網(wǎng)絡切片：構(gòu)建可定制化的5G網(wǎng)絡

任馳+馬瑞濤

摘要：通過對網(wǎng)絡切片的邏輯組網(wǎng)、定制流程、生命周期管理等方面的介紹，提出了網(wǎng)絡切片技術(shù)中目前尚未解決的一些問題，為未來的網(wǎng)絡切片演進提供了參考。認為在未來的移動網(wǎng)絡中，切片可定制化將是最重要的需求之一。通過在通用的物理平臺上生成功能、性能不同，并且彼此隔離的多張邏輯專網(wǎng)，配合對第三方的網(wǎng)絡能力開放，將使得運營商更有效率地運營網(wǎng)絡，更加深入地挖掘自身網(wǎng)絡的贏利點。

關(guān)鍵詞： 5G；網(wǎng)絡切片；定制化；垂直行業(yè)；網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）

Abstract： The logical networking， customization procedure and life-cycle management of network slicing are introduced in this paper. Some problems that have not been solved in the network slicing technology are put forward， which provide references for the evolution of the future network slicing. It is believed that in future mobile networks ， the customization of sliceing will be one of the most important requirements. By generating the different functions and isolated multi logical private networks on the general physical platform， and opening the network capabilities functions to the third party， the operators can operate the network more efficiently and dig deeper into the profit points of their own network.

Key words： 5G； network slicing； customization； vertical industry； network function virtualization （NFV）

移動通信技術(shù)已經(jīng)成為了當今社會數(shù)字化發(fā)展的強力催化劑。放眼未來，移動通信將進一步發(fā)展并觸及各種垂直行業(yè)，如自動駕駛、制造業(yè)、后勤產(chǎn)業(yè)、能源行業(yè)，并在當前已有涉及但還未完全挖掘出移動業(yè)務潛力的金融業(yè)、健康護理等行業(yè)深入發(fā)揮作用。移動網(wǎng)絡潛力的進一步挖掘就取決于這些商業(yè)模式提出的多樣化的，甚至是互相沖突的需求，比如：運營商中的一個客戶需要高可靠性的業(yè)務，而另一個客戶可能需要超高帶寬的通信業(yè)務。

但業(yè)務需求的多樣性同樣為運營商帶來了巨大的挑戰(zhàn)，如果運營商遵循傳統(tǒng)網(wǎng)絡的建設(shè)思路，僅通過一張網(wǎng)絡來滿足這些彼此之間差異巨大的業(yè)務需求，對于運營商來說將是一筆成本巨大但是同時效率低下的投資。

從功能的角度來看，最符合邏輯并且最有效率的做法應該是：在一個通用的物理平臺之上構(gòu)建多個專用的、虛擬化的、互相隔離的邏輯網(wǎng)絡，來滿足不同客戶對網(wǎng)絡能力的不同要求，而這正是網(wǎng)絡切片技術(shù)的最典型的應用實例。

由此，通過基于5G服務化架構(gòu)的網(wǎng)絡切片技術(shù)，運營商將能夠最大程度地提升網(wǎng)絡對外部環(huán)境、客戶需求、業(yè)務場景的適應性，提升網(wǎng)絡資源使用效率，最優(yōu)化運營商的網(wǎng)絡建設(shè)投資，構(gòu)建智慧的、可定制化的5G網(wǎng)絡。

1 行業(yè)趨勢及挑戰(zhàn)

5G網(wǎng)絡將會逐步引發(fā)新興行業(yè)前所未有的大規(guī)模發(fā)展。5G業(yè)務種類相比傳統(tǒng)3G/4G網(wǎng)絡將出現(xiàn)爆發(fā)式的增長，例如：增強/虛擬現(xiàn)實（AR/VR）、高清移動視頻、數(shù)字醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、智慧家居、工業(yè)控制和環(huán)境監(jiān)測等。這些業(yè)務同時也會促進5G網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，來自數(shù)百種垂直行業(yè)的數(shù)百億設(shè)備將在這一過程中連接到移動網(wǎng)絡，從而真正實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”的愿景[1]。

5G業(yè)務對網(wǎng)絡的要求也是多樣化的，例如：智慧家居、智能電網(wǎng)、智能農(nóng)業(yè)和智能秒表需要支撐額外大量的連接并且頻繁傳輸小的數(shù)據(jù)包，智能車輛和工業(yè)控制要求毫秒級的延遲和接近100%的可靠性， AR/VR、高清視頻等業(yè)務要求更大的移動帶寬。上述這些要求表明：5G網(wǎng)絡需要更加靈活、可定制化，以支撐不同環(huán)境下的大量連接。同時，運營商將逐步從管道服務轉(zhuǎn)向垂直行業(yè)，這也將同時帶來更多的挑戰(zhàn)。

（1）服務多樣化。在5G時代，預知的服務分為3個典型的情形：增強型移動帶寬（eMBB）、超可靠低延遲通信（uRLLC）和大連接物聯(lián)網(wǎng)（mIoT）。eMBB專注于高傳輸速率的服務，例如：高清視頻、VR、AR；uRLLC專注于延遲敏感的服務，如無人駕駛、遠程手術(shù)。mIoT專注于對連接密度有高要求的服務，典型的例子有智慧城市和智慧農(nóng)業(yè)。每種服務要求完全不同的網(wǎng)絡服務，這導致它們的要求完全不同，有時甚至是互相沖突的。

（2）快速部署。部署傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡是一個很長的過程，一個簡單的服務更新周期可能會以月甚至年為單位。在業(yè)務發(fā)展日新月異的今天，這樣的長周期更新將很難滿足快速定制服務和垂直行業(yè)縮短上市時間的需求。

（3）網(wǎng)絡隔離。與傳統(tǒng)的電信業(yè)務不同，垂直行業(yè)傾向于定制專業(yè)網(wǎng)絡功能（如專用路由、移動支持、定制流程處理和網(wǎng)絡內(nèi)處理等）。為在不損失運行效率的情況下處理上述多樣化需求，運營商應使用有安全隔離保障的網(wǎng)絡資源。

（4）能力開放。針對多樣化的移動業(yè)務，需要第三方充分參與網(wǎng)絡切片的生命周期管理，包括切片的設(shè)計、上線和運行管理，因此需要允許第三方應用通過可信而靈活的應用程序編程接口（API）對網(wǎng)絡切片的某些方面進行運營商監(jiān)管下的控制管理，以便提供針對第三方業(yè)務定制化的服務。endprint

（5）自動化控制。靈活性和可擴展性是5G網(wǎng)絡的重要特點，網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢是不依靠人工管理，而是用全自動網(wǎng)絡管理技術(shù)，例如：自我診斷、自我治愈和自動安裝/即插即用，這也是獲得動態(tài)業(yè)務控制的基礎(chǔ)。隨著自動網(wǎng)絡管理技術(shù)的發(fā)展，管理應更具敏捷性和自適應性，以滿足復雜商業(yè)生態(tài)下的業(yè)務需求。

如上所述，5G業(yè)務靈活性和多樣性所帶來的挑戰(zhàn)是真實存在且不可忽視的，為了在克服這些挑戰(zhàn)的同時滿足業(yè)務需求，網(wǎng)絡切片技術(shù)應運而生。通過網(wǎng)絡切片，運營商只需要結(jié)合垂直行業(yè)業(yè)務的具體需求，通過統(tǒng)一的虛擬化管理平臺快速、動態(tài)地管理網(wǎng)絡切片的具體配置，就可以在保證垂直行業(yè)業(yè)務競爭力的同時，從網(wǎng)絡設(shè)計、部署、測試和運行這樣的復雜考慮中解脫出來[2-3]。

2 網(wǎng)絡切片的概念

網(wǎng)絡切片是5G網(wǎng)絡最重要的技術(shù)之一，第3代合作伙伴計劃（3GPP）、下一代移動網(wǎng)絡（NGMN）、全球移動通信系統(tǒng)聯(lián)盟（GSMA）等不同標準組織均對網(wǎng)絡切片展開了深入的研究并取得了一定的成果。

總體來說，網(wǎng)絡切片是一系列技術(shù)的集合，這些技術(shù)能夠產(chǎn)生特殊的、專有的邏輯網(wǎng)絡作為服務以支撐網(wǎng)絡切片差異化并滿足垂直行業(yè)的多樣化需求。通過對功能、隔離機制和網(wǎng)絡運行和維護服務進行靈活的定制設(shè)計，網(wǎng)絡切片能夠基于相同的基礎(chǔ)設(shè)施提供邏輯專有網(wǎng)絡。網(wǎng)絡切片實例（NSI）是實現(xiàn)網(wǎng)絡切片概念的核心，它是一個端到端的邏輯網(wǎng)絡，包含了一系列的網(wǎng)絡功能、資源和連接關(guān)系。一個NSI通常會橫跨多個技術(shù)領(lǐng)域，包括終端、接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)以及管理垂直行業(yè)第三方應用的數(shù)據(jù)中心[4]。

在一個公共陸地移動網(wǎng)絡（PLMN）內(nèi)，一個NSI由一個單切片選擇輔助信息（S-NSSAI）唯一標識，一個S-NSSAI由切片/業(yè)務類型和切片區(qū)分標識兩部分組成，其中切片類型表示在特性和業(yè)務方面期望的網(wǎng)絡切片行為，切片區(qū)分標識用于在多個切片/業(yè)務類型相同的多個網(wǎng)絡切片當中補充網(wǎng)絡切片區(qū)分信息。現(xiàn)階段，在3GPP標準中定義了3種標準化切片/業(yè)務類型取值，具體如表1所示.

在網(wǎng)絡切片的設(shè)計中，并不需要每一個切片都包含所有的網(wǎng)絡功能，針對特定業(yè)務或垂直行業(yè)的網(wǎng)絡切片只需要定制化地包含業(yè)務所必須的網(wǎng)絡功能，而應盡量避免包含任何對業(yè)務來說非必要的網(wǎng)絡功能，以最大程度地滿足垂直行業(yè)業(yè)務的相關(guān)需求。

3 定制化網(wǎng)絡切片

3.1 邏輯組網(wǎng)

5G移動網(wǎng)絡可以根據(jù)不同業(yè)務的需求，提供通用或?qū)Ｓ芯W(wǎng)絡服務，形成不同的網(wǎng)絡切片。在5G網(wǎng)絡中，網(wǎng)元概念將被弱化，取而代之的是虛擬機中運行的各種網(wǎng)絡功能（NF），這些網(wǎng)絡功能是從原有網(wǎng)元功能中剝離出來并進行優(yōu)化、增強后，通過網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）技術(shù)實現(xiàn)。在通用的物理基礎(chǔ)設(shè)施之上，不同的網(wǎng)絡切片基于軟件定義網(wǎng)絡（SDN）/NFV技術(shù)，并根據(jù)業(yè)務和場景的需求上線不同的功能模塊并部署在不同位置，在邏輯上生成彼此隔離的多張專網(wǎng)。以3GPP中標準的切片/業(yè)務類型定義的三大場景為例進行說明。

（1）mIoT場景將使終端連接到網(wǎng)絡的連接數(shù)量急劇增長。與龐大的連接數(shù)量相比，物聯(lián)網(wǎng)的終端所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)非常有限，并且物聯(lián)網(wǎng)終端的通信行為往往有著特定的規(guī)律，同時物聯(lián)網(wǎng)終端經(jīng)常被固定在某個地點，不具備移動性。因此，大連接物聯(lián)網(wǎng)場景下的網(wǎng)絡切片不一定具有用戶面連接，其控制面的部署位置也可以相對較高。

（2）uRLLC主要應用領(lǐng)域之一是車聯(lián)網(wǎng)，它需要終端在快速移動的情況下，仍具有帶寬和時延保障，并具有可靠的傳輸能力，因此低時延、高可靠場景下的網(wǎng)絡切片的控制面和用戶面應分開部署，控制面部署位置不宜過高，用戶面部署位置則必須很低，盡量靠近終端側(cè)，盡量減少終端訪問服務器的時延。

在網(wǎng)絡切片的部署中，可通過多級數(shù)據(jù)中心的云化形成用戶層、控制層、能力開放層等幾個主要層次。用戶層專注于用戶數(shù)據(jù)包的傳送；控制層實現(xiàn)無線接入網(wǎng)（RAN）側(cè)控制功能的云化集中，用戶數(shù)據(jù)和策略信息的集中存放以及不同的控制功能模塊的實現(xiàn)；能力開放層則提供對于第三方的信息開放并提供API接口供第三方進行合法的網(wǎng)絡能力調(diào)用以及網(wǎng)絡功能的實現(xiàn)。詳細的邏輯組網(wǎng)如圖1所示[5]。

3.2 切片按需定制

網(wǎng)絡切片能夠通過第三方按需定制是未來5G網(wǎng)絡能力開放的重要組成部分。結(jié)合SDN/NFV技術(shù)，用戶可以在運營商提供好的基礎(chǔ)切片藍圖（模板）上進行需求匹配、部件選擇、拓撲管理、轉(zhuǎn)發(fā)流圖定制等步驟，按需實例化切片相關(guān)的描述文件，并通過管理編排系統(tǒng)和運營支撐系統(tǒng)對切片進行上線操作。

網(wǎng)絡切片按需定制的流程如圖2所示。

網(wǎng)絡切片按需定制的各步驟說明如下：

（1）基礎(chǔ)切片藍圖。網(wǎng)絡切片的設(shè)計復雜，需要的相關(guān)實例化文件很多，因此需要定義好各種網(wǎng)絡切片基礎(chǔ)模板，幫助定制者基于該模板進行相關(guān)修改，切片基礎(chǔ)模板主要按三大場景分為eMBB、uRLLC、mIoT3種，用戶根據(jù)需要進行選擇。

（2）需求匹配。主要目的在于將業(yè)務需求轉(zhuǎn)化成網(wǎng)絡能力需求，選擇網(wǎng)絡需要承載的用戶數(shù)、帶寬、高可靠性等，將這些需求映射到具體需要的網(wǎng)絡資源上。

（3）部件選擇。該步驟需要用戶對具體需要的部件進行選擇或更改。未來的5G網(wǎng)絡中，原本的移動性實體（MME）管理、服務網(wǎng)關(guān)（SGW）、共用數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)（PGW）等按固定拓撲、固定接口連接的網(wǎng)元功能將被IT化的服務化架構(gòu)的網(wǎng)絡功能代替，形成可按需調(diào)用網(wǎng)絡功能和網(wǎng)絡服務的新型網(wǎng)絡架構(gòu)，從而能夠給予用戶最大限度的自由定制的可能性[6]。

（4）拓撲關(guān)聯(lián)。選擇好的各功能模塊需要進行拓撲關(guān)聯(lián)，確定相關(guān)的連接關(guān)系。由于未來5G網(wǎng)絡將是基于業(yè)務化的架構(gòu)模式，所有的模塊之間均可通過輕量級協(xié)議（如HTTP、JSON或RESTful等）進行連接，模塊之間的功能可以互相調(diào)用，形成彈性化的網(wǎng)絡能力。endprint

（5）轉(zhuǎn)發(fā)流圖定制。該步驟中確定網(wǎng)絡切片中控制層、用戶層、能力開放層、第三方業(yè)務服務器等各模塊之間的消息交互模式，按需實現(xiàn)靈活的輕量級切片能力。

網(wǎng)絡切片的按需定制能力克服了冰冷的NFV、SDN等純技術(shù)概念，通過軟件交互界面的方式，給予客戶更直接、更簡便的按需定制方法，呈現(xiàn)出一種全新的業(yè)務形式。

3.3 生命周期管理

網(wǎng)絡切片具備邏輯隔離和獨立的生命周期管理，提供開放的接口給運營方，以便切片運營方按照自己的特殊要求開發(fā)自己特定的運維功能。網(wǎng)絡切片需要支持模塊化設(shè)計，并支持各自獨立按需、敏捷高效的部署和彈性伸縮，其生命周期包含設(shè)計、購買、上線、運營、下線等5個階段。網(wǎng)絡切片的生命周期具體如圖3所示。

其中，切片的應用重點集中在上線階段和運營階段兩個主要階段。

切片上線的過程實際上是切片模板的實例化過程，切片所包含的功能可以部署在特定的物理資源上，也可以部署在虛擬化的邏輯資源上。如果切片功能部署在虛擬化的邏輯資源上，則切片管理器通過與MANO之間的接口，完成切片功能對應的軟件包的下發(fā)，切片功能實例化過程中所需要的資源模板的下發(fā)以及切片功能相關(guān)的基礎(chǔ)配置的下發(fā)，然后觸發(fā)MANO進行切片網(wǎng)絡的實例化。MANO進行切片實例化過程中，切片服務器通過和MANO之間的接口，查看切片實例化的進展。MANO完成切片的實例化后，如果仍有部分切片功能需要進行特定的配置，則切片管理器通過與實例化完成之后的切片之間的接口完成這些特定的配置。最后切片服務器通過與切片之間的接口觸發(fā)切片的連通性測試，確認切片的可用性。

在運營階段中，切片運營方可在切片上完成自己制定的切片運營策略、切片用戶發(fā)放、切片的維護、切片的監(jiān)測控制等工作，這些均通過切片管理器與切片之間的接口完成。網(wǎng)絡側(cè)也可提供開放的運維接口給運營方，以便切片運營方進行二次開發(fā)，按照自己的特殊要求開發(fā)自己特定的運維功能。如切片運營方因為某些原因不再運營切片，則可進行切片的下線。在切片運維過程中，可根據(jù)需要對切片的進行動態(tài)修改，切片的動態(tài)修改包括：切片的動態(tài)伸縮，如切片內(nèi)局部擁塞需要進行局部擴容；在原切片的基礎(chǔ)上進行子功能的動態(tài)增加或者刪除（如原切片無安全功能，因業(yè)務發(fā)展的需要在正在運行的切片中增加安全功能）；切片功能的版本升級等。

4 網(wǎng)絡切片技術(shù)的思考

網(wǎng)絡切片技術(shù)在帶來可定制化網(wǎng)絡，滿足萬千行業(yè)需求的同時，對網(wǎng)絡運營商和設(shè)備制造商來說，也帶來了一些亟待明確和解決的問題：

垂直行業(yè)需求對接。目前垂直行業(yè)和通信產(chǎn)業(yè)彼此之間還存在一定程度的隔閡，垂直行業(yè)對通信產(chǎn)業(yè)能夠提供的服務和資源并不明確，在一定程度上造成需求和實現(xiàn)方案之間難以對接的情況。因此，在未來，的相關(guān)技術(shù)的研究、討論、標準化等一系列工作中，通信產(chǎn)業(yè)應積極同典型垂直行業(yè)進行接觸，以打通通信產(chǎn)業(yè)能力和垂直行業(yè)需求之間的對接通道。

SDN/NFV設(shè)備統(tǒng)一的管理編排。在未來SDN/NFV技術(shù)的應用中，隨著各個層面和功能部件的進一步解耦，如何實現(xiàn)對網(wǎng)絡中不同層面、不同廠家的網(wǎng)絡功能進行統(tǒng)一管理、編排和控制還需要在后續(xù)的研究和試驗中進行驗證。同時，不僅限于核心網(wǎng)部分，以及接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)部分，同樣應支持基于SDN/NFV的系統(tǒng)架構(gòu)，以支持端到端的網(wǎng)絡切片管理，如何推動整個產(chǎn)業(yè)的虛擬化改造進程也是需要考慮的一個問題。

統(tǒng)一架構(gòu)開放API。對第三方業(yè)務提供商來說，如果針對每個運營商的切片應用都要開發(fā)一套專用的適配架構(gòu)，將使得網(wǎng)絡切片的商業(yè)吸引力大大下降。因此在網(wǎng)絡切片的能力開放方面，如果要達到第三方自主進行切片配置及管理的效果，則必須構(gòu)建標準化統(tǒng)一架構(gòu)的開放API接口，使第三方業(yè)務提供商可以通過同一套標準化的接口架構(gòu)同所有合作伙伴對接。目前，諸如3GPP SA6等標準化工作組已經(jīng)在進行相關(guān)的研究，并取得了一定的成果。

5 結(jié)束語

SDN/NFV技術(shù)使得未來的移動網(wǎng)絡架構(gòu)更加靈活、彈性化，同時也使得網(wǎng)絡切片技術(shù)成為可能。隨著網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展，以及網(wǎng)絡業(yè)務的不斷創(chuàng)新，在未來的移動網(wǎng)絡中，可定制化將是最重要的需求之一。通過在通用的物理平臺上生成功能、性能不同，并且彼此隔離的多張邏輯專網(wǎng)，配合對第三方的網(wǎng)絡能力開放，將使得運營商更有效率地運營網(wǎng)絡，并能夠更加深入地挖掘自身網(wǎng)絡的贏利點。同時，第三方公司將通過靈活的網(wǎng)絡切片運營使用戶獲得更快、更好、更安全的業(yè)務體驗，最終實現(xiàn)雙贏。

參考文獻

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