5G网络切片技术综述

刘彩霞，胡鑫鑫

(中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，河南 郑州450002)

0 引言

当前，全球经济进入数字化转型时期。5G网络作为数字化社会的关键基础设施，不再局限于传统移动通信网的业务领域，满足各行业数字化转型的需求是5G网络的新使命。

众所周知，5G网络超高速率、极低时延和海量连接三大设计能力指标催生了三大应用场景：增强型移动宽带(eMBB)、超可靠低延迟通信(uRLLC)和海量机器通信(mMTC)。eMBB，uRLLC，mMTC三大应用场景对网络的服务能力需求有很大差异。

网络切片技术是5G网络为不同应用场景提供差异化服务的关键。通过网络切片，运营商在一个通用物理平台上构建多个专用的、虚拟化的、互相隔离的逻辑网络，来满足不同客户对网络能力的不同要求，进而最大程度提升网络对外部环境、客户需求和业务场景的适应性，提升网络资源使用效率，最优化运营商的网络建设投资，构建灵活和敏捷的 5G 网络[1]。

本文给出了5G网络切片技术的概念、端到端架构、关键技术、标准化现状、实现过程以及网络切片商用化尚需解决的相关问题等方面内容，旨在为读者了解和掌握5G网络切片技术及其发展现状提供重要参考。

1 5G网络切片的概念

根据5G白皮书[2-3]，5G网络需要支持3个新的应用场景，不同应用场景的用户对5G网络有不同的功能(如优先级、计费、策略控制、安全、移动性等)和性能(如时延、可靠性、速率、吞吐量、连接密度等)要求，甚至希望为其提供专门服务[4]。从功能的角度来看，最合乎逻辑的方法是构建一组专用网络，每个网络适用于一种类型的业务用户，这些专用网络将允许实现针对每个企业客户需求而定制的功能和网络操作。传统的移动网络仅使用物理节点构建，网络是静态配置的，只需满足“单租户应用环境”的需求，这种网络构建思想显然不是5G网络建设的目标。

随着云计算、软件定义网络(SDN)、网络功能虚拟化(NFV)等新技术以及网络构建新思路的出现，基于一个物理网络构建不同逻辑网络的思想应运而生，这种逻辑网络被称为网络切片。5G网络切片是网络服务模式的一种全新尝试，是NFV技术应用于5G网络的关键特征。利用NFV技术可将5G网络物理基础设施根据场景需求虚拟化为多个相互独立的虚拟网络切片，每个切片按照业务场景需求和话务模型进行网络功能的定制裁剪和相应的网络资源编排管理。一个网络切片实例可以视为一个实例化的5G端到端网络。在一个网络切片内，运营商可以进一步对虚拟资源进行灵活分割，按需创建子网络。

根据网络切片的构建理念，不难理解，网络切片并不仅限于为eMBB，uRLLC，mMTC三类应用场景服务，它还可以满足运营商更加灵活的定制服务需求，具体包括：① 满足不同用户或者业务对网络服务质量的需求，这种切片可以称为服务质量切片；② 满足不同种类业务场景对网络功能的需求，这种切片可以称为功能定制切片；③ 满足虚拟网络运营者或服务提供者需求，将网络资源划分为不同资源子集的切片，这种切片可以称为虚拟运营切片。

2 5G网络切片的架构

5G网络切片是一种端到端的技术，每个端到端的切片由无线网、核心网和承载网三类子切片组合而成[5]，并通过端到端的切片管理系统实现网络切片的全生命周期管理。不同的网络子切片有不同的实现机制和方法。端到端的5G网络切片架构[1]如图1所示。

图1 端到端的5G网络切片架构

2.1 无线网络子切片

为满足5G网络不同用户和业务场景对接入网络的差异化需求，通过切片技术将单一物理接入网络划分为拥有不同资源、不同协议进程以及承载能力的逻辑网络，是一种有效的解决方案。无线网络切片也是一种使多种无线接入技术共存和不同运营商实现频谱共享的重要方法。

根据《中国联通5G网络切片白皮书》，为支持无线网络切片，5G无线网要支持有源天线单元(AAU)/中心单元(CU)/分布式单元(DU)的灵活切分和部署，满足不同场景下的切片组网需求。CU可云化部署，方便无线资源的集中管理，也可下沉与 DU 合一部署降低传输时延，满足低时延场景的需求。同时，统一的空口框架、灵活的帧结构设计支持切片无线资源的灵活分配，配合 Massive MIMO，Mini-slot等关键创新技术，实现不同切片场景下对空口的差异化需求。

2.2 核心网子切片

5G核心网切片主要是为了满足三大应用场景对核心网不同的功能和性能要求。核心网包括移动性管理、会话管理、计费及QoS等功能，这些功能在不同的5G场景下有不同的设计机制来满足质量可保证的网络切片需求。如移动性管理功能将引入新的移动性状态和按需移动性管理机制，以提升用户体验；会话管理功能将支持新的PDU类型，定义3种会话及业务连续性机制；QoS功能将基于流粒度执行QoS，且QoS可根据业务流实时变化。

5G核心网在NFV的基础上进一步引入服务化架构(SBA)，将网络功能解耦为服务化组件，同时采用无状态设计，使用轻量开放的接口，使得5G核心网具有敏捷、易拓展、灵活、开放的特性，这些特性为实现核心网切片奠定了基础。

2.3 承载网子切片

承载网子切片是通过对网络的拓扑资源(如链路、节点、端口、承载网元内部资源)进行虚拟化，按需组织形成多个虚拟网络(vNet)。vNet具有类似物理网络的特征和要素，包括连接(拓扑、带宽、时延、抖动)、计算(CPU、RAM、GPU、虚拟机资源等)、存储(云存储、CDN存储、ICN设备存储等)和管理4个部分。

5G承载网是一个支持多业务服务的网络，既支持 3GPP 业务(uRLLC，eMBB，mMTC 等)，也支持非 3GPP 业务的承载，因此承载网子切片之间需要相互隔离，适配各种类型服务并满足用户的不同需求。FlexE，RSVP_TE 隧道及VLAN 等技术，满足不同隔离要求下的切片需要；FlexE，FlexO等创新技术的采用使虚拟网络/切片具备刚性管道能力，满足高隔离要求下的底层快速转发；SDN 架构的层次化控制器，实现物理网络和切片网络的端到端统一控制和管理，满足不同类型切片业务对传输的要求[1]。

2.4 网络切片管理子系统

网络切片管理功能需要跨域协同(接入网、核心网、承载网及数据中心等)实现整体端到端切片的管理和编排，基于NFV/SDN的平台管理是切片实例化的支撑技术。网络切片管理的实施过程需要把用户业务级别的需求转化为对各个域的网络需求，实现端到端的切片整体设计和生命周期管理(切片上线、下线、更新及扩缩容等)。切片生命周期管理需要与NFV/SDN虚拟化生命周期管理协同。

3GPP SA5工作组在TS 28.533[6]中定义了面向部署的3级管理功能：通信服务管理功能(CSMF)、网络切片管理功能(NSMF)、网络切片子网管理功能(NSSMF)，以及NSSMF与网络功能虚拟化生命周期管理的交互接口。租户或企业通过CSMF订购网络切片，并提交相关的需求；NSMF负责将CSMF的需求转化成切片需要的SLA，并分解到各个子切片的需求；NSSMF负责子网的编排和部署。网络切片管理服务的生产者可以使用NFV MANO提供的管理界面实现网络服务(NS)的生命周期管理、VNF的生命周期管理以及支撑VNF的虚拟资源的性能管理、故障管理和配置管理。

网络切片管理架构如图2所示。

图2 网络切片管理架构

3 关键技术

网络切片不是一个单独的技术，它是基于云计算、SDN、NFV及分布式云架构等技术群实现的，通过上层统一的编排使网络具备管理和协同能力。其中，SDN/NFV技术是实现5G网络切片的技术基础，SDN/NFV使用开放协议将软件与硬件分离，并通过控制平面管理网络行为使5G网络为不同用户提供不同类型的服务。此外，要实现灵活定制、安全隔离、质量可控的网络切片还需要以下技术进行支持。

3.1 无线网子切片

(1) 统一空口，支持切片

无线网基于统一的空口框架，采用灵活的帧结构设计。针对不同的切片需求，无线网为每个切片进行专用无线资源RB的分配和映射，形成切片间资源隔离；再进行帧格式、调度优先级等参数的配置，保证切片空口侧的性能需求。

(2) 灵活切分和部署

根据不同的业务场景及资源情况，对无线网进行CU/DU功能的灵活切分和部署。eMBB场景对带宽要求较高，对应时延要求差异较大，CU集中部署的位置需要根据业务时延要求来确定；mMTC场景对时延和带宽都无要求，尽量进行集中部署；uRLLC场景对时延要求极其苛刻，一般采用CU/DU合设部署的方式，降低传输时延[1]。

3.2 核心网子切片

5G核心网子切片关键技术包括基于微服务的网络切片构建和切片能力开放等关键技术。

(1) 基于微服务的切片构建

SBA为5G网络的基础架构，网络功能基于模块化拆解，解耦的网络功能可独立扩容、独立演进、按需部署。3GPP将5G核心网定义为标准的NF服务和公共服务，可通过可视化编排工具，灵活编排组装NF，形成所需的网络切片。

(2) 切片的能力开放

通过SBA架构，5G核心网能力开放功能可直接或者通过能力开放平台向外部应用提供网络服务，满足外部对网络服务能力的要求。

3.3 承载网子切片

(1) 基于SDN的承载网子切片

SDN实现了控制面和转发面的解耦，使物理网络具有开放、可编程特征。控制平面完成网络拓扑和资源统一管理、网络抽象、路径计算以及策略管理等功能，借助SDN控制面可将物理转发资源抽象为虚拟的设备节点和网络连接，并根据策略将这些虚拟资源进行分组管理，形成独立的逻辑切片[1]。

(2) 承载网转发面切片技术

承载网转发面的切片技术可分为软切片技术和硬切片技术。软切片是在链路层或以上，基于统计复用的切片技术，如：基于多协议标记交换协议(IP/MPLS)的隧道技术，基于虚拟专网(VPN)、虚拟局域网(VLAN)等的虚拟化技术。硬切片是在物理层，基于物理刚性管道的切片技术，如：FlexE技术。FlexE技术通过将一个或多个捆绑后的物理端口划分为多个逻辑端口实现切片，可实现带宽的灵活调整及逻辑端口之间的隔离。

在实际应用中，也可以采用混合硬切片和软切片的方案，硬切片方式保证业务的隔离安全和低时延等需求，软切片方式支持业务的带宽复用。

4 标准化与实现

4.1 标准化情况

5G网络端到端的切片技术跨越不同的技术领域，包括接入网、核心网、承载网和网络管理系统等，在运维管理层面，涉及不同的运营商和设备商。为了统一产业链共识并形成协同效应，全球相关垂直行业组织(如5GAA)、产业联盟(如GSMA，NGMN)、标准化组织(如3GPP，ITU，ETSI，IETF)均对网络切片展开相关研究或标准化工作[7]。参与网络切片研究和标准化的组织如图3所示。

图3 参与网络切片研究和标准化的组织

在所有从事网络切片技术研究与标准化工作的组织机构中，3GPP开展的工作最全面、最系统，其SA1，SA2，SA3，SA5等工作组分别从网络切片的应用场景与需求、系统架构、安全机制、创建与管理等方面开展系统性研究。目前，3GPP已经发布了包括网络切片架构、标识、操作及管理等相关内容的标准，具体标准参见文献[6，8-14]。

对国内而言，随着5G网络商用化进程的推进，中国通信领域对5G技术开展了全面的标准化工作。其中，中国通信标准化协会牵头开展了包括核心网切片、承载网切片、网络切片安全及切片智能化管理等方面的关键技术研究，相关研究成果将支撑网络切片技术的标准化；中国IMT-2020 (5G)推进组、中国电信运营商、以华为公司为代表的设备商等也发布了与5G网络切片相关的白皮书[1，15-18]。

4.2 网络切片的实现

4.2.1 终端和网络需增加的新功能

要实现5G网络切片，基于SDN/NFV构建无线接入网、核心网和承载网基础设施是基础。

为了支持网络切片功能，5G核心网引入一个被称为网络切片选择功能(NSSF)的网元，并定义了一个网络切片选择标识(S-NSSAI)[8]。NSSF的主要功能是为用户选择一组网络切片实例，生成允许的网络切片选择辅助信息，并确定为终端服务的AMF；S-NSSAI用于标识与服务类型匹配的某个网络切片。5G网络还定义了与切片功能相关的用户签约数据，并由UDM存储和管理。

此外，要实现5G网络切片功能，5G网络终端、无线接入网和核心网需要具备切片相关功能，具体说明如下。

(1) 5G终端

终端能够存储网络切片相关标识，并携带相关切片标识传给网络；具备按应用选择网络切片和同时接入一个网络切片或同时接入多个网络切片的能力；针对不同切片分配终端资源，满足网络切片质量可保障的需求。

(2) 无线接入网

无线核心网需要具备切片感知功能；基于切片标识选择核心网；基站间交互基站级别的切片支持能力、传递会话级别的切片信息，用于切换和多连接操作；支持与核心网间交互切片支持能力，用于AMF选择和用户注册区配置；能够传递会话级别的切片信息，用于业务连接和切换。

(3) 核心网

核心网要支持网络切片标识的分配和选择(用户级别、会话级别)；具备切片会话接纳控制、核心网切片功能定制以及切片业务统计和计费等功能。

4.2.2 网络切片的业务流程

3GPPTS 23.502[10]定义了5G网络的信令流程，其中包括用户注册时的切片选择流程和PDU会话管理流程等，分别如图4和图5所示。

图4 用户注册流程

图5 用户业务请求流程

图4和图5给出了5G网络切片的工作流程：当一个UE向网络注册时，如果该UE有一个经过配置的NSSAI或允许的NSSAI，它就会携带一个与该UE期望访问的切片类型相对应的请求NSSAI给网络；当RAN收到来自UE、并携带有请求NSSAI的RRC消息时，会根据请求NSSAI选择合适的AMF，并将与UE相关的消息转发给AMF；AMF通过查询UDM获取用户的签约信息，签约信息包含UE的签约上下文，上下文中可以包含用户的签约S-NSSAI信息；AMF根据签约的S-NSSAI验证是否允许请求的NSSAI；当UE签约上下文不包含允许的NSSAI时，AMF需要查询NSSF；NSSF选择适当的网络切片实例，包括控制平面和用户平面网络功能，并作为UE服务的AMF集。然后，NSSF用允许的NSSAI回复当前AMF，并转发给UE。

网络切片选择策略将应用与一个或多个网络切片关联，关联的网络切片通过签约S-NSSAI标识。当与特定S-NSSAI关联的应用请求业务传输时，UE将通过切片的控制平面网络功能发起PDU会话建立过程，后续，用户数据流将由已定制的切片用户平面功能处理。

5 商用化尚需解决的关键问题

网络切片是5G网络的一个核心功能，随着5G网络商用化进程的邻近，5G网络切片的商用化部署也提上日程。由于网络切片对移动通信网络而言是一个全新的事物，不仅涉及端到端组网、管理协同，还涉及应用的可靠性、安全性等问题，因而，截至目前，5G网络切片商用化仍面临系列挑战。本节给出了5G网络商用化需解决的几个关键问题。

5.1 网络重建

由于5G网络为所有通信业务提供无线连接，因此无线接入网(RAN)和核心网(CN)都需要重建以支持端到端网络切片。特别是在密集异构网络中，不仅应设计宏小区和微小区的协作以满足定制的切片需求，还应考虑多个无线接入技术的协作以提供无缝移动性和高传输吞吐量[19]；此外，由于实现网络切片技术需要SDN/NFV技术作为支撑，因而无线接入网、核心网的网元功能虚拟化构建以及控制平面、数据平面、管理平面的分离和集中控制是必要条件。目前，RAN虚拟化具有挑战性，因为许多无线电资源处理组件仍然基于专用硬件。作为C-RAN，5G基站由一个可以承载容错功能的CU和多个DU组成。CU中的功能适合虚拟化，但由于对专用硬件加速的强烈依赖，DU中的功能难以虚拟化，最困难的挑战之一是DU和物理通道的虚拟化。

5.2 网络切片管理

网络切片支持以独立或抽象的方式为各种用例定制资源配置、管理模型和系统参数。虽然服务提供商和移动运营商已经着手网络切片的工业解决方案，但由于网络切片中包含多维度的技术，如在服务级别创建、激活、维护和停用网络切片；调整网络级的负载均衡、计费策略、安全性和QoS；虚拟化网络资源的抽象和隔离，片间和片内资源的共享等；因而网络切片的管理仍然是一个难题[20]。

考虑到不断变化的用户需求、分布式和动态云资源状态，如何优化部署和动态调整网络切片状态也是一个不小的挑战。其次，网络切片涉及端到端的网络资源，如云基础设施，不同运营商管理领域的无线电和承载网络，协调不同网域的资源也是一个重要挑战。此外，可以预计5G网络应用和服务将持续蓬勃发展，网络切片应用场景将越来越丰富，管理的复杂度和难度也会持续增加。

5.3 网络切片安全

网络切片作为移动网络的新生事物，除了灵活、高效的服务模式外，其安全问题也是业界关注的焦点。早在2016年，NGMN联盟就分析了5G网络采用网络切片技术后可能面临的安全威胁和安全缺陷，列举了切片安全需要关注的10个问题[21]。要实现5G网络切片的商用化，5G网络切片的安全问题需要着重考虑。

3GPP等国际标准化组织，针对网络切片提出了其需要满足的安全需求，对潜在的安全威胁、安全特性和解决方案方面也展开了标准化研究。具体来说，在Rel-14阶段，网络切片的安全研究主要集中在切片隔离、网络切片安全机制差异化、接入安全等方面[22]。在Rel-15阶段，下一代系统的安全架构和流程的研究过程中，对用户接入数据网络中的切片认证流程给出了标准化的方案[23]。在Rel-16阶段，网络切片安全主要对前阶段遗留的开放性问题进行了研究，包括接入特定网络切片的认证、密钥隔离、NSaas安全功能以及安全隐私方面[24]。

从目前网络切片的研究和标准化情况看，相关安全机制尚没有形成统一标准，离落地还有比较长的距离，这也是5G网络切片商用化面临的一个重要挑战。

6 结束语

网络切片是下一代网络的重要元素，是运营商为不同应用场景和业务需求提供定制化服务的使能技术。要在5G网络中实现网络切片技术，不仅涉及端到端的网络重建、管理模式的全新改变，其技术和商业运营模式也面临诸多挑战。从目前主流运营商和设备商推出的5G建网方案可以看出，他们正在遵循平滑演进思路，在前期组网方案中已经考虑了网络切片技术的应用模式。从网络切片技术的研究和标准化现状也可以看出，中国的5G技术已经走在了世界前列，无论是网络运营商还是设备厂商的主导地位越来越明显，网络切片技术率先在国内商用指日可待。