5G网络切片技术发展探讨

1 概述

随着5G商用牌照的发放，5G越来越被广泛提起。提到5G就不得不提网络切片(Network Slicing)，作为5G中被讨论最多的技术，网络切片对于5G 的意义可谓巨大。本文先从5G网络切片的概念讲起，接着剖析网络切片涉及的重点技术，再对网络切片可能给运营商及行业用户带来的商业模式变化加以分析，最后剖析了5G网络切片当前迫切需要解决的问题和挑战，期望端到端的5G网络切片时代早点到来。

2 5G网络切片的发展需求

要想知道5G网络切片切的是什么，首先要看看5G的演进史。众所周知，从2G、3G到4G网络，只是实现了单一的电话或上网需求。随着物联网的发展，原来的网络已经无法满足随着海量数据而来的各种新业务需求，再加上传统网络改造非常麻烦，5G 网络应运而生。5G网络和4G相比，最大的变化在于，其服务的对象从过去的人与人之间的通讯，增加了人与物、物与物之间的互联，实现了全连接。为了解决未来多连接和多样化业务的需求，5G网络设计的初始目标就是：部署灵活，分类管理，灵活满足业务需求。

网络切片实际上就是将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端网络，每一个端到端的虚拟网络都可以获得逻辑独立的网络资源，而且各切片之间可以相互绝缘。因此，当某一个切片产生错误、故障或拥堵时，并不影响其它切片。正如图1所示，整个5G移动网络就相当于我们交通系统中的道路，用户就是道路上的各种不同类型的车。网络切片，就相当于将网络按用户的需求为其划定专门的车道，比如为公交车划定BRT车道 ，为急救车划定急救车道，小车划定小车车道，这样就保证了各车道的独立性。

图1 网络切片示意

3 5G网络切片的关键技术分析

那么对于5G网络而言，要想实现端到端的切片，到底应该怎么切呢？又该切什么呢？

在回答问题前，我们先看下传统4G网络的组成。

传统4G网络其架构如图2所示。由无线接入网+核心网组成。在4G网络中，无线接入网部分由图中的射频单元（RU） 、数字单元（DU）这些专用设备组成；而核心网同样由集合了PCRF、MME、S/PGW这些移动通用通信中不可缺少的专用设备组成。在4G网络中，无论是核心网还是无线接入网，这些设备都是专用设备，并不能使用现成产品。

图2 传统4G网络组成

要想实现对整个通信物理网络的切片，首先要做的就是要将网络功能虚拟化，也就是常说的NFV（Network Function Virtualization）。从本质上说，NFV就是将网络中的专用设备的软硬件功能（比如无线接入网上中的数字单元CU、核心网的MME、PCRF、S/P-GW等）转移到虚拟主机（VMs，Virtual Machines）上来实现。简单地说，就是用基于行业标准的服务器、存储和网络设备，来取代网络中的专用的网元设备。以核心网为例，实现NFV就先从传统网络设备中分离软硬件，硬件由通用服务器统一管理，软件则由不同的NF承担，以实现灵活满足业务需求。

除了NFV之外，在5G网络中还采用了SDN（Software De fi nition Network，软件定义网络）技术，核心思路就是将控制面和数据面分离来实现网络智能化。

在NFV和SDN两种技术的加持下，5G网络架构实现了革命性变化。NFV技术使专业网元设备变成通用商业化设备，降低了网络复杂度；SDN技术通过数据面与控制面的分享，实现了控制面的可编程，提高了灵活性。这一切使得实现用户按需组网有了可能。不难看出，网络切片并不是一项单独的技术，NFV和SDN是实现该技术的基石。网络切片利用这两项技术，将5G网络的物理资源抽象为虚拟资源，实现软硬件的解耦以及与网络功能的匹配和映射，进而将不同的业务场景需求虚拟化为多个平行的相互隔离的逻辑网络。

5G引入了全新的网络结构，无线接入网部分改变很大，核心网的改变更大。现在我们可以回答刚才提出的问题了：

5G切片本质上切的是网络资源，如图3所示，借助NFV和SDN两种技术，将无线接入网、承载网、核心网中独立出来的网络功能可以按照客户需求像搭积木一样，为不同需求的行业用户搭建了一条端到端的专用道路。

图3 网络切片网络资源切割示意

4 5G网络切片带来运营商商业模式的变化

进入5G时代，对于最终消费者来说，更高的速率是吸引力；而对于网络运营商而言，最欣喜的是切片。

对于最终的行业用户来说，借助于网络切片技术，可以按自己的需求快速定制专网且价格不高；相当于自己以低于专网的价格，得到了等同专网的服务质量，在速率、时延、连接数、隔离性以及可靠性各方面都得到了极大保障。

对于网络运营商而言，若没有网络切片，运营商上5G将没有任何意义，还是摆脱不了卖卡的命运，而正是由于引入了网络切片，可给运营商在以下几方面带来好处：

首先，网络切片使网络运营商变得更灵活。运营商可以根据需要为每个行业用户选择每个切片所需的特性，如低延迟、更高吞吐量、更高的连接密度、频谱效率、流量容量和网络效率等，不但可以提高创建产品和服务方面的效率，还能够使IT以更低的成本实现更多目标。

第二，网络切片可以使网络运营商实现更好的成本效益。网络正逐渐将不必要的功能移除，并且在需要的地方添加新技术。网络切片结合了可以划分、共享和优化资源的通用底层基础设施，对资源的使用更具成本效益，并有助于降低总体成本。

第三，网络切片为网络运营商带来新的利益增长点。由于网络切片的出现，未来的计费模式将是异常复杂的，计费模式和速率、时延、可靠性、连接数等多维度的参数都会息息相关，变化极大，这也使得网络运营商的计费点会越来越多，改变原来单一卖卡卖流量的单计费模式，带来更多的盈利增长点。

5 5G网络切片的问题与挑战

网络切片带给网络运营商和最终的行业客户无尽的喜悦，但也带来了一些问题与挑战。主要存在于以下几个方面：

第一，5G网络切片的终极目标是要实现端到端的网络切片。为了实现这个端到端，从用户到第三方应用，需要核心网、承载网及无线网的全面支持（如图4所示），才能实现真正的端到端。目前5G核心网实现了网络功能虚拟化，承载网随着设备对于FLEX的支持，也是可以实现的，但无线侧如何来做，目前还有两个阻碍。一是按照目前国家政策不允许对无线频谱进行销售，所以无法对频谱进行分割使用；二是在标准层面，网络切片在无线侧怎么切割还没有定义，还没有相应的标准出台提供可行的解决方案。这就意味着到用户的的最后一步止步于无线接入这一层面，暂时无法做到按应用和用户在无线侧实现“切片”。

图4 端到端网络切片

第二，按照目前3GPP的规范，仅仅定义了非漫游情况下的网络切片相关方案。而对于漫游情况下，网络切片如何做并无方案可用。对于很多需要全国漫游的行业而言，网络切片还是处于一种可望而不可及的程度。

第三，网络切片的初衷是最大程度地节省网络运营商的成本，以最小的网络建设成本服务最多的客户，从而实现利益最大化。众所周知，5G的三大场景对于网络的需求分别如下：

（1）增强型移动宽带（eMBB）：关注峰值速率、容量、频谱效率、移动性、网络能效等这些指标，俗称的大带宽型业务场景；

（2）海量机器通信（mMTC）：主要关注连接数，对下载速率、移动性等指标不太关心，俗称的海量连接业务场景；

（3）高可靠低时延通信（uRLLC）：主要关注高可靠性、移动性和超低时延、对连接数、峰值速率、容量、频谱效率、网络能效等指标都没有太大需求，俗称低时延场景。

最理想的情况就是同一张网络，以上3种网络需求的都有，这样网络运营商可以以一张网满足不同客户的需求，实现成本利益最大化。但从目前各行业用户的需求来看，更多的业务需求还是集中在eMBB上；对于另外两种业务场景而言，由于网络能力和业务成熟度的限制，目前需求并不多。这就造成了大部分用户的需求是集中的，大带宽业务集中。这既使得一张网满足不同业务场景的设计落到了空处， 也造成了只有一种类型的切片，基本上和不做切片没有太大差异。

第四，对于能够选择使用切片的行业客户而言，促使其选择5G网络切片而不是自建专网的理由无外是两条：成本+移动性。那么在切片无法实现漫游的情况下，对于行业用户的吸引力有多大就不可预测了。

从上面不难看出来，要想真正实现“端到端”的网络切片，网络运营商不仅需要和行业客户一起深挖垂直行业需求，制定符合行业客户真正需求的切片；还要在无线网络侧、漫游组网方案上和设备制造商一起完善相应的技术解决方案，才能使这些成为可能。

6 展望

作为已经全面拉开商用大幕的5G，5G相关技术不仅获得了全球范围的广泛关注，也得到了几乎所有电信运营商、电信设备制造商和研究机构的支持。5G网络切片技术的引入让网络资源共享、网络隔离、自动编排等成为可能，也让网络部署更加灵活。当然5G网络切片现在受限于标准及发展，还存在着无法漫游、无线侧无法实现真正意义上的切片的问题，但随着5G技术商用的逐步推进，在网络运营商、设备制造商和行业垂直客户的共同推动下，相信5G网络切片技术的发展也将越来越成熟。

我们有理由相信，5G网络切片必将与5G一起，让自动工厂、远程医疗、无人驾驶、车联网等以超高速率、超低时延、高可靠性的通信为基础的新技术日益普及，给人们生活带来了更大便利，彻底改变了人们生活方式，从而真正实现“万物互联”。