黃 旭

（南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

0 引 言

1 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的定義與研究進(jìn)展

隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，世界對于互聯(lián)網(wǎng)的要求越來越高，相應(yīng)的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也越來越豐富。5G時代的到來，出現(xiàn)了不同應(yīng)用場景和差異化的業(yè)務(wù)需求。不同的應(yīng)用場景對應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)需求，為滿足這些需求，5G網(wǎng)絡(luò)通過對實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的資源和功能進(jìn)行劃分，形成了不同的網(wǎng)絡(luò)切片。每個切片可以被看作是一個邏輯網(wǎng)絡(luò)，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)靈活性和可擴(kuò)展性的關(guān)鍵技術(shù)之一，在提高網(wǎng)絡(luò)安全性的同時，降低了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營投資成本。

1.1 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的定義

網(wǎng)絡(luò)切片[1]是將一個物理網(wǎng)絡(luò)切割成多個虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，每個虛擬網(wǎng)絡(luò)之間（包括網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備、接入、傳輸和核心網(wǎng)）是邏輯獨(dú)立的，任何一個虛擬網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障都不會影響其他虛擬網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)應(yīng)用場景可將5G網(wǎng)絡(luò)分為3類：移動寬帶、海量物聯(lián)網(wǎng)和任務(wù)關(guān)鍵性物聯(lián)網(wǎng)。由于5G網(wǎng)絡(luò)的3類應(yīng)用場景的服務(wù)需求不同，且不同領(lǐng)域的不同設(shè)備大量接入網(wǎng)絡(luò)，這時網(wǎng)絡(luò)切片就可以將一個物理網(wǎng)絡(luò)分成多個虛擬的邏輯網(wǎng)絡(luò)，每一個虛擬網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)不同的應(yīng)用場景，從而滿足不同的需求。

1.2 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的研究進(jìn)展

1.2.1 國外網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的發(fā)展

全球范圍內(nèi)有很多5G論壇和研究項目組，最先開始在5G領(lǐng)域進(jìn)行研究的項目是METIS。該項目于2011年在歐洲開展，是歐盟第一個完整的5G項目，并對全球的5G發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[2]。METIS項目的原始訴求是為全球的5G研究建立參照體系，包括確定5G的應(yīng)用場景、測試用例和重要性能指標(biāo)。目前，這些成果被商界和學(xué)術(shù)界廣泛應(yīng)用，主要成果是篩選了5G的主要技術(shù)元素。歐洲通過該項目在5G的研發(fā)方面獲得了明顯的領(lǐng)先地位。

隨后，歐盟繼續(xù)開展了5G-PPP項目、5GNOW項目，主要研究內(nèi)容包括蜂窩系統(tǒng)的場景和需求、5G無線接入體系概念、候選波形技術(shù)選擇和高級MAC技術(shù)概念等。

1.2.2 我國網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的發(fā)展

如今，中國作為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，不僅促進(jìn)了中國國際地位的提升，而且在各個行業(yè)都有了更大的發(fā)言權(quán)。“3G跟隨，4G并跑，5G引領(lǐng)”，說明中國在整個通信行業(yè)角色和地位的變化[3]，而中國通信行業(yè)的研究為5G標(biāo)準(zhǔn)的形成貢獻(xiàn)了重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。在獨(dú)立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)形成過程中，中國移動在3GPP擔(dān)任了下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究、5G系統(tǒng)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的項目負(fù)責(zé)人工作。在全球相關(guān)行業(yè)的支持下，牽頭完成了5G新核心網(wǎng)5GC從研究到標(biāo)準(zhǔn)化的艱巨工作。標(biāo)準(zhǔn)化中，中國移動主導(dǎo)提出了基于服務(wù)的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（SBA），是5G獨(dú)立組網(wǎng)的基礎(chǔ)架構(gòu)，且還牽頭推動了網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)、用戶數(shù)據(jù)融合架構(gòu)等工作，并在功能軟件化、C/U分離、邊緣計算方面發(fā)揮了重要的推動作用。

我國于2013年2月成立了IMT-2020（5G）推進(jìn)組[4]，組織國內(nèi)的企業(yè)和高校等成員開展5G的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)推進(jìn)，成為聚合移動通信領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用力量、推動第五代移動通信技術(shù)研究、開展國際交流與合作的基礎(chǔ)工作平臺。

2016年，啟動5G技術(shù)研究試驗(yàn)；2018年，多地開展5G試點(diǎn)；2018年5月17日，世界電信和信息社會日，工信部、國資委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于深入推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)提速降費(fèi)加快培育經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動能2018專項行動的實(shí)施意見》[5]，明確2018年將加快推進(jìn)5G技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)5G和垂直行業(yè)融合發(fā)展，為5G規(guī)模組網(wǎng)和應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)已經(jīng)被通信行業(yè)廣泛認(rèn)為是5G的重要創(chuàng)新技術(shù)，全球多個運(yùn)營商、設(shè)備商均致力于研發(fā)端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，包括接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)，拓展基于5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，如智能制造、智能電網(wǎng)。

此外，能源、工業(yè)、汽車、媒體娛樂等多個垂直行業(yè)也逐漸提出對5G網(wǎng)絡(luò)切片的性能、隔離性等需求，積極參加到3GPP、IMT-20205G推進(jìn)組等通信行業(yè)組織中，參與網(wǎng)絡(luò)切片的標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)業(yè)推進(jìn)。但從標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展來看，5G網(wǎng)絡(luò)切片的一階段標(biāo)準(zhǔn)已于2018年6月完成，傳輸網(wǎng)支持網(wǎng)絡(luò)切片的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計在2018年年底完成。

在IMT-2020（5G）推進(jìn)組5G技術(shù)第二階段測試中，對基于NFV平臺的切片功能進(jìn)行了系列測試。第三階段測試將更側(cè)重于系統(tǒng)驗(yàn)證，對網(wǎng)絡(luò)切片開展面向5G新業(yè)務(wù)的進(jìn)一步測試驗(yàn)證。

2018年6月14日，3GPP全會批準(zhǔn)了第五代移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（5G NR）獨(dú)立組網(wǎng)功能凍結(jié)[6]。獨(dú)立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)讓5G確定了全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和核心網(wǎng)，將讓網(wǎng)絡(luò)向IT化、互聯(lián)網(wǎng)化、極簡化、服務(wù)化轉(zhuǎn)變。其中，在服務(wù)化上，5G從通用化服務(wù)轉(zhuǎn)到個性化、定制化服務(wù)，代表性技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計算。網(wǎng)絡(luò)切片提供定制化、邏輯隔離、專用的端到端虛擬移動網(wǎng)絡(luò)（包括接入網(wǎng)、核心網(wǎng)），是5G面向垂直行業(yè)實(shí)現(xiàn)服務(wù)可保障的基本技術(shù)形式。邊緣計算將網(wǎng)絡(luò)的功能應(yīng)用靠近用戶部署，使得極致的低時延、本地特色應(yīng)用成為可能，是5G滿足如智能工廠等垂直行業(yè)業(yè)務(wù)需求的重要基礎(chǔ)。

同時，在無線側(cè)，5G NR為設(shè)計、架構(gòu)、頻段、天線四方面帶來新變化。5G系統(tǒng)的連續(xù)廣域覆蓋，不但保證了高移動性場景下的用戶體驗(yàn)和海量設(shè)備的連接，還是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的推進(jìn)器，亦是提供用戶所需的連接靈活性、提供驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建模塊通信所需的核心工具。

SA功能凍結(jié)不僅使5G NR具備了獨(dú)立部署的能力，也帶來了全新的端到端新架構(gòu)，意味著5G可以正式步入商用階段。

2020年，5G將全面投入商用。中國5G正按照規(guī)劃時間表有序發(fā)展，并走在世界前列。

2 網(wǎng)絡(luò)切片的資源管理方法

網(wǎng)絡(luò)切片管理在5G中至關(guān)重要。運(yùn)用虛擬化技術(shù)，可以對網(wǎng)絡(luò)切片資源的生命周期進(jìn)行管理。每個網(wǎng)絡(luò)切片的生命周期可以分為5個階段，重點(diǎn)介紹設(shè)計、編排和運(yùn)營3個階段。

2.1 設(shè)計階段

設(shè)計階段又包括切片設(shè)計和商業(yè)設(shè)計。切片設(shè)計過程中，設(shè)計人員按照特定業(yè)務(wù)需求選擇相應(yīng)的特性，如利用功能、時延、安全性等標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計切片模板?？梢葬槍Σ煌瑯I(yè)務(wù)客戶的獨(dú)特服務(wù)需求進(jìn)行量身定制，實(shí)現(xiàn)切片的按需設(shè)計。商業(yè)設(shè)計是指網(wǎng)絡(luò)切片模板的生成過程。首先，網(wǎng)絡(luò)切片管理功能提供方為網(wǎng)絡(luò)切片需求方提供切片編輯工具和標(biāo)準(zhǔn)化模板。模板中主要包括結(jié)構(gòu)和配置的描述，還包括如何進(jìn)行實(shí)例化和控制網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例。基于此，設(shè)計人員選擇相應(yīng)的功能組件，以滿足需求方所需業(yè)務(wù)的要求，生成內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⒋_定各部分之間的交互協(xié)議。此外，要結(jié)合承載的業(yè)務(wù)特點(diǎn)設(shè)定相應(yīng)的安全性和可靠性要求，并考慮業(yè)務(wù)體驗(yàn)，以保證為其劃分的資源規(guī)模能達(dá)到性能指標(biāo)。

2.2 編排階段

在購買網(wǎng)絡(luò)切片模板后進(jìn)入到編排階段。這個階段中，切片管理器解析模板配置，為其之后創(chuàng)建切片獲取所需的邏輯資源。同時，對這些資源進(jìn)行邏輯隔離，以保證其與其他網(wǎng)絡(luò)切片對應(yīng)的資源彼此獨(dú)立。編排過程是一個自動化過程，一個切片模板可進(jìn)行多次編排，即可以生成多個網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例。

2.3 運(yùn)營階段

運(yùn)營階段，網(wǎng)絡(luò)切片運(yùn)營方可以通過切片管理器提供的接口進(jìn)行動態(tài)管理。通過該接口，對資源、性能等進(jìn)行監(jiān)控，及時進(jìn)行維護(hù)、升級和調(diào)整。此外，可以根據(jù)所需的特定要求對網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行二次開發(fā)。

3 網(wǎng)絡(luò)切片的分類及應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)切片可以看作是一個完全實(shí)例化的邏輯網(wǎng)絡(luò)，可以滿足服務(wù)實(shí)例要求的功能或特性，如超低時延、可靠性等。不同的場景對網(wǎng)絡(luò)有不同的要求，有些甚至?xí)a(chǎn)生沖突。如果使用單個網(wǎng)絡(luò)為不同的應(yīng)用場景提供服務(wù)，可能會導(dǎo)致復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、低效的網(wǎng)絡(luò)管理和低效的資源利用。5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)為不同的應(yīng)用場景提供隔離的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使不同的應(yīng)用場景可以根據(jù)自身要求定制功能與特性。5G網(wǎng)絡(luò)切片的目標(biāo)是結(jié)合終端設(shè)備、接入網(wǎng)資源、核心網(wǎng)資源、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營和維護(hù)管理系統(tǒng)，為不同的業(yè)務(wù)場景或業(yè)務(wù)類型提供獨(dú)立、隔離和集成的網(wǎng)絡(luò)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)切片的2種形式

3.1.1 獨(dú)立切片

擁有獨(dú)立功能的切片，包括控制面、用戶面及各種業(yè)務(wù)功能模塊，為特定用戶群提供獨(dú)立的端到端專網(wǎng)服務(wù)或者部分特定功能服務(wù)[7]。

3.1.2 共享切片

共享切片即資源可供各種獨(dú)立切片共同使用的切片。共享切片提供的功能可以是端到端的，也可以提供部分共享功能。

3.2 端到端網(wǎng)絡(luò)切片

3.2.1 空中接口的網(wǎng)絡(luò)切片

空中接口的網(wǎng)絡(luò)切片概念是指對物理無線電資源進(jìn)行適當(dāng)劃分，將其映射到邏輯資源，并且基于邏輯物理資源創(chuàng)造媒體訪問控制和更高層的操作。

3.2.2 無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)切片

考慮到切片的特殊性，無線接入網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)切片描述了控制平面和用戶平面的優(yōu)化配置。此外，還需要研究兩個方面。

（1）無線接入類型。它支持由切片提供的服務(wù)。

（2）無線接入網(wǎng)功能的正確配置。它適用于基于需求的每個切片中的合適的單元部署?；赒oS需求、通信負(fù)載或通信類型等因素，RAN體系結(jié)構(gòu)對于每個切片應(yīng)做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。例如，由于RAN配置，每個切片使用不同類型的單元：切片1只使用宏單元；切片2只使用小單元；切片3使用宏單元和小單元。在其他場景中，切片1可以使用宏單元和小單元，而切片3只使用小單元。

3.2.3 核心網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)切片

由于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)兩種技術(shù)，核心網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)切片是可能的。軟件定義網(wǎng)絡(luò)的目的是將控制平面和數(shù)據(jù)平面分離。此外，控制平面應(yīng)該通過API來編程，以引入管理的靈活性。支持SDN類平面分離是5G核心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的主要原則之一，因?yàn)樗试S：

（1）數(shù)據(jù)和控制資源的獨(dú)立調(diào)整；

（2）數(shù)據(jù)平面更接近用戶設(shè)備；

（3）適當(dāng)選擇不同切片所需的數(shù)據(jù)平面功能。

3.3 網(wǎng)絡(luò)切片的3種部署場景

（1）共享切片與獨(dú)立切片縱向分離。端到端的控制面切片作為共享切片，在用戶面形成不同的端到端獨(dú)立切片。控制面共享切片為所有用戶服務(wù)，對不同的個性化獨(dú)立切片進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括鑒權(quán)、移動性管理和數(shù)據(jù)存儲等。

（2）獨(dú)立部署各種端到端切片，每個獨(dú)立切片包含完整的控制面和用戶面功能，形成服務(wù)于不同用戶群的專有網(wǎng)絡(luò)，如CIoT、eMBB和企業(yè)網(wǎng)等。

（3）共享切片與獨(dú)立切片橫向分離，共享切片實(shí)現(xiàn)一部分非端到端功能，后接各種不同的個性化獨(dú)立切片。典型應(yīng)用場景包括共享的vEPC+GiLAN業(yè)務(wù)鏈網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié) 語

4.1 問題與挑戰(zhàn)

5G網(wǎng)絡(luò)切片作為5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，依然還缺乏5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的原型驗(yàn)證和應(yīng)用示范。另外，對于切片相關(guān)的技術(shù)方案的定義還需完善。切片技術(shù)的引入使網(wǎng)絡(luò)變得非常靈活，同時帶來了管理和運(yùn)維方面的問題。本文從以下四個方面面臨的問題出發(fā)進(jìn)行闡述。

（1）切片粒度：如果切片太大，無法滿足服務(wù)差異化的需求；若切片粒度太細(xì)，會增加管理和編排上的復(fù)雜度。如何同時滿足靈活性和管理兩方面要求，是一個需要解決的問題。

（2）切片隔離：由于每個運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的多樣性，用于切片隔離的機(jī)制、技術(shù)或配置在每種情況下都是不同的。為了保證網(wǎng)絡(luò)切片隔離的設(shè)計合適，應(yīng)該有一個覆蓋需求和各種參數(shù)的規(guī)范。

（3）無線側(cè)切片：無線接入網(wǎng)切片是網(wǎng)絡(luò)切片的一部分[8]，為滿足多種應(yīng)用場景下時延、安全性的要求，無線切片是重要的一環(huán)。

（4）復(fù)雜應(yīng)用場景：網(wǎng)絡(luò)切片要結(jié)合應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的復(fù)雜需求，如無人駕駛、車聯(lián)網(wǎng)。在切片的試驗(yàn)和部署期間，需要應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的參與。

4.2 建議與措施

對于以上問題，相關(guān)產(chǎn)業(yè)界可以在以下方面加強(qiáng)合作：

（1）加強(qiáng)對5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片的技術(shù)研發(fā)、設(shè)備研制與原型驗(yàn)證，接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)及切片管理技術(shù)需要進(jìn)一步改進(jìn)和提高。

（2）電信業(yè)與垂直行業(yè)加強(qiáng)合作，明確垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)需求和功能需要，建設(shè)基于5G網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用規(guī)范。

（3）在以網(wǎng)絡(luò)切片的形式提供5G服務(wù)的模式中，兼并無線側(cè)切片功能的研究，可以帶來更好的商業(yè)價值，進(jìn)行更好的商業(yè)推動。

4.3 前景與展望

5G技術(shù)作為面向未來新需求的新一代通信技術(shù)，已經(jīng)獲得了全球范圍的廣泛關(guān)注，并得到了幾乎所有電信運(yùn)營商。電信設(shè)備制造商和研究機(jī)構(gòu)的支持，其技術(shù)發(fā)展獲得了全產(chǎn)業(yè)鏈的支持，為未來商用做好了充分準(zhǔn)備。

面向2020年及未來，移動通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)將邁入5G發(fā)展階段，5G技術(shù)的發(fā)展將越來越成熟。在網(wǎng)絡(luò)切片的推動下，未來萬物互聯(lián)的場景將會得到實(shí)現(xiàn)。自動工廠、遠(yuǎn)程醫(yī)療、無人駕駛、車聯(lián)網(wǎng)等以超高速率、超低時延、高可靠性的通信為基礎(chǔ)的新技術(shù)日益普及，這給人們的生活帶來了更大便利，極大地改變了人們的生活方式。