5G时代的切片技术浅析

梁雪梅

（江苏省邮电规划设计院有限责任公司，南京 210019）

1 引言

随着4G进入规模商用，业界已将研发重点投向面向2020年的第五代移动通信系统（5G）。面对新一轮移动通信技术更迭的重大机遇，世界主流标准化组织ITU-T、3GPP、IMT-2020推进组、大T、主流设备商等都在积极开展面向5G的技术研究工作，加速推动5G标准化进程。

业界公认由于物联网与移动互联网的迅猛发展，5G时代的通信场景将更加丰富多彩，更加复杂化，更加多元化，物与物之间、物与人之间的通信将大大超越人与人之间的通信需求。从虚拟现实、增强现实、超高清视频、全息技术，到物流仓储、智能交通、自动驾驶、无人机，再到工业控制、智能电网、远程手术、智慧城市，各个领域都有不同的特点和需求，它们对于网络的移动性、端到端时延、用户体验速率、用户峰值速率、连接数密度、流量密度、安全性、可靠性、计费方式，甚至是频谱效率、能源效率、成本效率的需求各不相同。作为信息化的基础设施，5G需要满足多元化需求，提供满足不同领域需求的网络功能，推动各行各业的能力提升和转型升级。

ITU在2015年6月召开的ITU-RWP5D第22次会议上，确定了5G的名称、愿景和时间表等关键内容，定义了3个主要应用场景：一是增强型移动宽带eMBB，高带宽，广覆盖； 二是大规模机器通信mMTC，低功耗，大连接；三是高可靠低时延通信uRLLC，低时延，高可靠。3个主要应用场景对速率、覆盖率、容量、QoS、安全性的要求各有不同，这就需要5G网络以灵活的方式构建，可以对上述网络性能指标进行灵活组合和调整，从而满足不同应用的个性化需求。

上述场景的差异很大，各场景中也会衍生多个应用实例，不同场景、不同实例对于网络功能、系统性能、安全、用户体验等的业务需求千差万别。如果按照传统思路通过构建多个专网来实现是不可思议的，势必造成基础设施和网络功能的巨大浪费。如果采用传统的、单一的网络为不同业务同时提供服务，将会导致业务体验差、管理效率低、网络结构异常复杂、网络运维难以支持。因此，基于一张统一的物理网络，需要引入“网络切片”技术来构建灵活弹性网络，满足各种业务需求。网络切片已成为业界公认的最理想的5G网络理想模式。

2 切片的概念

什么是网络切片？最简单的理解，就是将一个物理网络逻辑上切割成多个虚拟的端到端的网络，每个虚拟网络之间，包括网络内的业务平台、核心网、承载网、传送网、接入网、终端以及相关IT系统，都是逻辑独立的，都是相互隔离的，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其他虚拟网络。

5G网络切片技术通过在同一网络基础设施上，按照各种不同的业务场景和业务模型，利用虚拟化技术，将资源和功能进行逻辑上的划分，进行网络功能的裁剪定制，进行网络资源的管理编排，形成多个独立的虚拟网络，为不同的应用场景提供相互隔离的网络环境，使得不同应用场景可以按需定制网络。5G网络切片要实现的目标是将业务平台资源、核心网资源、承载网资源、传送网资源、接入网资源、终端设备以及IT系统进行有机组合，为不同应用场景或者业务类型提供相互隔离的、逻辑独立的完整网络。

每个网络切片按照业务场景和业务模型，进行网络功能的定制裁剪和编排管理。一个网络切片可以视为一个实例化的5G网络。在5G网络切片中，网络编排是一个非常重要的功能模块，实现对网络切片的创建、管理和撤销。运营商首先根据业务场景需求生成网络切片模板，切片模板包括该业务场景所需的网络功能模块及其特定的配置、各网络功能模块之间的接口以及这些网络功能模块所需的网络资源。网络编排功能模块根据该切片模板向网络申请资源后进行实例化。网络编排功能模块对创建的网络切片进行监督管理，根据实际业务量对网络资源进行灵活地扩容、缩容和动态调整，并在生命周期结束之后撤销网络切片。网络切片打通了应用场景、网络功能和网络资源间的适配接口，按需定制，按需提供。在每种业务看来，为其分配的资源是独享的，和其他业务之间是相互隔离的；同时这些业务共享相同的物理基础设施，充分发挥了网络的规模效应，提高了物理资源使用率，降低了网络CAPEX和OPEX，丰富了网络的运营模式。

3 切片的特点

多元化的业务场景对5G网络提出了多元化的功能要求和性能要求，网络切片针对不同的业务场景提供量身定制的网络功能和网络性能保证，实现了“按需组网”的目标。具体而言，网络切片具有如下特点。

（1）安全性：通过网络切片可以将不同切片占用的网络资源隔离开，每个切片的过载、拥塞、配置的调整不影响其他切片，提高了网络的安全性和可靠性，也增强了网络的健壮性。

（2）动态性：针对用户临时提出的某种业务需求，网络切片可以动态分配资源，满足用户的动态需求。

（3）弹性：针对用户数量和业务需求可能出现的动态变化，网络切片可以弹性和灵活的扩展，比如可以将多个网络切片进行融合和重构，以便更灵活地满足用户动态的业务需求。

（4）最优化：根据不同的业务场景，对所需的网络功能进行不同的定制化裁剪和灵活组网，实现业务流程最优化，实现数据路由最优化。

4 切片的分类与部署

网络切片分类如图1所示，可以分为两种。

（1）独立切片：每个切片包括控制面和用户面完全独立，为特定用户提供端到端的独立的专网服务或者部分特定功能服务。独立切片隔离性最好。

（2）共享切片：可供各独立切片共同使用的切片，提供的功能可以是端到端的，也可以只提供部分共享功能。

图1 切片分类示意图

网络切片部署有以下3种场景：

（1）完全独立部署：独立部署各种端到端切片，每个独立切片包含完整的控制面和用户面功能，为不同用户群提供专有虚拟网络。

（2）控制面采用共享切片，用户面采用独立切片：端到端的控制面共享切片为所有用户服务，对各用户面独立切片进行统一管理，包括移动性管理、鉴权等。

（3）共享切片与独立切片联合部署：共享切片实现部分非端到端功能，后面连接各种不同的个性化的独立切片，二者联合起来实现端到端功能。

5 切片的全生命周期管理

一个网络切片的生命周期包含设计、上线、运营、下线等4个阶段。

（1）设计：定义网络功能和连接关系，根据计划部署的特定业务的特点，在切片上选择相应的功能，包括所需要的功能、性能、安全性、可靠性、运维管理、业务体验等，完成切片模板初始化。

（2）上线：切片上线的过程完成切片的实例化部署，完全自动化，无需人工干预。系统为切片选择最适合的虚拟资源和物理资源，不仅完成指定功能的部署及配置，而且完成切片的连通性测试。切片上线的过程就是设计的切片模板的一个实例化过程，一个切片模板可以生成多个切片实例。

（3）运营：切片上线后进入运营阶段。切片运营方可在切片上部署自己制定的切片运营策略，完成切片用户发放、切片监控、切片运维等工作。在切片运行的过程中，切片运营方对切片进行实时监控，包括业务监控和资源监控，监控的颗粒度可以是系统级性能、切片级性能以及子切片级性能。根据切片的监控结果，运营方可及时做出相应策略调整，比如切片的功能增减和切片的动态伸缩。另外，网络侧也可提供开放的运维接口给不同的用户进行二次开发，进行按需定制。

（4）下线：因为种种原因，某些切片不再需要运营，则可进行切片的下线。

6 切片的技术基础

网络切片不是一个单独的技术，它是在SDN、NFV和云计算等几大技术之上，通过上层的统一编排和协同实现一张通用的物理网络能够同时支持多个逻辑网络的功能。

网络切片利用NFV技术，将5G网络的物理资源根据业务场景需求虚拟化为多个平行的相互隔离的逻辑网络；网络切片利用SDN技术，定义网络功能，包括速率、覆盖率、容量、QoS、安全性、可靠性、时延等。

云计算技术刚刚诞生时，提出了IaaS（Infrastructure as a Service，基础设施即服务）、PaaS（Platform as a Service，平台即服务）、SaaS（Software as a Service，软件即服务）。随着业务能力更加多元化更加开放，DaaS（Data as a Service，数据即服务）、CaaS（Communication as a Service，通信即服务）、STaaS（Storage as a Service，存储即服务）、MaaS（Monitoring as a Service， 监 测 即 服 务 ）、NaaS（Network as a Service，网络即服务）等等应运而生，我们已经进入“XaaS（Everything as a Service，一切皆服务）”的时代。

传统网络架构适合单一业务型网络。然而， 5G的“网络切片”基于逻辑资源而不是物理资源，可以根据需求进行资源分配和重组，可以满足差异化服务的QoS需求，可以保证不同业务、不同客户之间的安全隔离，可以使运营商有能力为客户提供“量身定制”的网络，实现“网络即服务”。

7 结束语

网络切片技术是5G网络演进的必由之路。但是网络切片技术目前尚未成熟，还处于标准讨论阶段，尚未确定最终技术方案。网络切片后续需重点研究与验证的关键技术包括切片划分、切片选择、切片切换/重选、切片的漫游支持、切片的资源与安全隔离、切片管理器的实现机制与流程、切片管理器与MANO的协同、切片与用户/业务的对应策略、切片的上下线流程等。

网络切片不仅带来技术上的重大突破，使得用户可以按需接入最合适的网络，同时也给运营商的商业模式、运维模式带来了革命性变革。利用网络切片技术，移动网络由原来的用户/业务适配网络转变为网络适配用户/业务，此外原来的单一网络运营模式也逐渐转变为多重网络的动态管理。

[1] 杨峰义，张建敏，谢伟良，等. 5G蜂窝网络架构分析[J]. 电信科学，2015.

[2] 许阳，高功应，王磊. 5G移动网络切片技术浅析[J]. 邮电设计技术，2016.

[3] 陈兴海，王润洪，何健. 弹性网络的网络切片技术研究[J].通信技术，2016.