魏洪河 汪冬

摘? 要：隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，5G逐漸滲透到人們的日常生活中。社會數(shù)字化程度的加深使各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用如雨后春筍般涌現(xiàn)，由此催生了對5G網(wǎng)絡(luò)切片的強烈需求。文章首先闡述了社會數(shù)字化中5G的核心作用、5G的三大應(yīng)用場景和5G的關(guān)鍵能力網(wǎng)絡(luò)切片;然后介紹了5G網(wǎng)絡(luò)切片的標(biāo)準(zhǔn)組織對切片的定義和要求，以及3GPP發(fā)布的R15、R16進展情況和3GPP定義的5G切片表示分類;最后分析了下一代移動網(wǎng)絡(luò)的5G網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)和具體實例。

關(guān)鍵詞：移動通信;5G;數(shù)字化;網(wǎng)絡(luò)切片;3GPP

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）01-0058-04

Research on 5G Network Slicing Technology

WEI Honghe1，WANG Dong2

（1.Shanghai R & D Center，ZTE Corporation，Shanghai? 201203，China;

2.School of Mechanical Engineering and Information，Shanghai Urban Construction Vocational College，Shanghai? 201415，China）

Abstract：With the rapid development of mobile communication technology，5G is gradually penetrate into peoples daily lives. More and more data business applications boom out with the deepening in the degree of social digitization，which generate strong demand of 5G network slicing. This paper first describes the core effect of 5G in social digitization，three application scenarios of 5G and the key capability network slicing of 5G. Then this paper introduces the definition and requirement of slicing from 5G network slicing standard organization，and introduces the progress of R15 and R16 released by 3GPP and the classification of 5G slice representation defined by 3GPP. Finally，the 5G network slicing architecture and specific examples of the next generation mobile network are analyzed.

Keywords：mobile communication;5G;digitization;network slicing;3GPP

0? 引? 言

網(wǎng)絡(luò)切片是指系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)承載業(yè)務(wù)的自由特性與要求，對端到端的系統(tǒng)資源（網(wǎng)絡(luò)能力、物理硬件和接口管道資源等）進行邏輯劃分和封裝，從而滿足不同應(yīng)用對系統(tǒng)帶寬、時延和可靠性等網(wǎng)絡(luò)性能的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）要求，使得單獨切片系統(tǒng)發(fā)生問題和修復(fù)時不會影響其他的切片業(yè)務(wù)[1，2]。網(wǎng)絡(luò)切片是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，2020年是5G的擴展年，國內(nèi)外各大運營商都完成了5G中低頻段（Sub-6 GHz）的布網(wǎng)，美洲部分國家完成了毫米波的商用。隨著網(wǎng)絡(luò)速度的不斷提高，網(wǎng)絡(luò)切片被提上日程，網(wǎng)絡(luò)切片是當(dāng)前各大運營商、服務(wù)供應(yīng)商和終端的應(yīng)用熱點。中興通訊公司自2017年就開展了網(wǎng)絡(luò)切片的預(yù)研和開發(fā)，在2018年初的巴塞展上，中興通訊層成功展示了5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片的實現(xiàn)。2020年8月，中興通訊與中國聯(lián)通、騰訊攜手合作，在廣東實現(xiàn)業(yè)內(nèi)首個基于APP應(yīng)用級的5G獨立組網(wǎng)（Standalone，SA）端到端網(wǎng)絡(luò)切片，創(chuàng)建包含5G SA網(wǎng)絡(luò)、切片運營平臺、5G終端和手機APP應(yīng)用等端到端切片解決方案。

1? 5G切片的需求

1.1? 5G是社會數(shù)字化的核心

在5G時代，移動通信技術(shù)必將是社會數(shù)字化的強大推動力，未來的移動通信將飛速發(fā)展并會逐漸擴展到各種垂直行業(yè)，如交通運輸、能源電力、倉儲物流和農(nóng)業(yè)等，并持續(xù)在銀行業(yè)、健康醫(yī)療等行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用。

5G是數(shù)字化的核心驅(qū)動力，支撐個人數(shù)字化和社會數(shù)字化，如圖1所示。5G提升個人數(shù)字化體驗，使個人用戶享有高速移動速率，在增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實（Augmented Reality/Visual Reality，AR/VR）、4K/8K和視頻實時游戲等方面獲得更好的體驗。5G網(wǎng)絡(luò)需要支撐差異化的各行業(yè)場景。

1.2? 5G定義的三大典型場景

不同用戶群的差異化需求給運營商帶來了巨大的壓力，如若運營商沿用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的搭建思路，需要創(chuàng)建多張不同的網(wǎng)絡(luò)以滿足不同用戶差異性較大的應(yīng)用需求，這對運營商來說將是一筆巨大的支出，并且是利用率不高的投資[3]?？紤]到這一特殊的業(yè)務(wù)要求，引入了網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，利用網(wǎng)絡(luò)切片使運營商能夠在一個共用的硬件平臺上創(chuàng)建多個相互隔絕的、虛擬的、特用的邏輯網(wǎng)絡(luò)，以滿足不同用戶對網(wǎng)絡(luò)承載的不同要求。5G標(biāo)準(zhǔn)定義的三大場景如圖2所示。

下文給出5G三大場景的具體說明：

（1）移動增強寬帶（Enhanced Mobile Broadband，e- MBB）場景。該場景主要針對移動通信中以人為中心的使用場景，提供用戶對多媒體內(nèi)容、服務(wù)和數(shù)據(jù)的高速訪問和接入，實現(xiàn)廣域網(wǎng)的無縫鏈接，面向新的需求提供大容量高速率的通信服務(wù)。要求巔峰速率大于10 Gbps，對高寬度高速率有所要求的業(yè)務(wù)分別為VR/NR、云游戲、高清語音、云辦公和3D高清視頻等。

（2）海量機器類型通信（Massive Machine Type Com-munications，mMTC）場景。該場景主要針對連接設(shè)備數(shù)量龐大，并且這些設(shè)備通常只需傳輸數(shù)量相對較少的非時延敏感數(shù)據(jù)的情況。在此場景中，需要嚴格控制各通信設(shè)備的成本并且確保設(shè)備的電池續(xù)航時間足夠長。例如智慧城市、智慧交通和智能家居等。

（3）高可靠和低延遲通信[4]（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，uRLLC）場景。該場景主要針對具體應(yīng)用場景中對高速率、耗時和應(yīng)用性等參數(shù)要求比較嚴格的情況，例如遠程指導(dǎo)醫(yī)療、工業(yè)智能化、自動駕駛和遠程控制等。

1.3? 網(wǎng)絡(luò)切片是5G的關(guān)鍵能力

5G切片是一套端到端的解決方案，端到端體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的各個層面。不僅是核心網(wǎng)、承載網(wǎng)和無線網(wǎng)需要切片，而且終端也需要切片。

網(wǎng)絡(luò)切片由終端、切片網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)商組成，如圖3所示。

網(wǎng)絡(luò)切片的價值在于：

（1）按客戶需求定制。按客戶需求分配資源，靈活組合網(wǎng)絡(luò)能力，滿足不同客戶的需求。

（2）切片經(jīng)營。切片商品化并通過能力開發(fā)實現(xiàn)應(yīng)用深度融合，實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)價值最大化。

（3）資源共享。通過切片實現(xiàn)一個物理網(wǎng)絡(luò)支撐多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實現(xiàn)資源共享，降低網(wǎng)絡(luò)成本。5G業(yè)務(wù)要求千差萬別，各類業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)寬度、耗時及可信任性等網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的服務(wù)性能要求呈現(xiàn)出多樣化的特點，利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，搭建一個物理網(wǎng)絡(luò)軟件定義多個虛擬的端到端系統(tǒng)，滿足不同業(yè)務(wù)應(yīng)用的要求[5]，這幾個個邏輯上的網(wǎng)絡(luò)通過各種手段在邏輯上隔離，互不影響。

2? 5G切片的標(biāo)準(zhǔn)組織和進展

與切片有關(guān)的行業(yè)組織和標(biāo)準(zhǔn)組織為：

（1）5G汽車協(xié)會（5G Automtive Association，5GAA）、

電氣工業(yè)中央?yún)f(xié)會（Zentralverband der Electechnischen In-dustries，ZVEI）等組織從垂直行業(yè)角度描述對切片的需求。

（2）全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會（GSMA）[6]、下一代移動網(wǎng)絡(luò)（NGMN）和國際電信論壇（TM Forum）等從運營商角度描述對切片的需求。

（3）第三代合作項目（3GPP）、寬帶論壇（BBF）、互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）、歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）等標(biāo)準(zhǔn)組織，主要描述切片的架構(gòu)、功能、流程和接口等。其中，3GPP主要描述了接入網(wǎng)絡(luò)（AN）和核心網(wǎng)絡(luò)（CN）的切片，同時還介紹了切片的管理架構(gòu)。BBF描述了傳輸?shù)那衅囊蠛凸δ?。ETSI定義了網(wǎng)絡(luò)切片如何與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進行布置對照[7]。

目前，3GPP R15網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)準(zhǔn)進展如下，如圖4所示。

5G切片：確切規(guī)定網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息（NSSAI），切片簽約/存儲、切片選擇、切片路由、5G切片與演進分組系統(tǒng)（EPS）的交互等基本功能。接入和移動性管理功能（AMF）、會話管理功能（SMF）、網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能（NSSF）、策略控制功能（PCF）和統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理平臺（UDM）等切片相關(guān)接口的定義，其中NSSF切片選擇功能接口已經(jīng)定義完成。

切片管理：網(wǎng)絡(luò)切片管理功能/網(wǎng)絡(luò)子切片管理功能（NSMF/NSSMF）基本管理功能、流程和接口，包括配置管理、告警性管理、5G切片/子切片信息模型、5G性能測量/關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI），已于2018年9月定義完成。

3GPP R16計劃定義的功能：在R16已經(jīng)立項的切片課題有FSP_eNS，主要研究切片漏掉問題，包括切片互斥以及多切片中的多會話和4G數(shù)據(jù)通信網(wǎng)（Data Communication Network，DCN）互通;FS_eIMS 5G描述IP多媒體子系統(tǒng)與切片之間的交互;FS_BMNS研究切片商業(yè)模型對3GPP架構(gòu)的影響。

切片管理：切片自動化功能、通信服務(wù)管理功能（Com- munication Service Management Function，CSMF）、流程和接口在2019Q3（3GPP R16）完成。

3? 5G切片表示分類

3GPP 23.501定義了以下四種NSSAI：

（1）配置NSSAI（Configured NSSAI），網(wǎng)絡(luò)配置給用戶設(shè)備（User Equipment，UE）使用的NSSAI，UE收到這個配置參數(shù)后就知道網(wǎng)絡(luò)下有什么S-NSSAI可用;網(wǎng)絡(luò)會在注冊接收消息（Registration Accept）的Configured NSSAI IE帶給UE，如果注冊后UE的配置有變化，網(wǎng)絡(luò)可通過Configuration update command通知UE進行更新;UE會在非易失存儲空間保存每個網(wǎng)絡(luò)給它配置的Configured NSSAI;每個PLMN最多只能配置一個Configured NSSAI。

（2）請求NSSAI（Requested NSSAI），UE在注冊更新時通過Registration Request消息把請求NSSAI帶給NG-RAN，NG-RAN使用Requested NSSAI來選擇服務(wù)AMF。Requested NSSAI來自UE中保存的注冊PLMN關(guān)聯(lián)的Configured NSSAI和Allowed NSSAI，優(yōu)先使用Allowed NSSAI。

（3）簽約NSSAI（Subscribed NSSAI），在UDM上簽約的UE支持的切片列表，簽約信息中包含一個或多個S-NSSAIs。當(dāng)Subscribed NSSAI改變時，AMF會通過UE Configured Update過程向UE發(fā)送更新的Configured NSSAI和Allowed NSSAI。

（4）允許NSSAI（Allowed NSSAI），表示UE請求的NSSAI、被網(wǎng)絡(luò)允許的S-NSSAI，網(wǎng)絡(luò)通過注冊接收消息（Regustration Accept）把“Allowed NSSAI”帶給UE。

舉個例子，UE在初始注冊時，手機上沒有保存Configured NSSAI和Allowed NSSAI，那么UE可以在Registration Request中的Request NSSAI填寫為default configured NSSAI，核心網(wǎng)將根據(jù)用戶簽約的Subscribed NSSAI來設(shè)置Configured NSSAI和Allowed NSSAI，并在Registration Accept中發(fā)送給UE，UE上的APP在觸發(fā)業(yè)務(wù)的時候就可以從保存的Allowed NSSA中選擇一個切片來接入（APP和切片選擇也是有策略的）。UE在后續(xù)注冊的時候就會從保存的Configured NSSAI和Allowed NSSAI中選擇全局或者一個子集來填寫為requested NSSAI（由手機實現(xiàn)）。

無論Configured NSSAI還是Allowed NSSAI都是PLMN級別的，也就是說網(wǎng)絡(luò)只會下發(fā)當(dāng)前PLMN下支持的NSSAI，不同運營商設(shè)置不同的切片，這點在網(wǎng)絡(luò)共享的時候也是相同的。

4? 5G移動網(wǎng)絡(luò)切片概念和實例

4.1? 5G移動網(wǎng)絡(luò)切片概念

網(wǎng)絡(luò)切片可分為3層，分別為服務(wù)實體層、網(wǎng)絡(luò)切片實體層、資源層[8]，如圖5所示。

網(wǎng)絡(luò)切片實例層標(biāo)記要支持的服務(wù)（最終客戶服務(wù)或業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)），每個服務(wù)都由服務(wù)實體表示。通常服務(wù)可以由網(wǎng)絡(luò)運營商或第三方提供。

網(wǎng)絡(luò)切片實體供給服務(wù)實例所需要的網(wǎng)絡(luò)能力。網(wǎng)絡(luò)切片實例還可以為網(wǎng)絡(luò)運營商供給多個服務(wù)實例之間的共用。

網(wǎng)絡(luò)切片實例可以由零個、一個或多個子網(wǎng)絡(luò)實例組成，一個網(wǎng)絡(luò)實例可以被多個網(wǎng)絡(luò)切片實例共享。子網(wǎng)絡(luò)實例用于組成一組網(wǎng)絡(luò)功能，這一組網(wǎng)絡(luò)功能在物理/邏輯資源上運行。

切片1：只有切片，沒有子切片，顯示情況少。

切片2：切片下面只有一個子切片，比如只有核心網(wǎng)子切片，無線和傳輸都沒有切片。

切片3：應(yīng)用端到應(yīng)用端切片，無線側(cè)、核心網(wǎng)側(cè)和傳輸側(cè)都包含子切片。

切片4：同一切片可以支持多個通信業(yè)務(wù)，同一個切片可以在多個切片下共享，例如同一無線子切片同時支持eMMB和mMTC切片。

4.2? 5G移動網(wǎng)絡(luò)切片實例

NGMN發(fā)布的5G白皮書描述的在同一物理基礎(chǔ)設(shè)施上的運營商多張網(wǎng)絡(luò)切片的實例：

（1）智能手機使用的5G切片需要在網(wǎng)絡(luò)上部署完整的功能。

（2）安全性、可靠性和實時性是5G切片在自動駕駛應(yīng)用中的重要要求，對于這樣的切片，可以在云邊緣節(jié)點處對所有必要的（并且可能是專用的）功能進行實例化，包括由于延時約束而必須在云邊緣節(jié)點處實例化的垂直應(yīng)用。

（3）對于支持mMTC業(yè)務(wù)的5G切片，可以只配置一些基本的控制平臺功能，省略如移動性管理功能。

5? 結(jié)? 論

2019年是5G元年，各大運營商都在紛紛展示5G的高速率。2020年是5G擴展之年，5G正在逐漸進入普通人的日常生活中。逐步數(shù)字化的社會、多樣化的業(yè)務(wù)發(fā)展對5G切片的需求愈發(fā)迫切。隨著各大標(biāo)準(zhǔn)組織對5G網(wǎng)絡(luò)切片的逐步完善，以及各大設(shè)備供應(yīng)商和運營商積極搭建試驗網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)切片也會迅速商用并走進普通人的生活。

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作者簡介：魏洪河（1974—），男，漢族，山東夏津人，主任協(xié)議工程師，碩士，研究方向：手機2G、3G、4G和5G通信協(xié)議和射頻驅(qū)動;汪冬（1978—），女，漢族，安徽蕪湖人，教授，博士，研究方向：計算機應(yīng)用系統(tǒng)。