5G應(yīng)用前景和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)分析

聶子寧

（廣東南方電信規(guī)劃咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

與以往的移動(dòng)通信技術(shù)不同，5G通信技術(shù)將大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)以及智能技術(shù)等融合在一起，將傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)升級(jí)為智能通信網(wǎng)絡(luò)，能夠針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景采用不同的網(wǎng)絡(luò)通信方式。利用切片技術(shù)可以解決5G不同應(yīng)用場(chǎng)景存在的問題，使5G網(wǎng)絡(luò)通信更加靈活和安全，網(wǎng)絡(luò)可拓展性更強(qiáng)，為用戶提供良好的體驗(yàn)。

1 5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景

在移動(dòng)通信的發(fā)展過程中，3G網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足網(wǎng)絡(luò)中海量數(shù)據(jù)與新業(yè)務(wù)的需求，而5G網(wǎng)絡(luò)則在3G網(wǎng)絡(luò)和4G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上采用了新的標(biāo)準(zhǔn)，在網(wǎng)絡(luò)通信中得到了廣泛的應(yīng)用。5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括3類，即增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（Enhance Mobile Broad Band，eMBB）、大規(guī)模機(jī)器類通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）以及低時(shí)延高可靠通信（Ultra Reliable & Low Latency Communication，uRLLC）。

1.1 增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶

增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶主要是對(duì)原有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)帶寬、功能以及場(chǎng)景等進(jìn)行升級(jí)，以用戶的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)和場(chǎng)景體驗(yàn)為中心，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量與帶寬。此外，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶不僅注重多媒體的應(yīng)用場(chǎng)景，增強(qiáng)區(qū)域的通信能力，而且還能為用戶提供無縫對(duì)接的高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，滿足大型場(chǎng)館中的超高清視頻、社交網(wǎng)絡(luò)、侵入式游戲以及網(wǎng)絡(luò)全息視頻等業(yè)務(wù)的需求，方便用戶能夠隨時(shí)隨地接入網(wǎng)絡(luò)并參與到不同類型的活動(dòng)中[1]。

1.2 大規(guī)模機(jī)器類通信

大規(guī)模機(jī)器類通信對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延要求較低，一般應(yīng)用于大型場(chǎng)景[2]。大規(guī)模機(jī)器類通信在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，支持的通信終端類型與數(shù)量較多，但一般都是小數(shù)據(jù)包的傳輸，具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。大規(guī)模機(jī)器類通信技術(shù)還能支持遠(yuǎn)距離的傳輸，如智能家居和智能監(jiān)控等相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景。這些場(chǎng)景往往會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，需要為用戶提供毫秒級(jí)的面對(duì)面、端到端的時(shí)延，才能保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，利用大規(guī)模機(jī)器類通信技術(shù)能較好地解決這一問題。

1.3 低時(shí)延高可靠通信

低時(shí)延高可靠通信主要應(yīng)用于智能駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù)、智能家居以及視頻會(huì)議等場(chǎng)景，一般都是以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的數(shù)據(jù)控制業(yè)務(wù)。5G擁有按需動(dòng)態(tài)分配與智能化處理網(wǎng)絡(luò)帶寬的技術(shù)，可以為用戶提供高性能的網(wǎng)絡(luò)通信功能[3]。

2 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)分析

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的內(nèi)涵

5G網(wǎng)絡(luò)能應(yīng)用于多種場(chǎng)景，主要采用切片技術(shù)來解決網(wǎng)絡(luò)通信信道的容量問題。將一個(gè)通信的物理網(wǎng)絡(luò)分割成多個(gè)虛擬的端到端通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)通信功能的虛擬化。在通信過程中，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)都是一個(gè)獨(dú)立的邏輯單元或結(jié)構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備、接入與傳輸?shù)榷冀M成一個(gè)虛擬的通信網(wǎng)絡(luò)，任何一個(gè)虛擬通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障都不會(huì)對(duì)其他的虛擬網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響。此外，切片技術(shù)會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信場(chǎng)景的不同，自動(dòng)挑選網(wǎng)絡(luò)物理資源與虛擬資源[4]。由于5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景具有不同的需求，且需要接入不同的設(shè)備，因此采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)分割成不同應(yīng)用場(chǎng)景的虛擬邏輯網(wǎng)絡(luò)，使不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于不同的場(chǎng)景中，從而滿足不同通信場(chǎng)景的需求。網(wǎng)絡(luò)切片是5G獨(dú)立組網(wǎng)（Standalone，SA）的重要技術(shù)之一，采用端到端切片技術(shù)涉及網(wǎng)絡(luò)通信、業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)、多專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議與規(guī)劃以及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等問題。

2.2 5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)通信切片主要為通信場(chǎng)景提供端到端邏輯的專用通信網(wǎng)絡(luò)，主要由無線（AN）、承載（TN）以及核心網(wǎng)（CN）3個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例組成。具體的5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

在不同的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)來實(shí)現(xiàn)AN-TN以及TN-CN模塊之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。而在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面主要采用的是對(duì)接標(biāo)識(shí)互通和端到端服務(wù)等級(jí)協(xié)議（Service-Level Agreement，SLA）保障數(shù)據(jù)通信。根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，將5G網(wǎng)絡(luò)切片的管理域分為通信服務(wù)管理功能、業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)切片管理功能與運(yùn)營(yíng)支撐功能。通信服務(wù)管理功 能（Communication Service Management Function，CSMF）與運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)（Business Support System，BSS）作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的頂層，兩者集成在一起負(fù)責(zé)5G網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)，為用戶提供不同的服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)切片管理功能（Network Slice Management Function，NSMF）和運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)（Operation Support System，OSS）負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的規(guī)劃、部署以及資源的選擇與調(diào)用，并對(duì)整個(gè)5G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)。各專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)子切片管理功能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF）獨(dú)立管理各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行獨(dú)立管理，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)切片資源的管理與運(yùn)維[5]。

2.2.1 動(dòng)態(tài)編排5G網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)資源

5G網(wǎng)絡(luò)能針對(duì)不同的場(chǎng)景自動(dòng)選擇物理硬件資源與虛擬資源，具有開發(fā)網(wǎng)絡(luò)切片的動(dòng)態(tài)資源規(guī)劃和自動(dòng)編排能力，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的SLA需求選擇網(wǎng)絡(luò)通信形式，采用在NSMF上事先規(guī)劃好的切片模板對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的靜態(tài)規(guī)劃和編排。此外，還可以采用手工輸入的方法對(duì)切片業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)最大并發(fā)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)帶寬、通信時(shí)延、場(chǎng)景隔離需求以及網(wǎng)絡(luò)可靠性等通信參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)置，保證配置參數(shù)與5G承載帶寬和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能相匹配。通過動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)資源分配，可以實(shí)現(xiàn)沙箱仿真與SLA性能監(jiān)測(cè)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與智能分析，從而實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)通信切片資源的自動(dòng)編排與動(dòng)態(tài)規(guī)劃處理[6]。

2.2.2 采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)接口

當(dāng)前國際上還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，主要是由各個(gè)服務(wù)運(yùn)營(yíng)商協(xié)同設(shè)備商來共同設(shè)計(jì)與規(guī)范NSMT與TN-NSSMF標(biāo)準(zhǔn)。5G切片技術(shù)針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，采用統(tǒng)一規(guī)范NSMF和TN-NSSMF之間標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的傳輸，保證不同設(shè)備之間的通信順暢，從而保證不同設(shè)備之間通信的穩(wěn)定性與兼容性。同時(shí)，通過不斷完善TC與5G網(wǎng)絡(luò)切片的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與通信接口規(guī)范，來促進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)同發(fā)展。

2.2.3 支持網(wǎng)絡(luò)高性能需求

5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)采用端到端低時(shí)延通信，在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。特別是在一些要求低時(shí)延與高可靠性的垂直業(yè)務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)中（如車聯(lián)網(wǎng)、智能安保等），5G切片技術(shù)具有十分重要的作用。它能結(jié)合業(yè)務(wù)的源宿節(jié)點(diǎn)與通信網(wǎng)絡(luò)的承載規(guī)模，將網(wǎng)絡(luò)層與業(yè)務(wù)層結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高精度的單向時(shí)延等性能的檢測(cè)，并對(duì)切片承載子網(wǎng)絡(luò)的通信情況進(jìn)行評(píng)估，從而有效實(shí)現(xiàn)了端到端低時(shí)延通信指標(biāo)的分解，支持網(wǎng)絡(luò)高性能[7]。目前，端到端低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)切片的測(cè)試技術(shù)依賴于5G手機(jī)終端與5G通信核心網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)下載業(yè)務(wù)來驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的帶寬與低時(shí)延，會(huì)受到無線網(wǎng)絡(luò)空間、不同小區(qū)之間的環(huán)境影響。由于缺乏跨域、跨小區(qū)的無線、承載和核心網(wǎng)的端到端OAM機(jī)制，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信性能不能滿足要求，這就需要提升端到端切片性能，提高網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)與智能運(yùn)維能力，從而實(shí)現(xiàn)高精度的端到端OAM機(jī)制。從5G虛擬網(wǎng)絡(luò)的隔離性、優(yōu)先級(jí)以及網(wǎng)絡(luò)保護(hù)出發(fā)，利用切片技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的功能與業(yè)務(wù)性能進(jìn)行配置，從而更好地支撐端到端SLA的通信。

3 支撐5G+垂直行業(yè)的承載網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，采用5G+垂直行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)通信的帶寬，保證網(wǎng)絡(luò)通信的低時(shí)延。在大型場(chǎng)景中，采用基于SPN的5G承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，能保證不同場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的穩(wěn)定性。

3.1 支持不同資源、不同場(chǎng)景的隔離特性

針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)在垂直行業(yè)的應(yīng)用，需要對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行隔離，利用5G承載網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能很好的實(shí)現(xiàn)這一要求。在具體應(yīng)用中針對(duì)不同資源的應(yīng)用類型，可以根據(jù)實(shí)際情況分配網(wǎng)絡(luò)資源，以達(dá)到對(duì)不同場(chǎng)景進(jìn)行隔離的目的。例如，可以將FIexE/MTN接口和MTN通道進(jìn)行隔離處理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的硬隔離特征。而分組隧道、VPN和QoS調(diào)度可以采用軟隔離的方式進(jìn)行處理，軟隔離和硬隔離這兩種方式都可以采用一對(duì)一的專用通信或者一對(duì)多的復(fù)用通信方式。

3.2 支持靈活帶寬調(diào)整能力

根據(jù)不同場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求，5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)提供不同顆粒度網(wǎng)絡(luò)帶寬配置環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)帶寬的靈活調(diào)整，并支持網(wǎng)絡(luò)通信的高精度時(shí)延、數(shù)據(jù)丟包等性能的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信資源的優(yōu)化調(diào)整。針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)控制的垂直行業(yè)場(chǎng)景，利用5G切片技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高隔離與可靠性的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)通信要求，支持承載網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一開發(fā)一些小顆粒技術(shù)方案，并支撐現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的平滑升級(jí)演進(jìn)，降低網(wǎng)絡(luò)通信成本[8]。

3.3 具備確定的低時(shí)延特性

時(shí)分復(fù)用（time-division multiplexing，TDM）技術(shù)是一種常用的切片技術(shù)，是5G通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。它主要是采用MTN接口和MTN通道進(jìn)行通信，在通信入口不擁塞的情況下，網(wǎng)絡(luò)中接入?yún)R聚與核心SPN設(shè)備的通信轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延都小于3 μs或10 μs，而且通信性能的抖動(dòng)也小于1 μs。針對(duì)不同場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)的需求，可以將TDM技術(shù)與VPN技術(shù)結(jié)合在一起，降低網(wǎng)絡(luò)通信的時(shí)延，利用VPN+QoS軟顆粒網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)、可增強(qiáng)QoS隊(duì)列調(diào)度機(jī)制以及IEEE 802.1的TSN技術(shù)解決方案來提高網(wǎng)絡(luò)通信的帶寬，提升網(wǎng)絡(luò)分組轉(zhuǎn)發(fā)性能，保證5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延特征[9]。

3.4 按需提供高可靠性

5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)構(gòu)建的多級(jí)虛擬網(wǎng)絡(luò)，使得承載網(wǎng)絡(luò)能支持多種電信網(wǎng)絡(luò)保護(hù)技術(shù)，還支持抗多點(diǎn)故障秒級(jí)動(dòng)態(tài)路由恢復(fù)技術(shù)，對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)通信效率具有十分重要的作用。例如，在智能電網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)以及工業(yè)控制等容量的網(wǎng)絡(luò)通信中，要求網(wǎng)絡(luò)達(dá)到99.999 9%以上的超高可靠性。利用5G切片技術(shù)可以提供網(wǎng)絡(luò)保護(hù)、設(shè)備和關(guān)鍵板卡的冗余保護(hù)方案，解決網(wǎng)絡(luò)通信問題，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)場(chǎng)景的超高可靠性保障。5G網(wǎng)絡(luò)切片資源還能依據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信的要求，動(dòng)態(tài)分配切片資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的智能化運(yùn)維，為不同場(chǎng)景和行業(yè)的客戶提供服務(wù)等級(jí)協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）相匹配的優(yōu)享、專享和尊享級(jí)別的優(yōu)質(zhì)VPN服務(wù)[10]。

4 結(jié) 論

5G技術(shù)屬于新型網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，能夠?yàn)橛脩籼峁┒喾N場(chǎng)景服務(wù)。5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的應(yīng)用將各種場(chǎng)景連接在一起，并通過VPN隧道技術(shù)保證了各個(gè)通道之間相互獨(dú)立，不產(chǎn)生干擾，保證了網(wǎng)絡(luò)通信的超高速、低時(shí)延以及高可靠性，從而為自動(dòng)工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療以及自動(dòng)駕駛服務(wù)等提供通信技術(shù)支持，改變?nèi)藗兊纳钆c生產(chǎn)方式。