网络切片技术下的5G 全新网络架构

张松涛

（佛山职业技术学院，广东 佛山 528137）

0 引言

进入 21世纪，随着智能手机、移动互联网需求爆炸式增长，移动通信技术迅速发展。各种新技术、组网模式不断涌现。 2019 年6 月6 日，中国电信、中国移动、中国联通、中国广电同时获得工信部发放的5G 商用牌照，中国通信行业迈入5G 商用元年。

与4G 相比，5G 各项性能都得到大幅提升。 3GPP R15主要聚焦增强移动带宽 eMBB，R16则可以满足包括 eMBB、超高可靠低时延通信 uRLLC 和海量机器通信mMTC 在内的三大应用场景[1]，基于 R15进行业务增强。5G 的一些关键能力，表现在：支持100 Mb/s-1 Gb/s 的用户体验速率和 10 Gb/s 的峰值速率；支持每平方千米百万量级的连接数密度；支持每平方千米 Tb/s 级的流量需求；支持毫秒级的端到端时延；支持超过 130 m/s 以上移动速度等。

1 5G 网络需求

1.1 移动通信网络架构发展

从第一代模拟移动通信诞生以来，移动通信技术发生了翻天覆地的变化，移动通信网络架构也呈现一定的发展规律。首先是 IP 化。2/3G 核心网分组域与无线接入网之间是多种承载方式并存，即 TDM/ATM/IP 同时存在。 LTE/EPC 阶段，网络结构全IP 话，即用 IP 完全取代传统 ATM 及TDM。然后是扁平化与分布式。在 2/3G核心网分组域中，用户数据处理经过 NodeB、RNC、SGSN、GGSN 多级处理；4G LTE 用户数据只需经eNodeB、SAE-GW 到外部数据网，无线接入网 E-UTRAN实现了扁平化与分布式架构。不过，核心网还保持集中控制方式。第三个规律是控制与承载的分离。4G LTE EPC 核心网网络架构秉承了控制与承载分离的理念，将2/3G 分组域中 SGSN 的控制面功能与用户面功能相分离，分别由两个网元 MME 和SGW 来完成。第四个规律是多网融合。 2G、3G、4G、Wi-Fi 以及5G 将会在较长时间多网共存，这对多网协作与深度融合提出了更多的要求。

1.2 4G 网络架构存在的问题

首先是业务量爆炸式增长与网络能力瓶颈[2]。 集中控制的 LTE EPC 核心网和回传链路难以满足海量需求的数据交换与转发，核心网、承载网都面临越来越大的数据流量压力。超密集网络、分层组网等大容量无线接入对网络管理、移动性提出了新的挑战。智能交通、工业自动化等新兴即时性业务需要更加严格的端到端时延。

其次是移动互联网带来的各种新场景支持。4G 网络本身是为分组数据业务设计，但移动互联网业务日新月异，4G LTE 开始显现能力不足。比如，海量物联网终端的瞬时接入、智能抄表等非连续小数据的低传输效率，以及飞机、高铁等高速移动场景的支持乏力等。

再次是物联网业务的多样化需求。移动通信在物联网方面的应用、移动通信与物联网的融合正日益深入。制造、健康、环境、物流等众多行业对通信速度、成本、连接能力、服务质量等需求高度多样化，现有网络架构几乎很难满足。

4G LTE 网络架构演进整体上符合移动通信发展方向，也能很好地满足当前需求。但随着移动互联网、物联网的深入发展，现有 LTE 网络后向兼容的方式满足5G 多样化的需求，具备极大的挑战。所以，需要设计符合移动通信演进逻辑的全新5G 网络架构。

1.3 5G 网络架构需求与设计原则

基于以上分析，5G 网络架构需要在网络能力、运行持续性、商业应用灵活性等方面作出较大改善与提高[3]。具体表现在以下几个方面。

首先，要充分利用频谱资源，开发厘米波、毫米波等更高频段[3，4]；同时，可以利用控制面、用户面分离和上下行分离的概念优化频段效率。采用灵活的双工模式及全双工来优化业务驱动的频谱使用。为了保证超密集组网场景下移动用户的无缝体验，需要有效的UE 移动速度和移动方向检测机制，以支持多层、多RAT 协同，以及频率、小区、波束间的动态快速切换。普通终端、可穿戴设备、车载大规模传感器以及 D2D 通信等都可以支持动态拓扑，无线拓扑可以基于上下文动态变化。

其次，建立统一可组合的核心网，以经济有效的方式支持多样化的用例和需求。基本功能应当裁剪为一个最小集，控制面、用户面功能通过开放接口实现清晰分离。

再次是灵活的端到端功能和能力。充分利用 NFV 和SDN，网络功能、终端功能、RAT 配置根据不同应用场景灵活定制。网络可以支持网络功能的灵活组合、分配。包括无线基带处理在内，5G 将尽可能地虚拟化网络功能，利用 SDN 进行软件编程和配置。

5G 系统架构可以支持基于NFV 和SDN 技术的数据连接和服务[5]。包括：控制面功能和用户面功能分离，各自可以独立扩展、独立演进、灵活部署；模块化的功能设计，可以实现灵活有效的网络切片；如果需要，每个网络功能和它的网络功能服务可以通过服务通信代理，与其他网络功能和网络功能服务直接或间接交互；最小化核心网CN 与接入网AN 之间的依赖，一个收敛的核心网，具备统一的CN-AN 接口，可以综合接入 3GPP 或非3GPP 等不同接入类型。

2 5G 网络架构

2.1 NGMN 5G 网络架构

基于5G 新的网络需求，下一代移动通信网络组织NGMN 提出了一个5G 网络架构模型。该架构包含3层和一个端到端的管理编排实体，如图 1所示。该架构由NFV 和SDN 提供可编程能力，结构化实现软硬件分离。

图1 5G网络架构[3]

（1）基础设施资源层。基础设施资源层由固定移动结合网络资源组成，包括网络结点、接入结点、云结点、5G 设备和相关链路等。5G 设备具备多种配置能力，根据上下文，可以用作中继、集线器、计算资源或存储资源使用。作为一种可配置资源，5G 设备可通过 API 接口呈现给高层和端到端管理编排实体。

（2）业务使能层。业务使能层是一个模块化的网络功能和增值能力库。根据不同需求，这些功能和能力由编排实体通过API 接口调用。某些功能可能存在多种变体，比如，同样功能的不同实现可能有不同的特性。与现有网络相比，5G 网络可以提供更加细化的业务性能服务。

（3）业务应用层。业务应用层包含5G 网络提供的具体应用、商业模型和价值主题等。端到端管理编排实体与业务应用层接口可以被用来为特定应用建立专用网络切片，或者将特定应用映射到已有网络切片。

（4）端到端管理编排实体。端到端管理编排实体是将5G 应用与商业模型转换为实际网络功能和切片的连接纽带。它为特定应用实例定义与对应模块化网络功能相关的网络切片、配置相关参数，最后映射到基础设施资源上。对一些特定商业模型，它可以为第三方提供通过 API 和XaaS 等手段创建和管理它们自己的网络切片的途径。由于其模块化的功能特点，端到端管理编排实体可以综合 NFV、SDN、SON 等在不同领域的优势。

2.2 5G 新核心网主要特征

为了支持多场景、大带宽、低时延、高密度、灵活组网等需求，5G 核心网相较于4G 及更早网络有较大变化，主要表现在基于 SDN/NFV 的通用平台 [2， 6， 7]、端到端的网络切片和服务化的架构 SBA 等。

2.2.1 基于SDN/NFV 的通用平台

软件定义网络 SDN 是网络虚拟化方式实现的一种新型网络创新架构，起源于2006年斯坦福大学的Clean State 研究课题。2009 年，Mckeown 教授正式提出了SDN 概念。其核心技术 OpenFlow 把网络设备的控制面与数据面分离开来，灵活控制网络流量，使网络作为管道变得更加智能，为核心网络应用创新提供了良好的平台。

网络功能虚拟化 NFV 是由一些著名的电信运行商提出并推动发展的一项新技术，采用通用的 COTS 服务器代替目前电信网络中的各专用平台。各种网元、服务可以灵活部署在基于标准服务器的统一平台上，实现软硬件解耦，从而减少对专用设备的过度依赖，通过虚拟资源增加组网灵活性。

NFV 和SDN 相互独立，可相互补充。 NFV 强调的是软硬件解耦，通过虚拟化技术实现硬件资源的共享；SDN 突出网络控制与转发分离，增加网络拓扑和业务调度动态性、灵活性。将两者结合，可以按照不同客户需求，进行自适应业务定制、调整及增值。

引入SDN/NFV 技术，5G 基础设施平台将更多地采用支持软硬件解耦、支持网络切片的通用硬件架构，通过虚拟化资源的动态配置，实现移动网络的灵活部署。在广域网层面， NFV 编排器、SDN 控制器可实现跨中心或不同层级的资源调度与广域互联；在城域网内，SDN控制器可以灵活运用支持软硬件解耦的NFVI 基础设施，实现本中心资源的动态调度。

SDN/NFV 技术在接入网中的应用是移动通信发展的重要方向。利用网络虚拟化技术，可以在同一基站平台同时承载多个不同类型的无线接入方案，还可以实现接入网内部各功能实体动态无缝连接，灵活配置客户所需的业务模式。SDN/NFV 平台架构如图2所示。

图2 SDN/NFV平台架构

2.2.2 端到端的网络切片

网络切片（ Network Slicing），也称为5G 切片，支持一种特殊连接类型的通信服务。网络切片将充分利用网络功能虚拟化 NFV 的特性，通过切片管理和切片选择，按客户需求组建端到端的逻辑网络，灵活提供相应网络服务。

切片管理利用虚拟化资源平台为客户提供安全隔离、定制的专用逻辑网络。经由业务设计、实例编排、运行管理 3个阶段，设定切片参数、实现切片实例化、对切片进行实时监控和动态维护。

切片选择功能实现用户终端与网络切片间的接入映射，结合客户签约等因素，采用独立架构或共享架构的形式，为客户终端提供合适的切片接入选择。独立架构切片逻辑资源、逻辑功能完全隔离，每个切片功能完整。共享架构形式时多个切片间部分网络功能共享。比如，共享移动性管理等控制面功能，独立组建业务粒度的控制和转发功能，实现客户特定服务。网络切片功能架构如图 3所示。

图3 网络切片功能架构

2.2.3 服务化的架构SBA

服务化架构 SBA 是5G 网络的基础架构，是5G 新核心网的重要特征。按照“自包含、可重用、独立管理”的原则， SBA 将网络功能划分为若干个可被灵活调用的服务模块，根据业务需求灵活定制组网。3GPP R15 SBA 定义了基于服务的逻辑功能网络架构，该架构包含一组逻辑网络功能 NF，每个 3GPP NF 可以通过基于服务的接口 SBI 来产生、调用一个或多个 3GPP NF 服务。3GPP 基于SBA 的5G 系统架构如图 4所示。

图4 5G网络架构[5]

面向R16的研究项目研究和评估对 R15 SBA 的潜在优化和增强，以便为5G 系统提供更好的灵活性和模块化，更容易地定义网络切片，更好地支持网络功能服务的自动化和高可靠性。具体包括：优化系统功能模块、改进服务框架、高可靠部署架构支持、将服务概念从5GC 控制平面扩展到用户平面等。

可以看到， 3GPP SBA 具备松耦合的微服务、高效的服务调用接口、自动化智能化的服务管理框架等特征；对运营商而言， SBA 可以提供敏捷、易扩展、开放、灵活组网的能力。

3 结束语

移动互联网、物联网的快速发展与日新月异的需求，推动了移动通信技术的不断更新，对新的移动通信技术也提出了更高的要求。5G移动通信引入全新的服务化架构、SDN/NFV 技术，基础设施平台采用通用的 COTS 服务器，实现软硬件解耦，通过虚拟化资源的动态配置、灵活的网络切片技术，可以为5G 时代增强移动带宽、超高可靠低时延通信、海量机器通信等各种场景提供满意的服务。