網絡切片技術下的5G 全新網絡架構

張松濤

（佛山職業技術學院，廣東 佛山 528137）

0 引言

進入 21世紀，隨著智能手機、移動互聯網需求爆炸式增長，移動通信技術迅速發展。各種新技術、組網模式不斷涌現。 2019 年6 月6 日，中國電信、中國移動、中國聯通、中國廣電同時獲得工信部發放的5G 商用牌照，中國通信行業邁入5G 商用元年。

與4G 相比，5G 各項性能都得到大幅提升。 3GPP R15主要聚焦增強移動帶寬 eMBB，R16則可以滿足包括 eMBB、超高可靠低時延通信 uRLLC 和海量機器通信mMTC 在內的三大應用場景[1]，基于 R15進行業務增強。5G 的一些關鍵能力，表現在：支持100 Mb/s-1 Gb/s 的用戶體驗速率和 10 Gb/s 的峰值速率；支持每平方千米百萬量級的連接數密度；支持每平方千米 Tb/s 級的流量需求；支持毫秒級的端到端時延；支持超過 130 m/s 以上移動速度等。

1 5G 網絡需求

1.1 移動通信網絡架構發展

從第一代模擬移動通信誕生以來，移動通信技術發生了翻天覆地的變化，移動通信網絡架構也呈現一定的發展規律。首先是 IP 化。2/3G 核心網分組域與無線接入網之間是多種承載方式并存，即 TDM/ATM/IP 同時存在。 LTE/EPC 階段，網絡結構全IP 話，即用 IP 完全取代傳統 ATM 及TDM。然后是扁平化與分布式。在 2/3G核心網分組域中，用戶數據處理經過 NodeB、RNC、SGSN、GGSN 多級處理；4G LTE 用戶數據只需經eNodeB、SAE-GW 到外部數據網，無線接入網 E-UTRAN實現了扁平化與分布式架構。不過，核心網還保持集中控制方式。第三個規律是控制與承載的分離。4G LTE EPC 核心網網絡架構秉承了控制與承載分離的理念，將2/3G 分組域中 SGSN 的控制面功能與用戶面功能相分離，分別由兩個網元 MME 和SGW 來完成。第四個規律是多網融合。 2G、3G、4G、Wi-Fi 以及5G 將會在較長時間多網共存，這對多網協作與深度融合提出了更多的要求。

1.2 4G 網絡架構存在的問題

首先是業務量爆炸式增長與網絡能力瓶頸[2]。 集中控制的 LTE EPC 核心網和回傳鏈路難以滿足海量需求的數據交換與轉發，核心網、承載網都面臨越來越大的數據流量壓力。超密集網絡、分層組網等大容量無線接入對網絡管理、移動性提出了新的挑戰。智能交通、工業自動化等新興即時性業務需要更加嚴格的端到端時延。

其次是移動互聯網帶來的各種新場景支持。4G 網絡本身是為分組數據業務設計，但移動互聯網業務日新月異，4G LTE 開始顯現能力不足。比如，海量物聯網終端的瞬時接入、智能抄表等非連續小數據的低傳輸效率，以及飛機、高鐵等高速移動場景的支持乏力等。

再次是物聯網業務的多樣化需求。移動通信在物聯網方面的應用、移動通信與物聯網的融合正日益深入。制造、健康、環境、物流等眾多行業對通信速度、成本、連接能力、服務質量等需求高度多樣化，現有網絡架構幾乎很難滿足。

4G LTE 網絡架構演進整體上符合移動通信發展方向，也能很好地滿足當前需求。但隨著移動互聯網、物聯網的深入發展，現有 LTE 網絡后向兼容的方式滿足5G 多樣化的需求，具備極大的挑戰。所以，需要設計符合移動通信演進邏輯的全新5G 網絡架構。

1.3 5G 網絡架構需求與設計原則

基于以上分析，5G 網絡架構需要在網絡能力、運行持續性、商業應用靈活性等方面作出較大改善與提高[3]。具體表現在以下幾個方面。

首先，要充分利用頻譜資源，開發厘米波、毫米波等更高頻段[3，4]；同時，可以利用控制面、用戶面分離和上下行分離的概念優化頻段效率。采用靈活的雙工模式及全雙工來優化業務驅動的頻譜使用。為了保證超密集組網場景下移動用戶的無縫體驗，需要有效的UE 移動速度和移動方向檢測機制，以支持多層、多RAT 協同，以及頻率、小區、波束間的動態快速切換。普通終端、可穿戴設備、車載大規模傳感器以及 D2D 通信等都可以支持動態拓撲，無線拓撲可以基于上下文動態變化。

其次，建立統一可組合的核心網，以經濟有效的方式支持多樣化的用例和需求?；竟δ軕敳眉魹橐粋€最小集，控制面、用戶面功能通過開放接口實現清晰分離。

再次是靈活的端到端功能和能力。充分利用 NFV 和SDN，網絡功能、終端功能、RAT 配置根據不同應用場景靈活定制。網絡可以支持網絡功能的靈活組合、分配。包括無線基帶處理在內，5G 將盡可能地虛擬化網絡功能，利用 SDN 進行軟件編程和配置。

5G 系統架構可以支持基于NFV 和SDN 技術的數據連接和服務[5]。包括：控制面功能和用戶面功能分離，各自可以獨立擴展、獨立演進、靈活部署；模塊化的功能設計，可以實現靈活有效的網絡切片；如果需要，每個網絡功能和它的網絡功能服務可以通過服務通信代理，與其他網絡功能和網絡功能服務直接或間接交互；最小化核心網CN 與接入網AN 之間的依賴，一個收斂的核心網，具備統一的CN-AN 接口，可以綜合接入 3GPP 或非3GPP 等不同接入類型。

2 5G 網絡架構

2.1 NGMN 5G 網絡架構

基于5G 新的網絡需求，下一代移動通信網絡組織NGMN 提出了一個5G 網絡架構模型。該架構包含3層和一個端到端的管理編排實體，如圖 1所示。該架構由NFV 和SDN 提供可編程能力，結構化實現軟硬件分離。

圖1 5G網絡架構[3]

（1）基礎設施資源層?；A設施資源層由固定移動結合網絡資源組成，包括網絡結點、接入結點、云結點、5G 設備和相關鏈路等。5G 設備具備多種配置能力，根據上下文，可以用作中繼、集線器、計算資源或存儲資源使用。作為一種可配置資源，5G 設備可通過 API 接口呈現給高層和端到端管理編排實體。

（2）業務使能層。業務使能層是一個模塊化的網絡功能和增值能力庫。根據不同需求，這些功能和能力由編排實體通過API 接口調用。某些功能可能存在多種變體，比如，同樣功能的不同實現可能有不同的特性。與現有網絡相比，5G 網絡可以提供更加細化的業務性能服務。

（3）業務應用層。業務應用層包含5G 網絡提供的具體應用、商業模型和價值主題等。端到端管理編排實體與業務應用層接口可以被用來為特定應用建立專用網絡切片，或者將特定應用映射到已有網絡切片。

（4）端到端管理編排實體。端到端管理編排實體是將5G 應用與商業模型轉換為實際網絡功能和切片的連接紐帶。它為特定應用實例定義與對應模塊化網絡功能相關的網絡切片、配置相關參數，最后映射到基礎設施資源上。對一些特定商業模型，它可以為第三方提供通過 API 和XaaS 等手段創建和管理它們自己的網絡切片的途徑。由于其模塊化的功能特點，端到端管理編排實體可以綜合 NFV、SDN、SON 等在不同領域的優勢。

2.2 5G 新核心網主要特征

為了支持多場景、大帶寬、低時延、高密度、靈活組網等需求，5G 核心網相較于4G 及更早網絡有較大變化，主要表現在基于 SDN/NFV 的通用平臺 [2， 6， 7]、端到端的網絡切片和服務化的架構 SBA 等。

2.2.1 基于SDN/NFV 的通用平臺

軟件定義網絡 SDN 是網絡虛擬化方式實現的一種新型網絡創新架構，起源于2006年斯坦福大學的Clean State 研究課題。2009 年，Mckeown 教授正式提出了SDN 概念。其核心技術 OpenFlow 把網絡設備的控制面與數據面分離開來，靈活控制網絡流量，使網絡作為管道變得更加智能，為核心網絡應用創新提供了良好的平臺。

網絡功能虛擬化 NFV 是由一些著名的電信運行商提出并推動發展的一項新技術，采用通用的 COTS 服務器代替目前電信網絡中的各專用平臺。各種網元、服務可以靈活部署在基于標準服務器的統一平臺上，實現軟硬件解耦，從而減少對專用設備的過度依賴，通過虛擬資源增加組網靈活性。

NFV 和SDN 相互獨立，可相互補充。 NFV 強調的是軟硬件解耦，通過虛擬化技術實現硬件資源的共享；SDN 突出網絡控制與轉發分離，增加網絡拓撲和業務調度動態性、靈活性。將兩者結合，可以按照不同客戶需求，進行自適應業務定制、調整及增值。

引入SDN/NFV 技術，5G 基礎設施平臺將更多地采用支持軟硬件解耦、支持網絡切片的通用硬件架構，通過虛擬化資源的動態配置，實現移動網絡的靈活部署。在廣域網層面， NFV 編排器、SDN 控制器可實現跨中心或不同層級的資源調度與廣域互聯；在城域網內，SDN控制器可以靈活運用支持軟硬件解耦的NFVI 基礎設施，實現本中心資源的動態調度。

SDN/NFV 技術在接入網中的應用是移動通信發展的重要方向。利用網絡虛擬化技術，可以在同一基站平臺同時承載多個不同類型的無線接入方案，還可以實現接入網內部各功能實體動態無縫連接，靈活配置客戶所需的業務模式。SDN/NFV 平臺架構如圖2所示。

圖2 SDN/NFV平臺架構

2.2.2 端到端的網絡切片

網絡切片（ Network Slicing），也稱為5G 切片，支持一種特殊連接類型的通信服務。網絡切片將充分利用網絡功能虛擬化 NFV 的特性，通過切片管理和切片選擇，按客戶需求組建端到端的邏輯網絡，靈活提供相應網絡服務。

切片管理利用虛擬化資源平臺為客戶提供安全隔離、定制的專用邏輯網絡。經由業務設計、實例編排、運行管理 3個階段，設定切片參數、實現切片實例化、對切片進行實時監控和動態維護。

切片選擇功能實現用戶終端與網絡切片間的接入映射，結合客戶簽約等因素，采用獨立架構或共享架構的形式，為客戶終端提供合適的切片接入選擇。獨立架構切片邏輯資源、邏輯功能完全隔離，每個切片功能完整。共享架構形式時多個切片間部分網絡功能共享。比如，共享移動性管理等控制面功能，獨立組建業務粒度的控制和轉發功能，實現客戶特定服務。網絡切片功能架構如圖 3所示。

圖3 網絡切片功能架構

2.2.3 服務化的架構SBA

服務化架構 SBA 是5G 網絡的基礎架構，是5G 新核心網的重要特征。按照“自包含、可重用、獨立管理”的原則， SBA 將網絡功能劃分為若干個可被靈活調用的服務模塊，根據業務需求靈活定制組網。3GPP R15 SBA 定義了基于服務的邏輯功能網絡架構，該架構包含一組邏輯網絡功能 NF，每個 3GPP NF 可以通過基于服務的接口 SBI 來產生、調用一個或多個 3GPP NF 服務。3GPP 基于SBA 的5G 系統架構如圖 4所示。

圖4 5G網絡架構[5]

面向R16的研究項目研究和評估對 R15 SBA 的潛在優化和增強，以便為5G 系統提供更好的靈活性和模塊化，更容易地定義網絡切片，更好地支持網絡功能服務的自動化和高可靠性。具體包括：優化系統功能模塊、改進服務框架、高可靠部署架構支持、將服務概念從5GC 控制平面擴展到用戶平面等。

可以看到， 3GPP SBA 具備松耦合的微服務、高效的服務調用接口、自動化智能化的服務管理框架等特征；對運營商而言， SBA 可以提供敏捷、易擴展、開放、靈活組網的能力。

3 結束語

移動互聯網、物聯網的快速發展與日新月異的需求，推動了移動通信技術的不斷更新，對新的移動通信技術也提出了更高的要求。5G移動通信引入全新的服務化架構、SDN/NFV 技術，基礎設施平臺采用通用的 COTS 服務器，實現軟硬件解耦，通過虛擬化資源的動態配置、靈活的網絡切片技術，可以為5G 時代增強移動帶寬、超高可靠低時延通信、海量機器通信等各種場景提供滿意的服務。