5G网络切片关键技术综述与应用展望

胡 颖

（新华社通信技术局，北京 100803）

网络切片技术是5G区别2G/3G/4G的主要功能之一。5G网络切片提供了一种比较灵活的机制，使得运营商可以充分利用网络资源来为各种不同的应用提供差异化服务，是一种比较理想的5G行业专网部署方式，具有较好的发展前景。

1 5G网络切片主要考虑因素

在5G网络中，建立有效的网络子切片需要考虑四个关键因素：时延、负载均衡、异构性和功率效率。

（1）时延。不同的应用对于时延的要求是不一样的，在5G切片网络中，物联网和人工智能的相关应用，如自动驾驶和远程手术等应用，对于网络时延十分敏感。而一个应用端到端的时延由多条路径上的时延加和而成，仅依靠单独优化某一局部的时延无法满足应用要求，因此时延是构建有效的网络切片中的关键因素之一。

（2）负载均衡。5G切片网络支持多样化的多媒体应用，各种应用的控制和管理都是通过动态网络切片来处理，为保障运营效率和服务质量，通过网络功能和协议定制，为不通的业务场景匹配相应的网络功能[1]，将所需的资源在全网中进行动态的分配和释放，并进一步动态优化网络连接[2]。

（3）异构性。5G网络为了承载移动终端增长带来的海量移动数据流量以及需求多样化的新兴业务，运营商不断增加基站数量和类型，密集化组网提升容量。因此，5G切片网络的异构性不仅仅是指不同类网络融合形成异构网络，同时，也指网络中需要兼容不同制造商生产的网络设备和相关应用系统。

（4）功率效率。数据显示，一个5G基站平均功耗在3.8 kW左右，是4G基站的3倍以上，单个5G基站电费大约2.3～3万元/年。5G是未来数字社会的基础设施，需要长期稳定发展，因此需要更多的绿色技术和创新，以进一步降低5G基站的功率，提高效率，实现可持续发展。

2 5G网络切片典型业务场景

国际标准化组织3GPP已经定义了5G的三大应用场景：增强移动宽带、大规模机器通信以及超高可靠超低时延通信[3]，这三大应用场景对应着“快”“稳”“密”三个特点，对网络的速率、容量、时延、可靠性、安全性、移动性、服务成本等有不同的需求。

表1 5G网络切片典型业务场景

2.1 增强型移动宽带（eMBB）

增强型移动宽带是以人为中心的应用场景，也是最接近我们日常生活的应用场景，集中表现为超高的传输数据速率，如4K/8K视频、超高清VR/AR、视频互动点播等应用。

2022年北京冬奥会“5G+4K/8K+AI”“子弹时间”强大的视觉震撼，惊艳亿万观众。目前，业界已达成共识，高清视频将成为消费移动通信网络流量的主要业务[4]。因此，在现在5G快速发展的时代下，流媒体必然会实现快速增长，这也是5G对个人生活影响的主要部分。

借助5G切片业务，可以按终端接入专有切片保障和隔离，提供端到端专线、专网，满足媒体直播场景的下行大带宽要求，提供高可靠低时延的服务，并且基于切片间的隔离，保障数据的安全，满足高清视频播放业务的发展。

2.2 大规模机器通信(mMTC)

大规模机器通信主要指低速率、海量连接且延迟不敏感的场景，如智能家居、环境监测、森林防火等低能耗大连接的应用场景。在这种场景下，每平方公里需要可容纳100万个以上终端，同时，无线系统及接入的终端需要有出色的节能特性。

2.3 高可靠低时延连接（uRLLC）

高可靠低时延连接具备高可靠、低时延、极高的可用性等全新特性。未来社会智能化程度将越来越高，自动驾驶、远程手术、工业控制、智能电网等场景将越来越多的出现在人的工作和生活中。目前，5G uRLLC的可靠性指标为：用户面时延1 ms内，一次传送32字节包的可靠性为99.999%。此外，如果时延允许，5G uRLLC还可以采用重传机制，进一步提高成功率。

3 5G网络切片关键技术分析

3.1 基于SDN的5G切片方案

传统的传输网络中由专门的路由器和交换机来实现数据转发和网络控制，路由器根据路由表来进行数据转发，定义QoS（Quality of Service，服务质量）级别来进行网络质量控制[5]。各个路由转发节点各自为政，独立工作。而在SDN（Software Defined Network，软件定义网络）中，将控制功能和转发功能分离，即在网络基础设施层用户和网络应用层中引入了一个控制层，用来统一指挥数据转发。SDN的控制层将网络资源统一管理、控制和虚拟化后，网络层设备仅负责转发流量和实施策略，采用标准化的接口为控制层应用提供按需的网络资源和服务，从而实现网络能力的开放和按需提供。

图1 软件定义网络分层结构

5G对网络切片基于SDN技术进行了全面的设计，可以对各类资源及QoS进行管理，构成一个端到端的逻辑网络，涵盖所有网段，包括核心网、无线网、传输网，按切片需求方的需求灵活地提供一种或多种网络服务。

3.2 基于机器学习和深度学习的5G切片方案

为了优化5G切片网络中负载均衡问题，可基于机器学习构建网络分片框架，其中每个逻辑片被划分为一个虚拟化的资源子片。每个子片根据需要为应用程序系统提供不同优先级的资源。一个子片专注于频谱效率，而另一个子片专注于提供低延迟和降低功耗。可以支持向量机（SVM）算法，通过特征选择来识别不同的连接设备应用需求。而K-means算法可用于为类似的应用程序服务类型分组（例如基于应用程序的服务、基于平台的服务和基于基础设施的服务）创建子片集群。

基于此，我们可以在机器学习相关算法的帮助下，考虑上述因素的影响，对5G网络进行基于机器学习的子切片，以提高网络资源利用的效率。

3.3 基于NFV的5G切片方案

基于NFV的5G切片方案可以为不同垂直行业提供个性化的网络服务，实现资源的灵活配置和管理。它为运营商提供了更高的灵活性和可扩展性，以满足不同行业的需求，并为新兴的5G应用场景带来更多的创新机会。

为了实现网络切片，NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）是先决条件。NFV根据业务需求，部署不同功能模块，生成多个平行的相互隔离的逻辑专网。运营商构建一个NFV平台，用于在通用服务器上虚拟化网络功能，如核心网、边缘计算、传输等。这样可以将网络功能从专用硬件中解耦，提高资源的利用率和灵活性。当一个切片需要更多的资源时，可以动态地进行资源分配，以满足业务的增长。借助NFV，虚拟机可以提供路由、负载均衡和防火墙等网络功能。

4 5G切片实现面临的困难与挑战

回顾移动网络的发展，从3G到4G，运营商的经营模式没有本质的变化，基本遵循的仍是按量计价的模式，提供的也是同质化的网络语音/流量服务；而从4G到5G，网络切片开创性的赋予了运营商根据客户需求按需定制网络服务的能力，差异化的网络服务为网络增值创造了条件。随着5G端到端网络切片商用部署的逐步推进，在切片实施过程中也遇到了一些困难和挑战。

（1）标准完善切片的自动编排非常重要，但是3GPP对于切片的编排流程和接口没有详细定义，导致目前跨厂商、跨领域的端到端切片自动化编排还有较大难度。与此同时，切片SLA的定义以及SLA和网络能力的映射还需要完善，3GPP后续的标准将持续对网络切片的相关功能进行完善。

（2）智能运营。切片引入以后导致网络的运营变得更加复杂。运营商要能够根据客户需求，在最短时间内实现网络资源快速配置，敏捷地提供高匹配度的服务。网络切片可以通过QoS调度、资源预留、载波隔离等方式来提供不同类型的SLA保障，但是各种保障机制的应用场景还没有标准化、模板化，To B和To C如何协同也还有待探索。

（3）端网协同。5G网络切片的端网协同是指在切片方案中，网络的边缘（Edge）和终端设备（User Equipment，UE）之间进行有效的协同工作，以实现更高效、可靠的服务交付。在端网协同中，可以将计算和存储资源放置在靠近终端设备的边缘位置，通过将计算和存储功能移动到边缘，可以减少数据传输的延迟和拥塞，并提供更快速的响应时间和更好的用户体验。网络如何根据终端设备的要求和网络负载情况动态地进行资源分配和优化，如何进行有效的协调工作也是一个值得探讨的问题。

（4）切片管理的复杂性。网络切片管理包括多个维度和技术：在服务级别创建、抽象和隔离虚拟化网络资源、切片间和切片内资源共享、维护和停用网络切片、调整负载均衡、子系统间以及异厂家间的对接协同、计费策略、安全性和QoS等。

（5）网络切片安全问题。在5G切片方案中，安全是一个重要的考虑因素。切片之间的隔离和安全性需要得到保证，以防止潜在的安全威胁。运营商需要采取合适的安全措施，如身份验证、访问控制、流量隔离等，来确保切片之间的通信的安全和隐私。

5 5G网络切片未来展望

5G可以满足eMBB、URLLC和mMTC等多种场景下的业务体验要求，由此也将产生很多差异化的业务。因此，5G网络切片是实现个性化、灵活和高效网络服务的关键技术之一。它允许将网络资源按需分配给不同的垂直行业和应用场景，为各种业务提供定制化的网络支持。灵活资源分配：通过网络功能虚拟化和资源编排，5G网络切片可以实现资源的灵活分配和动态调整。这样可以提高网络资源的利用率和效率，满足不同切片的实时需求。

5G网络切片可以充分适配SDN/NFV基础设施，实现由业务需求到网络资源的灵活匹配，从而以网络切片的形式满足未来5G网络中不同垂直行业特定的功能要求[6]。此外，5G网络切片也可借助机器学习、人工智能（AI）和自动化技术的应用，进一步改进5G网络切片的管理和优化能力，实现更智能的切片资源分配和网络配置，并提供快速、可靠的网络服务交付，提高切片的响应时间和效率。

随着5G网络的部署和发展，预计将出现更多的切片应用场景，涵盖诸如智能交通、工业自动化、远程医疗等多个垂直行业。除了网络切片，未来的发展可能会引入端到端切片的概念。这意味着不仅网络基础设施被切片，而且整个服务链路，包括终端设备、边缘计算和云平台等，都可以根据需求进行切片[7]，实现更全面和一体化的切片服务。

6 结束语

5G网络切片关键技术的不断发展将促进各行各业的数字化转型和创新。通过个性化、灵活和高效的网络服务，切片将为各种应用场景带来更好的连接和体验。■