5G网络切片技术（5g网络切片技术是什么）

5G网络切片技术（5g网络切片技术是什么）

5G移动通信网不是一个仅仅以人为服务对象的网络，而是一个面向万物互联的网络，其业务涉及诸多的行业和领域，包括智能家居、智慧城市、农业传感、车联网、虚拟现实、增强现实、工业制造、无人机、远程医疗等等。

不同的业务应用对网络性能的需求有着很大的差异。例如，虚拟现实和增强现实业务需要较高的传输速率；智能家居和智慧城市等业务需要较大的连接密度，而对传输速率的需求往往并不高；工业制造领域的应用则要求极低的时延和极高的可靠性。

总体上来说，3GPP将5G的业务划分为三大类型：eMBB（增强移动宽带）、mMTC（海量机器类通信）和uRLLC（高可靠低时延）。然而，由于各种业务应用对于移动性、计费、安全和策略控制等方面又有不同的需求，所以上述三大类型的业务又可划分为诸多的细分业务类型。

如何在5G网络中满足如此广泛而差异巨大的业务需求，是5G网络运营者面临的一个不可回避的难题。

首先，我们是否可以设计一个功能极其强大的5G网络，使其中的任何一个业务终端，无论其是否需要，都享受到极高速率、极低时延、极高可靠性的服务呢？从理论上来讲，是可以实现的。但是，这样的网络将是成本极高、极其复杂的。这就像一家饭店为所有来就餐的客人都提供一桌满汉全席，是难以经营的。

那么，我们是否可以考虑建设多个不同性能的专用网络来满足不同的业务需求呢？显然，这仍然会导致网络建设成本过高、网络资源利用效率低的问题。而且一旦某一类业务发展的不理想，投资损失将难以挽回。

于是，网络切片技术就应运而生了。

所谓网络切片，是指在一个通用的物理平台上，构建多个虚拟的、逻辑上相互独立的网络，以满足不同的业务需求。利用网络切片技术，可以建设一个灵活的、高适应性的通信网络，使得网络运营者可以为不同行业、不同客户、不同业务，量身定制相应的网络服务，极大地提高网络资源使用效率，优化网络建设投资。

如果还是以经营饭店来比喻，这就像是一家饭店，根据客人的消费水平不同、需求不同，灵活地提供从十几元到几百元不等的套餐，每一价位的套餐又有多种不同的口味可供选择，而且还可以根据客人的特殊需要，为其单独制作套餐。这样，这家饭店的经营情况可能就会比较乐观了。

作为5G的关键技术之一，3GPP将网络切片纳入了R15的相关标准。在TS22.261中描述了网络切片需求，在TR23.799、TS23.501和TS23.502中制订了核心网切片方案，在TS23.501中定义了不同的切片/业务类型，在TS23.799中提出了切片控制面的控制方式，在TR38.801中制订了接入网切片的相关标准，在TS38.300中定义了接入网切片原则、核心网切片选择以及用户设备移动性信令流程等，网络切片管理的相关标准则包含在TR28.801中。

下面我们来具体介绍一下5G网络切片的技术基础、实现方案和商业模式。

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网络切片的实现，需要两个主要的技术来支撑，即NFV（网络功能虚拟化）和SDN（软件定义网络）。

（1）NFV

近年来，在IT领域，虚拟化技术得到了越来越广泛的应用。虚拟化技术是在物理基础设施和其操作系统之上，部署虚拟化软件平台，划分出若干虚拟机或容器，屏蔽物理资源细节，对外提供统一的接口让用户访问抽象后的资源，如图1所示。网络虚拟化后，可以方便地提供各种业务应用，并且使得网络资源的使用效率大大提高。

图1 虚拟化技术原理框图

然而，在传统的通信网络中，硬件网元是由专用设备来实现的，不同功能的网元使用不同的专用设备，软件和硬件是紧耦合的关系。这样的网络缺乏灵活性和资源使用效率，不利于5G网络提供种类繁多的业务功能。

因此，在5G网络中引进了IT领域的虚拟化技术，将硬件资源虚拟化，使得传统上由专用硬件实现的网络功能以软件的形式运行在虚拟机或容器中，这就是网络功能虚拟化，即NFV。图2是ETSI给出的NFV架构。

图2 NFV的架构

在图2中，我们可以看到，NFV包括计算虚拟化、存储虚拟化和网络虚拟化。VNF即在虚拟化的基础上提供的虚拟网络功能。EMS提供对VNF的管理。OSS/BSS是原有的操作支持和业务支持系统。图2的右半部分是NFV的管理和编排系统。

（2）SDN

所谓SDN，是指将网络的控制平面和数据平面分离，并进行逻辑集中控制，抽象数据平面的网络资源，支持通过统一开放的接口对网络进行集中编程控制。如图3所示。

图3 SDN架构

SDN的设计思路与NFV有类似之处，都是通过解耦来达到提升系统灵活性的目的。不同之处在于，NFV是实现软硬件的解耦，而SDN是实现控制面和数据面的解耦。

在SDN网络中，网络管理者可以通过软件编程，方便地配置和修改网络控制策略。由于SDN的控制面只需要根据控制器下发的指令转发和处理数据，而不需要理解大量的协议，极大地简化了网络管理和维护的复杂度。

在5G网络中，NFV技术主要体现在核心网和接入网，而SDN技术主要体现在承载网。

5G网络采用NFV和SDN技术后，实现了软硬件的解耦以及控制面的数据面的解耦，可以灵活方便地提供各种网络功能，使得在5G网络中实施网络切片成为可能。

2. 5G网络切片的实现

对于5G网络来说，网络切片使得网络资源可以灵活分配，网络能力可以按需组合，从而使得一个5G网络从逻辑上能够划分为多个具备不同性能的子网。

5G网络一个完整的端到端切片由核心网、接入网和承载网子切片构成，并由切片管理系统进行统一管理。如图4所示。

图4

（1）核心网切片

5G核心网采用微服务架构，并实现了网络功能虚拟化，如图5所示。

图5

图5中的NSSF是网络切片选择功能，它可以根据NSSAI（网络切片辅助信息）、位置信息、切片负荷信息等，智能化地选择切片。NSSAI由两部分组成：SST和SD。其中SST是5G标准中定义的网络切片的服务场景或类型，而SD用来区分相同类型网络切片中不同的具体切片。

核心网包括了移动性管理、会话管理、计费、QoS等功能，这些功能分别由不同的功能单元来完成，因而核心网的一组切片包含了多个功能单元。

不同切片组中的功能单元不一定都是完全独立的。根据SLA（服务等级协议）、成本、安全隔离等需求，核心网切片支持GROUP A、B、C等切片构成方式。

GROUP A：媒体面和控制网元面都不共享。这种方式安全隔离度高，成本也比较高，适用于远程医疗、工业自动化等需要高可靠性的应用。

GROUP B：部分控制面网元共享，媒体面和其它控制面网络不共享。这种方式隔离度相对较低，适用于辅助驾驶、车载娱乐等应用。

GROUP C：控制面网元全部共享，媒体面网元不共享。这种方式隔离度最低，成本比较经济，适用于手机视频、智能抄表等应用。

比较典型的核心网切片部署方式是以NSSF和NRF（网络功能存储功能）作为公共服务，以PLMN为单位来部署；AMF（接入及移动性管理功能）、PCF（策略控制功能）和UDM（统一数据管理）等网络功能可在多个切片间共享；SMF（会话管理功能）和UPF（用户面功能）等则基于不同的业务需求，为每个切片单独部署。

（2）接入网切片

5G接入网由CU（集中单元）、DU（分布单元）和AAU（有源天线单元）组成。如图6。

图6 5G接入网结构

CU负责接入网中实时性要求不高的功能，包括RRC和PDCP层，同时它也支持部分核心网功能下沉和边缘计算功能；DU负责处理实时性要求较高的部分，包括RLC、MAC和物理高层；物理低层则下沉到AAU，AAU还包括射频部分和天线。

根据业务需求的不同，接入网切片可以进行灵活的部署。

一般来说，mMTC业务对时延和带宽的要求都比较宽松，可以将CU、DU分离，CU、DU按1：N的比例配置，CU集中部署（如图7）。这样部署的好处是可以共享基带资源，节省CU的设备投资，并有利于基站间的干扰协调。

图7 CU、DU分离部署

URLLC业务对时延的要求比较苛刻，一般会采取CU、DU合设的方式（如图8）。

图8 CU、DU合设

eMBB业务对带宽要求比较高，但是对时延要求差异较大。一般情况下，可以采用CU、DU分离部署的方式。如分离部署不能满足其具体业务的时延要求，则需采用CU、DU合设的方案。

在空口方面，5G NR采用了灵活的帧结构设计。针对不同的切片需求，可以为每个切片进行专用无线资源RB（资源块）的分配和映射，形成切片间无线资源的隔离。并且通过帧格式、调度优先级等参数的配置，满足切片对空口性能的要求。

（3）承载网切片

5G的网络切片是端到端的逻辑子网，因此，网络切片不仅要求核心网和接入网提供支持，同样也涉及到承载网。

根据CU、DU是否合设，5G承载网分为两级结构或三级结构。如果CU、DU合设，则承载网具有前传和回传两级结构；如果CU、DU分设，则承载网具有前传、中传和回传三级结构。如图9所示。

图9 5G承载网的两级和三级结构

对于网络切片来说，承载网需要在带宽、时延和组网的灵活性方面为其提供相应的解决方案。

一般来说，建议5G承载网采用SDN架构。在此架构中，物理的传输网元和链路被虚拟化，成为虚拟网元（vNE）和虚拟链路（vLink）。基于vNE和vLink，则形成了虚拟网络（vNet）。控制面和数据面实现解耦，使得网络具有开放和可编程的特征，利于实现网络切片。

5G承载网切片的具体实现方式，目前并未统一。国内的三大运营商中国移动、中国电信和中国联通都提出了各自的解决方案。下面简单地介绍一下中国移动的解决方案。

中国移动的5G承载网采用了SPN（切片分组网）方案，该技术是由中国移动的4G承载网PTN（分组传送网）发展而来的。针对5G的需求，SPN引入了SE（切片以太网）、SR-TP/SR-BE以及DWDM技术。

SPN通过FlexE（灵活以太网）接口和切片以太网通道支持端到端的网络切片。FlexE可以把多个物理端口捆绑，形成一个虚拟的高速逻辑通道。这样，用户的速率不再受限于物理接口的速率。切片以太网通道可以提供切片业务的硬ge离通道，降低时延。

3. 5G网络切片的商业模式

GSMA（全球移动通信系统协会）在其发布的《5G网络切片白皮书》中提出了5G网络切片的三种商业模式。

（1）运营商托管

这种模式类似于云计算服务中的SaaS（软件即服务）模式。运营商除了向用户提供网络切片，还负责开发和管理用户的应用软件，用户只需通过客户端访问即可。

（2）能力开放

这种模式类似于云计算服务中的PaaS（平台即服务）模式。运营商向用户提供网络切片以及应用编程接口，用户自己来开发和管理应用程序。

（3）集成现有业务流程

如果用户拥有私有网络和业务流程，那么这些私有网络和业务流程可以集成到运营商提供的网络切片中，从而使这些私有网络和业务流程更加高效，并获得运营商独有的业务功能和管理功能。

网络切片是5G网络应对物联网应用的利器，华为、中兴等5G设备生产商都支持该技术。当然，如果运营商采用NSA（非独立组网）方式组网，是无法提供进行网络切片的。近期，国内运营商开始大量采购5G SA（独立组网）核心网设备，使得国内的5G网络切片业务有望可以很快提供规模应用。

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