5G應用前景和網絡切片技術分析

聶子寧

（廣東南方電信規(guī)劃咨詢設計院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

與以往的移動通信技術不同，5G通信技術將大數(shù)據(jù)技術、云計算技術以及智能技術等融合在一起，將傳統(tǒng)的無線通信網絡升級為智能通信網絡，能夠針對特定的應用場景采用不同的網絡通信方式。利用切片技術可以解決5G不同應用場景存在的問題，使5G網絡通信更加靈活和安全，網絡可拓展性更強，為用戶提供良好的體驗。

1 5G網絡的應用場景

在移動通信的發(fā)展過程中，3G網絡和4G網絡已經不能滿足網絡中海量數(shù)據(jù)與新業(yè)務的需求，而5G網絡則在3G網絡和4G網絡的基礎上采用了新的標準，在網絡通信中得到了廣泛的應用。5G網絡的應用場景主要包括3類，即增強型移動寬帶（Enhance Mobile Broad Band，eMBB）、大規(guī)模機器類通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）以及低時延高可靠通信（Ultra Reliable & Low Latency Communication，uRLLC）。

1.1 增強型移動寬帶

增強型移動寬帶主要是對原有的移動通信網絡帶寬、功能以及場景等進行升級，以用戶的網絡體驗和場景體驗為中心，提高網絡的吞吐量與帶寬。此外，增強型移動寬帶不僅注重多媒體的應用場景，增強區(qū)域的通信能力，而且還能為用戶提供無縫對接的高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務，滿足大型場館中的超高清視頻、社交網絡、侵入式游戲以及網絡全息視頻等業(yè)務的需求，方便用戶能夠隨時隨地接入網絡并參與到不同類型的活動中[1]。

1.2 大規(guī)模機器類通信

大規(guī)模機器類通信對網絡通信時延要求較低，一般應用于大型場景[2]。大規(guī)模機器類通信在5G網絡中的應用，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，具有較強的網絡覆蓋能力。大規(guī)模機器類通信技術還能支持遠距離的傳輸，如智能家居和智能監(jiān)控等相關應用場景。這些場景往往會產生海量的數(shù)據(jù)，需要為用戶提供毫秒級的面對面、端到端的時延，才能保證網絡通信的可靠性，利用大規(guī)模機器類通信技術能較好地解決這一問題。

1.3 低時延高可靠通信

低時延高可靠通信主要應用于智能駕駛、遠程醫(yī)療手術、智能家居以及視頻會議等場景，一般都是以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標的數(shù)據(jù)控制業(yè)務。5G擁有按需動態(tài)分配與智能化處理網絡帶寬的技術，可以為用戶提供高性能的網絡通信功能[3]。

2 網絡切片技術分析

2.1 5G網絡切片技術的內涵

5G網絡能應用于多種場景，主要采用切片技術來解決網絡通信信道的容量問題。將一個通信的物理網絡分割成多個虛擬的端到端通信網絡，實現(xiàn)5G網絡通信功能的虛擬化。在通信過程中，每個虛擬網絡都是一個獨立的邏輯單元或結構，包括網絡內的設備、接入與傳輸?shù)榷冀M成一個虛擬的通信網絡，任何一個虛擬通信網絡發(fā)生故障都不會對其他的虛擬網絡產生影響。此外，切片技術會根據(jù)網絡通信場景的不同，自動挑選網絡物理資源與虛擬資源[4]。由于5G網絡應用場景具有不同的需求，且需要接入不同的設備，因此采用網絡切片技術可以將一個物理網絡分割成不同應用場景的虛擬邏輯網絡，使不同的虛擬網絡應用于不同的場景中，從而滿足不同通信場景的需求。網絡切片是5G獨立組網（Standalone，SA）的重要技術之一，采用端到端切片技術涉及網絡通信、業(yè)務運營、多專業(yè)的網絡通信協(xié)議與規(guī)劃以及網絡維護等問題。

2.2 5G端到端網絡切片架構和關鍵技術

5G網絡通信切片主要為通信場景提供端到端邏輯的專用通信網絡，主要由無線（AN）、承載（TN）以及核心網（CN）3個網絡切片實例組成。具體的5G端到端網絡切片架構如圖1所示。

圖1 5G端到端網絡切片架構

在不同的業(yè)務領域，采用網絡切片技術來實現(xiàn)AN-TN以及TN-CN模塊之間的數(shù)據(jù)轉發(fā)。而在數(shù)據(jù)轉發(fā)面主要采用的是對接標識互通和端到端服務等級協(xié)議（Service-Level Agreement，SLA）保障數(shù)據(jù)通信。根據(jù)實現(xiàn)功能的不同，將5G網絡切片的管理域分為通信服務管理功能、業(yè)務支撐系統(tǒng)以及網絡切片管理功能與運營支撐功能。通信服務管理功 能（Communication Service Management Function，CSMF）與運營商的業(yè)務支撐系統(tǒng)（Business Support System，BSS）作為網絡服務的頂層，兩者集成在一起負責5G網絡切片業(yè)務運營，為用戶提供不同的服務。網絡切片管理功能（Network Slice Management Function，NSMF）和運營支撐系統(tǒng)（Operation Support System，OSS）負責實現(xiàn)網絡切片的規(guī)劃、部署以及資源的選擇與調用，并對整個5G通信網絡進行維護。各專業(yè)的網絡子切片管理功能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF）獨立管理各個應用場景進行獨立管理，實現(xiàn)5G網絡切片資源的管理與運維[5]。

2.2.1 動態(tài)編排5G網絡的動態(tài)資源

5G網絡能針對不同的場景自動選擇物理硬件資源與虛擬資源，具有開發(fā)網絡切片的動態(tài)資源規(guī)劃和自動編排能力，能夠根據(jù)網絡通信數(shù)據(jù)業(yè)務的SLA需求選擇網絡通信形式，采用在NSMF上事先規(guī)劃好的切片模板對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)業(yè)務進行處理，從而實現(xiàn)網絡通信的靜態(tài)規(guī)劃和編排。此外，還可以采用手工輸入的方法對切片業(yè)務數(shù)據(jù)最大并發(fā)數(shù)、網絡帶寬、通信時延、場景隔離需求以及網絡可靠性等通信參數(shù)指標進行設置，保證配置參數(shù)與5G承載帶寬和網絡時延性能相匹配。通過動態(tài)的網絡資源分配，可以實現(xiàn)沙箱仿真與SLA性能監(jiān)測，對網絡數(shù)據(jù)進行收集與智能分析，從而實現(xiàn)5G網絡通信切片資源的自動編排與動態(tài)規(guī)劃處理[6]。

2.2.2 采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信標準接口

當前國際上還沒有統(tǒng)一的標準，主要是由各個服務運營商協(xié)同設備商來共同設計與規(guī)范NSMT與TN-NSSMF標準。5G切片技術針對不同的應用場景，采用統(tǒng)一規(guī)范NSMF和TN-NSSMF之間標準數(shù)據(jù)的傳輸，保證不同設備之間的通信順暢，從而保證不同設備之間通信的穩(wěn)定性與兼容性。同時，通過不斷完善TC與5G網絡切片的技術標準與通信接口規(guī)范，來促進5G網絡通信協(xié)同發(fā)展。

2.2.3 支持網絡高性能需求

5G網絡切片技術采用端到端低時延通信，在工業(yè)控制中得到了廣泛應用。特別是在一些要求低時延與高可靠性的垂直業(yè)務通信網絡中（如車聯(lián)網、智能安保等），5G切片技術具有十分重要的作用。它能結合業(yè)務的源宿節(jié)點與通信網絡的承載規(guī)模，將網絡層與業(yè)務層結合在一起，實現(xiàn)網絡高精度的單向時延等性能的檢測，并對切片承載子網絡的通信情況進行評估，從而有效實現(xiàn)了端到端低時延通信指標的分解，支持網絡高性能[7]。目前，端到端低時延網絡切片的測試技術依賴于5G手機終端與5G通信核心網絡之間的數(shù)據(jù)下載業(yè)務來驗證網絡的帶寬與低時延，會受到無線網絡空間、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、承載和核心網的端到端OAM機制，導致網絡通信性能不能滿足要求，這就需要提升端到端切片性能，提高網絡的監(jiān)測與智能運維能力，從而實現(xiàn)高精度的端到端OAM機制。從5G虛擬網絡的隔離性、優(yōu)先級以及網絡保護出發(fā)，利用切片技術對網絡的功能與業(yè)務性能進行配置，從而更好地支撐端到端SLA的通信。

3 支撐5G+垂直行業(yè)的承載網絡切片技術

針對不同的應用場景，采用5G+垂直行業(yè)的網絡切片技術提高網絡通信的帶寬，保證網絡通信的低時延。在大型場景中，采用基于SPN的5G承載網絡技術與增強的網絡關鍵技術，能保證不同場景網絡應用的穩(wěn)定性。

3.1 支持不同資源、不同場景的隔離特性

針對5G網絡在垂直行業(yè)的應用，需要對不同的應用場景進行隔離，利用5G承載網絡切片技術能很好的實現(xiàn)這一要求。在具體應用中針對不同資源的應用類型，可以根據(jù)實際情況分配網絡資源，以達到對不同場景進行隔離的目的。例如，可以將FIexE/MTN接口和MTN通道進行隔離處理，實現(xiàn)網絡通信的硬隔離特征。而分組隧道、VPN和QoS調度可以采用軟隔離的方式進行處理，軟隔離和硬隔離這兩種方式都可以采用一對一的專用通信或者一對多的復用通信方式。

3.2 支持靈活帶寬調整能力

根據(jù)不同場景的業(yè)務需求，5G網絡切片技術提供不同顆粒度網絡帶寬配置環(huán)境，可以實現(xiàn)網絡帶寬的靈活調整，并支持網絡通信的高精度時延、數(shù)據(jù)丟包等性能的監(jiān)測，實現(xiàn)網絡通信資源的優(yōu)化調整。針對工業(yè)生產控制的垂直行業(yè)場景，利用5G切片技術可以實現(xiàn)高隔離與可靠性的網絡業(yè)務通信要求，支持承載網絡統(tǒng)一開發(fā)一些小顆粒技術方案，并支撐現(xiàn)有通信網絡的平滑升級演進，降低網絡通信成本[8]。

3.3 具備確定的低時延特性

時分復用（time-division multiplexing，TDM）技術是一種常用的切片技術，是5G通信的關鍵技術之一。它主要是采用MTN接口和MTN通道進行通信，在通信入口不擁塞的情況下，網絡中接入?yún)R聚與核心SPN設備的通信轉發(fā)時延都小于3 μs或10 μs，而且通信性能的抖動也小于1 μs。針對不同場景網絡的需求，可以將TDM技術與VPN技術結合在一起，降低網絡通信的時延，利用VPN+QoS軟顆粒網絡切片技術、可增強QoS隊列調度機制以及IEEE 802.1的TSN技術解決方案來提高網絡通信的帶寬，提升網絡分組轉發(fā)性能，保證5G網絡的低時延特征[9]。

3.4 按需提供高可靠性

5G網絡切片技術構建的多級虛擬網絡，使得承載網絡能支持多種電信網絡保護技術，還支持抗多點故障秒級動態(tài)路由恢復技術，對提高網絡通信效率具有十分重要的作用。例如，在智能電網、車聯(lián)網以及工業(yè)控制等容量的網絡通信中，要求網絡達到99.999 9%以上的超高可靠性。利用5G切片技術可以提供網絡保護、設備和關鍵板卡的冗余保護方案，解決網絡通信問題，從而實現(xiàn)工業(yè)場景的超高可靠性保障。5G網絡切片資源還能依據(jù)網絡通信的要求，動態(tài)分配切片資源，實現(xiàn)網絡通信的智能化運維，為不同場景和行業(yè)的客戶提供服務等級協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）相匹配的優(yōu)享、專享和尊享級別的優(yōu)質VPN服務[10]。

4 結 論

5G技術屬于新型網絡通信技術，能夠為用戶提供多種場景服務。5G網絡切片技術的應用將各種場景連接在一起，并通過VPN隧道技術保證了各個通道之間相互獨立，不產生干擾，保證了網絡通信的超高速、低時延以及高可靠性，從而為自動工業(yè)控制、遠程醫(yī)療以及自動駕駛服務等提供通信技術支持，改變人們的生活與生產方式。