摘 要：伴隨著傳統(tǒng)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，各種各樣的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)模型存在預(yù)測(cè)規(guī)劃難、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量差異大、實(shí)施難度大、生命周期不同等問(wèn)題，面向垂直行業(yè)網(wǎng)絡(luò)整合應(yīng)用是5G通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。5G的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、海量機(jī)器類通信（mMTC）和超可靠低時(shí)延通信（uRLLC）。為適應(yīng)不同的產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，5G網(wǎng)絡(luò)已從傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型為基于服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠?yàn)椴煌漠a(chǎn)業(yè)按發(fā)展需要定制網(wǎng)絡(luò)，即提供5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。面向車聯(lián)網(wǎng)（V2X）、遠(yuǎn)程醫(yī)療和工業(yè)控制等垂直行業(yè)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)需求，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)可隔離、功能可定制、資源可伸縮的網(wǎng)絡(luò)切片，以及多業(yè)務(wù)場(chǎng)景的融合。以遠(yuǎn)程手術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為例，采用虛擬仿真研究方法針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)進(jìn)行參數(shù)配置。最終發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能夠滿足行業(yè)需求，也為垂直行業(yè)的新業(yè)務(wù)部署、數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了良好的平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：5G移動(dòng)通信技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)切片；安全性能；業(yè)務(wù)需求；網(wǎng)絡(luò)隔離；切片配置

中圖分類號(hào)：TP39；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）02-00-04

0 引 言

在4G時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展處于流量經(jīng)營(yíng)階段，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)帶動(dòng)運(yùn)營(yíng)商利潤(rùn)的增長(zhǎng)。然而，4G網(wǎng)絡(luò)也僅僅只是扮演管家的角色。單一的物理網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足各種場(chǎng)景的行業(yè)性能要求。V2X、工業(yè)自動(dòng)化及遠(yuǎn)程醫(yī)療的網(wǎng)絡(luò)需求主要是滿足低時(shí)延和高可靠性，智慧城市物聯(lián)網(wǎng)主要面向海量連接終端，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）或高清視頻的主要需求是大帶寬網(wǎng)絡(luò)。因此不同的應(yīng)用需求需要不同的網(wǎng)絡(luò)。

針對(duì)5G定義了3大應(yīng)用場(chǎng)景，eMBB主要用于3D/超高清視頻等大流量移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)，該場(chǎng)景下的典型應(yīng)用有AR技術(shù)及VR技術(shù)；mMTC面向物聯(lián)網(wǎng)，以智慧農(nóng)業(yè)為例，它的無(wú)線接入終端類型豐富，接入數(shù)量大，潮汐效應(yīng)明顯，突發(fā)場(chǎng)景多，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)要求高；uRLLC應(yīng)用時(shí)延要求低至1 ms，可靠性高至99.999%，主要應(yīng)用包括自動(dòng)駕駛、工業(yè)自動(dòng)化、移動(dòng)醫(yī)療等。

不同的應(yīng)用場(chǎng)景在網(wǎng)絡(luò)功能、系統(tǒng)性能、安全、用戶體驗(yàn)等方面都有著不同的需求。在4G網(wǎng)絡(luò)中，所有的業(yè)務(wù)匯聚于單一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，隨著業(yè)務(wù)體量的逐步增長(zhǎng)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)配置非常復(fù)雜，給業(yè)務(wù)擴(kuò)容、縮容帶來(lái)不便。于是文獻(xiàn)[1]提出了5G開放網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的服務(wù)和運(yùn)營(yíng)，即網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)切片不僅是5G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也是商業(yè)模式創(chuàng)新的要素之一，面對(duì)垂直行業(yè)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行切片劃分，為各種業(yè)務(wù)需求提供5G網(wǎng)絡(luò)定制化平臺(tái)。

1 5G網(wǎng)絡(luò)切片原理

在不同場(chǎng)景下存在差異化的業(yè)務(wù)需求，要求能夠提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)以滿足不同的需求。個(gè)性化、差異化的業(yè)務(wù)需求催生了網(wǎng)絡(luò)切片的產(chǎn)生。因此需要把網(wǎng)絡(luò)“切”成多個(gè)虛擬且相互隔離的子網(wǎng)絡(luò)，分別提供不同的服務(wù)。3GPP定義網(wǎng)絡(luò)切片是提供特定網(wǎng)絡(luò)能力和網(wǎng)絡(luò)特性的邏輯網(wǎng)絡(luò)[2]。網(wǎng)絡(luò)切片必須包括控制面和媒體面。通過(guò)虛擬化技術(shù)將原來(lái)單一的物理網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)虛擬的邏輯網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，即網(wǎng)絡(luò)切片，4G服務(wù)質(zhì)量（QoS）依舊局限在某一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進(jìn)行QoS管理[3]。例如：在A市部署eMBB業(yè)務(wù)，在B市部署mMTC業(yè)務(wù)，在C市部署uRLLC業(yè)務(wù)。在對(duì)業(yè)務(wù)需求的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類后，就可以創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)切片，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片之間是獨(dú)立的，擁有自己的切片類型。每個(gè)切片都可獨(dú)立按照業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需要和話務(wù)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能的定制裁剪和相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)資源的編排管理，這是對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)例化[4]。每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)之間是獨(dú)立的，提高了對(duì)于日益龐大的復(fù)雜業(yè)務(wù)的可配置性和可維護(hù)性。每個(gè)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)，都是邏輯獨(dú)立的。原來(lái)的4G網(wǎng)絡(luò)部署基于硬件架構(gòu)，所以網(wǎng)絡(luò)資源部署較為固定，而5G通過(guò)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源的靈活配置，使得工作人員在部署業(yè)務(wù)時(shí)可以靈活調(diào)整，也為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)了便捷。網(wǎng)絡(luò)部署還需要考慮網(wǎng)絡(luò)功能定義的粒度選擇，粒度如果選擇太細(xì)，在帶來(lái)靈活性的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)巨大的復(fù)雜性。不同功能組合以及切片應(yīng)用需要復(fù)雜的測(cè)試，而且不同網(wǎng)絡(luò)之間的互操作性問(wèn)題也不可忽視。所以，需要確定合適的功能粒度，在靈活性和復(fù)雜性之間取得平衡[5]。

2 5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)例分析

網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例定義為滿足一定的業(yè)務(wù)實(shí)例需求而創(chuàng)建的完整邏輯網(wǎng)絡(luò)[6]，由一組網(wǎng)絡(luò)功能和對(duì)應(yīng)的資源組成，資源可包括物理資源或者邏輯資源。網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例具備隔離性，可以是全部或者部分、邏輯或者物理，與其他網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例相隔離。網(wǎng)絡(luò)切片允許按需共享，切片實(shí)例間可以有部分共享的子切片。網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)的目標(biāo)是一個(gè)UE能夠同時(shí)支持1～8個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片。

2.1 5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)切片關(guān)鍵參數(shù)

在5G網(wǎng)絡(luò)切片配置中，涉及到3部分的配置：5G核心網(wǎng)（5GC）切片參數(shù)配置、5G無(wú)線接入網(wǎng)（5G RAN）切片參數(shù)配置和終端切片參數(shù)配置。5GC切片涉及的網(wǎng)元功能單元見表1。

切片標(biāo)識(shí)（S-NSSAI），包括切片類型（SST）和切片差異切分器（SD）。SST指切片服務(wù)類型，即eMBB、uRLLC、mMTC、V2X。SD指切片實(shí)例[7]。5G切片業(yè)務(wù)配置由5GC、5G無(wú)線站點(diǎn)配置和終端配置3部分組成。5G網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)配置參數(shù)如圖1所示。

2.2 實(shí)例分析1：遠(yuǎn)程醫(yī)療

遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)需要網(wǎng)絡(luò)具備低時(shí)延、高可靠性，符合5G uRLLC應(yīng)用場(chǎng)景，而它也是uRLLC應(yīng)用場(chǎng)景的典型應(yīng)用之一。創(chuàng)建遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)并且部署在一個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)切片中。

（1）5GC切片參數(shù)

在接入和移動(dòng)性管理（AMF）虛擬網(wǎng)元切片策略控制配置中，需要配置網(wǎng)絡(luò)切片管理虛擬網(wǎng)元（NSSF）地址。NSSF客戶端和服務(wù)器地址配置如圖2所示。

AMF定義S-NSSAI 3為5G uRLLC應(yīng)用場(chǎng)景，SD為遠(yuǎn)程醫(yī)療。AMF S-NSSAI配置如圖3所示。

會(huì)話管理功能（SMF）虛擬網(wǎng)元中，需要指定各S-NSSAI對(duì)應(yīng)的用戶面功能虛擬網(wǎng)元（UPF），以及會(huì)話管理功能虛擬網(wǎng)元（SMF）所支持的各S-NSSAI。5G uRLLC遠(yuǎn)程醫(yī)療場(chǎng)景指向UPF，ID為3。UPF S-NSSAI配置如圖4所示。

SMF S-NSSAI配置如圖5所示。

NSSF主要負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)切片和網(wǎng)絡(luò)切片的選擇，S-NSSAI是唯一標(biāo)識(shí)。NSSF S-NSSAI配置如圖6所示。

在UPF切片中，配置S-NSSAI和分片最大上下行速率。UPF切片功能配置如圖7所示。

用戶數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)管理（UDM）主要管理用戶數(shù)據(jù)，在接入點(diǎn)（DNN）配置中，增加5G QoS標(biāo)識(shí)符（5QI），取值82。5QI 82對(duì)應(yīng)的承載類型是延遲臨界（Delay Critical），業(yè)務(wù)類型名稱是離散自動(dòng)化（Discrete Automation）。UDM DNN配置如圖8所示。

（2）無(wú)線站點(diǎn)配置

5G無(wú)線基站將4G無(wú)線基帶單元（BBU）重構(gòu)成集中單元（CU）和分布單元（DU），DU主要包括物理層功能和實(shí)時(shí)性需求層功能，CU主要包括非實(shí)時(shí)無(wú)線高層協(xié)議棧功能，同時(shí)也支持部分核心網(wǎng)功能的下沉和邊緣應(yīng)用業(yè)務(wù)的部署。CU與DU功能通過(guò)處理內(nèi)容的實(shí)時(shí)性進(jìn)行區(qū)分[8]。在DU中，需要增加5QI 82業(yè)務(wù)類型。QoS配置如圖9所示。

在DU切片中，定義所使用的S-NSSIAI。DU S-NSSIAI配置如圖10所示。

在CU切片中，定義所使用的S-NSSIAI。CU S-NSSIAI配置如圖11所示。

2.3 實(shí)例分析2：智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)周期性自動(dòng)灌溉、溫濕度數(shù)據(jù)上報(bào)及分析等功能，需要接入的終端數(shù)量龐大，對(duì)于數(shù)據(jù)的傳輸速率要求不高。面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，終端安裝位置固定，無(wú)移動(dòng)性管理，屬于5G mMTC業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景[9]。5GC創(chuàng)建了5GC mMTC切片，該切片主要包含智慧農(nóng)業(yè)業(yè)務(wù)。用戶面功能單元（UPF）切片功能配置如圖12所示。

在AMF控制面功能單元中定義S-NSSIAI，配置NSSF服務(wù)器和客戶端。SMF中定義同樣的S-NSSIAI。AMF S-NSSIAI配置如圖13所示。

通過(guò)切片編排實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)終端的功能。物聯(lián)網(wǎng)終端配置如圖14所示。

3 5G網(wǎng)絡(luò)切片的優(yōu)勢(shì)

3.1 滿足未來(lái)多種融合場(chǎng)景的需求

在統(tǒng)一物理設(shè)施上支撐多種垂直行業(yè)，實(shí)現(xiàn)資源共享，降低運(yùn)營(yíng)商的建網(wǎng)成本。如果所有網(wǎng)絡(luò)切片都擁有完全獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)功能，則所需資源過(guò)于龐大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性價(jià)比降低，因此網(wǎng)絡(luò)功能需要具體分析，擁有相同網(wǎng)絡(luò)特性的網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行整合及共享，以提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，主要有以下方式：

方式1：對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全性要求較高，并且用戶數(shù)據(jù)需要具有較高的隔離度，例如遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化業(yè)務(wù)，不同切片之間完全獨(dú)立，不同子網(wǎng)之間的核心網(wǎng)控制面單元和用戶面單元相互獨(dú)立。

方式2：對(duì)于用戶網(wǎng)絡(luò)安全隔離性要求不高，而且業(yè)務(wù)類型較多，例如智慧小區(qū)中智能水電表、共享單車和智能監(jiān)控等業(yè)務(wù)，通過(guò)定義多個(gè)獨(dú)立用戶面實(shí)體以接入不同的切片業(yè)務(wù)，但是它們的控制面單元不獨(dú)立。

3.2 能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)敏捷按需的特點(diǎn)

面向服務(wù)，按需定制，實(shí)時(shí)監(jiān)控，動(dòng)態(tài)調(diào)度，為不同應(yīng)用場(chǎng)景提供SLA保障的連接服務(wù)[10]。網(wǎng)絡(luò)編排功能模塊能夠?qū)π纬傻木W(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行監(jiān)督管理，允許根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)量對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的分配進(jìn)行擴(kuò)容、縮容和動(dòng)態(tài)調(diào)整，并在生命周期到期后撤銷網(wǎng)絡(luò)切片。通過(guò)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化來(lái)促使網(wǎng)絡(luò)切片的劃分，此舉完全契合5G定制化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的特點(diǎn)，對(duì)于不同的業(yè)務(wù)、不同的用戶提供相應(yīng)的平臺(tái)，完成了運(yùn)營(yíng)商從管道提供商向平臺(tái)提供商的轉(zhuǎn)型。5G技術(shù)的發(fā)展，也能夠促使新興行業(yè)的誕生和傳統(tǒng)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，因此網(wǎng)絡(luò)切片能夠提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，對(duì)于動(dòng)態(tài)調(diào)整龐大的業(yè)務(wù)部署更加有利。

4 結(jié) 語(yǔ)

5G通信技術(shù)伴隨著云計(jì)算、邊緣計(jì)算、虛擬化技術(shù)的發(fā)展，具備eMBB、mMTC和uRLLC應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)前業(yè)務(wù)市場(chǎng)需要更加靈活、更加彈性和更加安全的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，而5G切片技術(shù)的出現(xiàn)能夠滿足行業(yè)需求，也為垂直行業(yè)的新業(yè)務(wù)部署、數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了良好的平臺(tái)。

（1）網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化分析。由于每個(gè)切片都是根據(jù)該服務(wù)或使用該切片的服務(wù)所需要的交付復(fù)雜性進(jìn)行定制的，因此切片網(wǎng)絡(luò)還可以更深入地了解有關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源的利用情況，促使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最優(yōu)配置。

（2）網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)分析。5G系統(tǒng)架構(gòu)由軟件定義網(wǎng)絡(luò)，對(duì)比4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)體單元實(shí)現(xiàn)了各網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)配置資源，從5GC到5G RAN，對(duì)比4G架構(gòu)發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變。5GC面向服務(wù)，取代了原有的硬件實(shí)體設(shè)備，由通用服務(wù)器提供物理資源，而網(wǎng)絡(luò)功能由虛擬網(wǎng)元提供。5G RAN從原有4G BBU到5G CU和DU架構(gòu)，可以促使5GC部分網(wǎng)元功能下沉，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的靈活部署，能夠滿足業(yè)務(wù)的擴(kuò)容或調(diào)整需求。通過(guò)監(jiān)控大數(shù)據(jù)智能運(yùn)維資源使用情況，為更加優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)部署提供數(shù)據(jù)支持。

（3）網(wǎng)絡(luò)安全分析。通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可以針對(duì)每種業(yè)務(wù)進(jìn)行性能分析，基于專網(wǎng)系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可靠性和安全性考慮，網(wǎng)絡(luò)切片能夠?qū)崿F(xiàn)不同切片資源的隔離，從而保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的可靠性。

（4）網(wǎng)絡(luò)彈性分析。隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，業(yè)務(wù)需求多種多樣，網(wǎng)絡(luò)需要具備更高的彈性和靈活的擴(kuò)展性，例如相同的網(wǎng)絡(luò)需求可以通過(guò)切片的共享實(shí)現(xiàn)，對(duì)于業(yè)務(wù)的上線、擴(kuò)容、縮容都需要網(wǎng)絡(luò)具備相應(yīng)的彈性部署。

綜上所述，5G移動(dòng)通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)切片能夠提供一個(gè)優(yōu)化的、動(dòng)態(tài)的、安全的、具備彈性的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了通信技術(shù)從管道的角色向平臺(tái)化轉(zhuǎn)型，有利于網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化配置。5G網(wǎng)絡(luò)借助硬件通用服務(wù)器構(gòu)建基礎(chǔ)資源設(shè)施，軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了資源的最優(yōu)配置。5G切片技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)從需求分析、網(wǎng)絡(luò)部署、業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)等全過(guò)程的動(dòng)態(tài)分析、安全分析和彈性分析，滿足了當(dāng)今行業(yè)數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化的需求，能夠?qū)π滦蜆I(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及系統(tǒng)擴(kuò)容等，為大數(shù)據(jù)分析、人工智能提供網(wǎng)絡(luò)保障。

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作者簡(jiǎn)介：沈娟娟（1982—），女，碩士，副教授，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)。

收稿日期：2024-01-10 修回日期：2024-02-22