4G 時代的專用核心網絡（Dedicated Core Network/Enhanced DECOR，DECOR/ eDECOR）也是一種極端的方案。

QoS 能提供用戶級或業務級的差異化服務，本質上是根據相對優先級爭搶資源。當整體負荷較大時，即使高QoS 用戶的業務質量也無法保障。

APN 能提供網元級的差異化服務，用以區分不同數據網絡的接入，根據APN 將會話分流匯聚到不同的網元，實現不同的業務。

DECOR/eDECOR能提供網絡級的差異化服務，對不同的應用場景或用戶，在PLMN 中部署多個DECOR，通過功能定制，使其具備獨特的能力。eDECOR 方案引入了UE 輔助DCN 選擇機制，降低了DECOR 選擇時的信令開銷，提高了DECOR 之間的隔離度。

相關技術的比較情況，如表1 所示。

表1 相關技術比較

從表1 可以看出，傳統的網絡差異化服務手段的效果難以滿足5G 多樣化的需求場景。

1.3 網絡切片的概念

網絡切片的概念是隨著計算和網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術的發展而出現的，是指將一個物理網絡劃分為多個虛擬網絡，每個網絡都可以針對特定類型的應用程序或用戶進行定制和優化。通過利用云計算和虛擬化技術，可以根據不斷變化的用戶需求將共享的物理網絡資源動態有效地調度到邏輯網絡切片上。5G 網絡切片由一組網絡功能和所需的物理/虛擬資源組成，用于特定的用例或業務模型[1]。一個網絡切片可以跨多個域，包括無線接入網絡、運行在分布式云基礎設施上的核心網絡和支持靈活虛擬功能放置的傳輸網絡。網絡切片不僅具有對應服務所需的自定義功能，還應具備適應不斷變化的需求的能力。能向用戶提供虛擬的端到端的定制化服務，是區分網絡切片和網絡共享的關鍵特性之一。根據文獻[2]的定義，網絡切片由3 層結構組成，如圖1 所示。

圖1 網絡切片結構

（1）網絡服務實例層表示可以支持的最終用戶服務或業務服務，每個服務都由一個服務實例表示。

（2）網絡切片實例層包括可以提供的網絡切片實例，網絡切片實例提供服務實例所需的網絡特性。

（3）資源層提供創建網絡切片實例所需的所有虛擬或物理資源和網絡功能。

2 關鍵技術

2.1 虛擬化和模塊化

運用虛擬化技術，通過抽象運行軟件功能所需的資源，消除對專用硬件的依賴，以支持在共享物理資源上靈活地創建網絡切片。虛擬化技術為網絡切片提供了重要的基礎。

傳統的網絡實體由一組緊密耦合的功能組成，這些功能基于特定的和豎井式的方式實現，難于適應垂直行業對業務需求靈活性的要求。為了提升網絡的可編程性，5G 核心網引入了基于服務化的架構，以支持細粒度和解耦的網絡功能。5G 核心網將由一系列小粒度、松耦合、高內聚的模塊化網絡功能組成，不同的模塊化網絡功能組件（Network Function Components，NFCs）可以靈活鏈接，以形成更大的網絡功能，再將網絡功能組合成需要的網絡切片，如eMBB、URLLC、mMTC 等切片。每個網絡功能支持獨立注冊、發現和升級，從而更便于滿足各垂直行業的定制需求[3]。

2.2 傳輸網切片技術

2.2.1 基于FlexE 技術實現子切片彈性伸縮和低時延

FlexE 技術通過將一個或多個捆綁后的物理端口劃分為多個邏輯端口實現切片，可實現帶寬的靈活伸縮和邏輯端口之間的隔離。由于FlexE 技術具備大帶寬、靈活分配、硬管道和通道化的技術特點，因此能較好地滿足5G 網絡切片的需求[4]。

2.2.2 支持多種切片隔離技術

除FlexE 硬切片技術外，可以通過傳統的VLAN、VPN 等虛擬化技術，結合QoS，基于LDP、RSVP-TE、SR 等隧道層技術，實現網絡軟切片。

2.3 無線網切片技術

2.3.1 統一空口，支持切片

5G 無線網基于統一的空口框架，采用靈活的幀結構設計。針對不同的切片需求，無線網為每個切片進行專用無線資源RB 的分配和映射，形成切片間資源隔離；再進行幀格式、調度優先級等參數的配置，保證切片空口側的性能需求[5]。

2.3.2 靈活切分和部署

以用戶為中心，CU/DU 兩級架構。根據不同的業務場景和資源情況，可以對無線網進行CU/DU功能的靈活切分和部署。

3 網絡切片發展現狀

3.1 網絡切片整體架構

端到端的網絡切片整體架構包括通信服務管理、端到端切片管理、終端、無線、傳輸和核心網等6 大領域，以及運營層、管理層和網絡層3 個層次[6]，如圖2 所示。

運營層負責運營流程的制定、SLA 模板設計及映射；管理層負責切片設計和實例化、切片配置及性能管理；網絡層負責各域對切片的部署和支持，從而形成端到端的切片編排管理，維護運營架構。

網絡切片整體架構的主要特點包括：共享基礎設施，資源安全隔離；自動化端到端資源配置和功能配置；網絡切片運維能力開放；按需定制，差異化SLA，可保證服務；跨域協同，端到端生命周期管理。

3.2 工作原理

為支持UE 的網絡切片選擇，在5G 核心網絡中引入了一個新的用于網絡切片選擇的網元NSSF，并定義了一個網絡切片選擇標識（Single Network Slice Selection Assistance Information，S-NSSAI）[7]。NSSF的主要功能包括為UE 選擇一組網絡切片實例，生成允許的S-NSSAI，并確定服務于UE 的AMF集。此外，引入與切片相關的用戶簽約數據，并由UDM 統一進行存儲和管理。每個網絡切片由一個S-NSSAI 標識，該信息由切片類型（Slice/Service Type，SST）和切片微分器（Slice Differentiator，SD）兩部分組成。SST 在功能和服務方面定義網絡切片的類型。3GPP 標準定義了eMBB、uRLLc、mIoT 和V2X 共4 種切片類型。SD 是切片區分符號，補充了切片/服務類型，用于區分相同切片/服務類型的多個網絡片實例。

圖2 網絡切片端到端架構

用戶訂購切片時分配S-NSSAI，并存儲至核心網UDM，由UDM 傳遞至AMF。同時，S-NSSAI 通過NSMF 傳遞至網絡側各域，與NSI 映射按照相關參數拉起實例化切片。

如圖3 所示，網絡切片標準注冊及會話建立流程如下：

圖3 網絡切片端到端流程

（1）UE 發起注冊請求，并攜帶請求切片的Requested NSSAI；

（2）RAN 根據請求的Requested NSSAI 選擇合適的AMF，并將UE 相關消息轉發給AMF；

（3）AMF 可以查詢UDM 用戶簽約信息，包括簽約的S-NSSAI，AMF 根據簽約的S-NSSAI 驗證請求的NSSAI，當AMF 無法為請求切片服務時，請求NSSF 選擇切片；

（4）NSSF 基于UE 請求的和簽約的切片信息，返回Allowed NSSAI 和目標AMF；

（5）AMF 或RAN 重定向至目標AMF；

（6）目標AMF 將Allowed NSSAI 發送給UE，注冊流程結束；

（7）UE 發起會話建立請求，攜帶應用對應的切片ID（Allowed NSSAI 子集）；

（8）網絡側基于切片ID 選擇切片，提供業務。

如圖3 所示，切片標識作為紐帶，貫穿網絡切片的全生命周期，在管理面和信令面的流程中均需攜帶。

3.3 核心網子切片

5G 核心網在NFV 的基礎上進一步引入服務化架構（Service-based Architecture，SBA），將網絡功能解耦為服務化組件，同時采用無狀態設計，使用輕量開放的接口，使得5G 核心網具有敏捷、易拓展、靈活和開放的特性，為實現核心網切片奠定基礎[8]。

目前，核心網切片的網絡功能已基本成熟，核心網側端到端網絡切片的基本流程已完成標準化，面向商用的切片隔離、重定向、切片標識規劃等關鍵問題已解決。

3.3.1 隔離方案

通過切片ID（Network Slice Selection Assistance Information，NSSAI）選擇接入不同的AMF，實現網元級隔離。核心網元的隔離方案分為完全獨立、部分控制面共享和控制面共享以及媒體面獨立3 種模式，以滿足不同的隔離度要求，如圖4 所示。

圖4 核心網隔離方案

3.3.2 重定向方案

切片選擇流程可能涉及初始AMF 無法滿足切片要求的問題。此時，需通過AMF 間的重定向機制，重定向至滿足切片要求的目標AMF。

3.3.3 切片標識規劃方案

S-NSSAI 標識特定的網絡切片，PLMN 內不重復，由8 位SST 和24 位SD 組成。規劃方案如表2所示。

表2 S-NSSAI 規劃表

3.4 無線子切片

目前，無線子切片已完成基本的信令流程與業務保障機制設計，包括用戶接入時的切片選擇、基于QoS 與切片用戶組的業務保障機制和基于頻譜及設備的無線隔離方案等。

3.4.1 基于QoS 的業務保障

無線側可基于QoS 機制，從空口速率、時延和可靠性3 個維度對無線網絡進行深度優化，實現定性和定量的空口性能保障[9]。

3.4.2 基于資源預留的業務保障

參考標準引入“切片用戶組概念”，針對切片用戶組可配置為其預留的PRB 資源占比，其中一部分可配置為切片內用戶專用，剩余預留資源在空閑時可與其他切片用戶共享。

3.4.3 隔離方案

無線隔離方案在現有技術條件下只能實現基于頻譜和設備的隔離。

（1）頻譜隔離。專網的頻譜資源有與公網共享頻譜、預留頻譜和獨享頻譜3 種方案。綜合考慮成本和性能，專網優選共享頻譜方案；高性能要求和高隔離場景下，選擇預留頻譜和獨享頻譜方案。

（2）設備隔離。專網的設備隔離有與公網共用基站，包括RRU 共用、BBU 專用和基站專用3種方案。建議專網優先復用公網基站，以較低成本提供業務邏輯隔離，同時可根據業務隔離性和可靠性的等級，進一步選擇BBU 專用和基站專用方案。

3.5 傳輸網子切片

5G 回傳網絡將基于SPN 技術搭建。目前，SPN 技術已支持網絡切片，基站或核心網配置NSSAI 到VLANID 的映射，傳輸網根據映射完成的業務VLANID 以及VlanPri 信息，針對不同的業務要求提供軟、硬隔離的切片通道。如圖5 所示，通過切片以太網通道，在以太網物理PCS 層實現66B碼塊的交叉通道，實現切片硬隔離；通過以太網包交換通道，實現MPLS-TP 或者SR 的包交換通道，再通過QoS 實現切片軟隔離。

圖5 SPN 切片示意

對于傳輸網絡切片的硬隔離和軟隔離，對應業務的影響主要表現在時延、抖動以及丟包率等方面。硬隔離切片能提供低時延和高隔離性的業務保障，軟隔離切片支持帶寬的復用。目前，傳輸SPN 設備已具備切片能力，可根據無線/核心網確定切片類型與映射方案生成切片通道。

3.6 終 端

當前，大部分終端廠商對5G 網絡切片的理解與運營商有很大分歧，認為切片并不是5G 服務的必選項，導致現有終端對切片方案特別是單用戶多切片方案的支持力度很差，目前只有華為海思芯片支持。因此，下一步亟待推動整個終端產業支持切片方案的成熟度。

3.7 管理與編排

網絡切片極大地增加了網絡管理的復雜度，需要跨域協同（無線網、核心網、承載網）實現端到端切片的管理和編排。3GPP TS 28.533[10]中定義了面向部署的三級管理功能：通信服務管理功能（Communication Service Management Function，CSMF）、網絡切片管理功能（Network Slice Management Function，NSMF）、網絡切片子網管理功能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF）。網絡切片管理和編排的架構如圖6 所示。

圖6 網絡切片管理編排架構

網絡切片的部署過程需要把用戶業務級別的需求轉化為對各個域的網絡需求，完成端到端的切片的資源申請和部署。為了實現自動化、靈活的網絡切片管理，NFV MANO 框架將被用于5G 網絡切片的管理和編排。通過NFV MANO 提供的管理界面可以實現網絡服務（Network Service，NS）和VNF的生命周期管理以及支撐VNF 的虛擬資源的性能管理、故障管理和配置管理。

通過CSMF、NSMF、NSSMF 和MANO 實現5G端到端切片的訂購、編排、部署的流程，如圖7 所示。

圖7 網絡切片運營流程

用戶通過CSMF 訂購網絡切片，并提交相關的需求；CSMF 負責將用戶的需求轉化成切片需要的SLA；NSMF 根據SLA 選擇合適的子切片；NSSMF完成子切片的資源申請，并對切片進行生命周期管理；由MANO 在NFVI 上完成切片的部署；同時有相應的反饋機制通知用戶切片部署完成，后續用戶可以對切片進行優化調整。當前，在NSMF/CSMF上進行模板選擇以及在NSMF 上進行切片子網需求的分解仍依賴人工操作，未能實現自動化的模板匹配和需求分解，需要進一步增強切片的管理能力。

3.8 小 結

目前，在切片功能方面，核心網和傳輸網整體支持較好，無線網和終端還有待完善；在切片運維方面，可初步實現端到端的全流程拉通和手動運維管理。

4 下一步需解決的關鍵問題

4.1 無線網虛擬化與資源調度

RAN 虛擬化面臨著很大挑戰，因為很多無線電資源處理組件依然依賴于專用硬件。作為C-RAN的衍生成果，5G 基站由一個CU 和多個DU 組成。CU 比較適合虛擬化，但DU 的功能很難虛擬化，因為DU 的功能嚴重依賴專用硬件加速。因此，最大的挑戰之一在于DU 和物理通道虛擬化。如何保證波束成形情境下的有效切片隔離尤其值得研究。此外，多無線接入技術（Multiple Radio Access Technologys，MRATs）能否通過同樣的硬件或其他專用硬件實現虛擬化處理尤其值得研究。

近期一項研究[11]結果顯示，要想實現基于切片粒度的無線資源調度，需要對5G 無線空口的第1/2/3 層引入新的切片信息、配置描述和專用協議。要想在不影響共享無線資源多重優勢的前提下實現更有效的切片隔離，必須進一步探索虛擬化和切片資源調度機制。需要進一步研究到底需要適用于所有無線切片的通用RRM 還是分別適用于不同切片的專用RRM，因為中心化RRM 很難管理具備不同功能切分的不同硬件組件。基于網絡切片粒度的無線資源調度方案，是下一步的研究重點。

4.2 全面、智能的切片管理運維

目前，業界還沒有一個得到廣泛認可的網絡切片管理編排系統[12]。全面、智能的切片管理編排應該是一個整體的端到端的管理和編排系統，可以滿足不同的服務需求，同時確保有效的資源利用和適當的隔離。為了實現這一目標，系統需要根據網絡切片的當前狀態、底層資源狀態和預測的用戶需求對資源進行高效、全面的管理。高效的資源調度機制需要結合最優技術，以動態擴展切片實例資源，以最優的效果滿足不斷變化的用戶需求，而不會對其他切片實例的性能產生負面影響。具體地說，考慮到不斷變化的用戶需求、分布式和動態云資源狀態，如何優化部署和動態調整網絡切片的資源是當前最困難的挑戰之一。

此外，網絡切片依據垂直行業客戶需求，需要提煉端到端網絡切片的SLA 需求并分解至核心網、無線、傳輸各域，同時選擇合適的模板進行切片實例化。如何有效定義SLA 和如何進行質量保證，還缺乏端到端的監控和動態調整機制來實現網絡切片的閉環運營。

4.3 網絡切片的安全

網絡切片帶來了前所未有的安全挑戰[13]，其中包括切片間的安全威脅和域間網絡切片的資源融合問題。此外，3GPP 已經列出許多5G 網絡切片相關的安全風險[14]。首先，由于網絡切片實例的虛擬網絡功能（Virtualized Network Function，VNF）部署在共享的基于云的基礎設施上，因此不同切片之間的安全性和性能隔離顯得至關重要。由于無法實現100%的物理隔離，攻擊者可以通過大量占用一個切片的容量彈性消耗另一個目標切片的資源，從而使目標切片停止服務。此外，根據5G 架構，某些控制平面網元如NSSF，對多個切片是公共的，使得攻擊者可以通過非法訪問另一個切片的公共功能來竊聽目標切片的數據。

另外，從UE 的角度來看，一個UE 可以同時訪問多個網絡片，因此UE 有可能被利用為橋接器，從一個切片發起到另一個切片的安全攻擊。到目前為止，針對上述安全風險的幾種候選解決方案已經確定[15]，但是在3GPP R15 中還沒有達成協議。從目前網絡切片的研究和標準化情況看，相關安全機制尚沒有形成統一標準，離落地還有較長的距離。這也是5G 網絡切片商用化面臨的一個重要挑戰。

5 初期商用部署建議

5.1 以網絡切片為框架，構建C/B/A 三類相對獨立的網絡切片

結合2B 和2C 業務需求、隔離性需求及組網復雜度等，初期建議部署人網切片、行業通用切片和專網切片3 類切片，如圖8 所示。

圖8 網絡切片初期商用部署情況

基站通過終端攜帶的切片標識，將用戶分別接入到A/B/C 網中。當終端不攜帶時，則通過重定向方式選擇切片。

5.1.1 人網切片（C 切片）

（1）業務定位。為個人用戶提供eMBB 默認切片，支持eMBB 數據業務、IMS 語音以及短信等業務，支持跨區、跨省漫游；全面繼承4G 為個人提供的業務，保證用戶體驗。

（2）組網方案。全網統一切片ID，省間漫游時對于切片間移動用戶無感知；用戶簽約中將eMBB切片設定為default S-NSSAI；設置人網AMF 為DefaultAMF，負責用戶首次注冊切片選擇并重定向到目標AMF，需要與行業網的AUSF、PCF、UDM以及AMF 互通；與IMS、EPC 互通。

5.1.2 行業通用切片（B 切片）

（1）業務定位。典型場景即針對安全隔離性適中的行業用戶需求場景；業務形式為新號，可能有語音、短信需求；存在跨省漫游、4/5G 的互操作需求。

（2）組網方案。無線、傳輸資源與人網切片物理共享、邏輯隔離；核心網除NSSF 和NRF 外，與人網切片完全隔離；初期全網分配一個切片ID，為用戶提供省間無差異無感知的服務，允許各省根據自己的需求配置省內切片ID；與IMS、EPC 互通。

5.1.3 專網切片（A 切片）

（1）業務定位。典型場景即以電網業務為藍本，安全隔離性高，需要物理隔離的場景；業務形式為新卡新號，沒有語音、短信需求；暫無跨省漫游、4/5G 的互操作需求。

（2）組網方案。無線、傳輸資源與人網切片、行業通用切片物理共享、邏輯隔離；核心網除NSSF 和NRF 外，與人網切片、行業通用切片完全隔離，初期UDM 與行業通用切片共享；服務器和網絡設備完全隔離；分配獨立的切片ID。

5.2 基于切片+QoS+DNN 的方式，實現初期用戶差 異化的服務需求

QoS、DNN（5G的APN）和切片定位和作用不同。QoS 能力是5G 服務差異化場景需求的基礎，DNN是數據匯聚的一種標識。切片在QoS、DNN 的基礎上可以提供進一步的隔離性和群組資源保障。5G商用初期，以QoS、DNN 和通過手工配置的簡化切片方案，在隔離性、網絡定制以及群組資源保障等能力上基本滿足大部分的業務場景。

針對客戶的差異化服務需求，提供相應的方案發展市場，如圖9 所示。

對于無特殊需求的流量接入，使用默認切片為用戶提供服務。

切片個性化部署從2C、2B 市場對切片技術有強烈需求的高價值應用入手，培育切片的端到端運營能力，積累經驗，促進切片端到端成熟。

利用切片為基礎滿足業務的多領域、多場景需求，切片內的網絡能力從QoS 起步，逐步疊加網絡功能，分層分級為客戶提供服務。

圖9 切片+QoS+DNN 方案

6 結論與展望

網絡切片是5G 網絡的基礎，是運營商應對垂直行業不同業務場景、不同業務需求，提供定制化服務的一種技術框架。本文研究網絡切片的關鍵支持技術和各領域的技術進展，明確了網絡切片技術已具備5G 初期商用的能力，提出了初期的商用方案。未來5G 網絡切片將朝著端到端資源調度、智能化管理編排、高效安全的方向繼續發展，相信最終一定能將網絡切片打造為“運營商級專網”，成為企業專網的首選，真正實現5G 改變社會。