基于5G移动通信技术网络切片应用研究

摘 要：伴随着传统行业的数字化转型，各种各样的网络业务模型存在预测规划难、网络质量差异大、实施难度大、生命周期不同等问题，面向垂直行业网络整合应用是5G通信技术发展的关键。5G的应用场景主要包括增强型移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超可靠低时延通信（uRLLC）。为适应不同的产业发展需求，5G网络已从传统4G网络转型为基于服务的网络架构，能够为不同的产业按发展需要定制网络，即提供5G网络切片技术。面向车联网（V2X）、远程医疗和工业控制等垂直行业的复杂网络需求，实现业务可隔离、功能可定制、资源可伸缩的网络切片，以及多业务场景的融合。以远程手术、物联网技术为例，采用虚拟仿真研究方法针对5G网络切片技术进行参数配置。最终发现，网络切片技术能够满足行业需求，也为垂直行业的新业务部署、数字化转型提供了良好的平台。

关键词：5G移动通信技术；网络切片；安全性能；业务需求；网络隔离；切片配置

中图分类号：TP39；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）02-00-04

0 引 言

在4G时代，网络发展处于流量经营阶段，数据业务增长带动运营商利润的增长。然而，4G网络也仅仅只是扮演管家的角色。单一的物理网络无法满足各种场景的行业性能要求。V2X、工业自动化及远程医疗的网络需求主要是满足低时延和高可靠性，智慧城市物联网主要面向海量连接终端，虚拟现实（VR）、增强现实（AR）或高清视频的主要需求是大带宽网络。因此不同的应用需求需要不同的网络。

针对5G定义了3大应用场景，eMBB主要用于3D/超高清视频等大流量移动宽带业务，该场景下的典型应用有AR技术及VR技术；mMTC面向物联网，以智慧农业为例，它的无线接入终端类型丰富，接入数量大，潮汐效应明显，突发场景多，网络响应要求高；uRLLC应用时延要求低至1 ms，可靠性高至99.999%，主要应用包括自动驾驶、工业自动化、移动医疗等。

不同的应用场景在网络功能、系统性能、安全、用户体验等方面都有着不同的需求。在4G网络中，所有的业务汇聚于单一网络内，随着业务体量的逐步增长，导致网络配置非常复杂，给业务扩容、缩容带来不便。于是文献[1]提出了5G开放网络架构的服务和运营，即网络切片。网络切片不仅是5G网络的技术优势，也是商业模式创新的要素之一，面对垂直行业可以根据网络需要进行切片划分，为各种业务需求提供5G网络定制化平台。

1 5G网络切片原理

在不同场景下存在差异化的业务需求，要求能够提供相应的网络以满足不同的需求。个性化、差异化的业务需求催生了网络切片的产生。因此需要把网络“切”成多个虚拟且相互隔离的子网络，分别提供不同的服务。3GPP定义网络切片是提供特定网络能力和网络特性的逻辑网络[2]。网络切片必须包括控制面和媒体面。通过虚拟化技术将原来单一的物理网络划分成多个虚拟的逻辑网络，每个虚拟网络对应不同的应用场景，即网络切片，4G服务质量（QoS）依旧局限在某一个子网络内部进行QoS管理[3]。例如：在A市部署eMBB业务，在B市部署mMTC业务，在C市部署uRLLC业务。在对业务需求的网络进行分类后，就可以创建网络切片，每个网络切片之间是独立的，拥有自己的切片类型。每个切片都可独立按照业务场景的需要和话务模型进行网络功能的定制裁剪和相应网络资源的编排管理，这是对5G网络架构的实例化[4]。每个虚拟网络之间是独立的，提高了对于日益庞大的复杂业务的可配置性和可维护性。每个虚拟网络之间，包括网络内的设备、接入、传输和核心网，都是逻辑独立的。原来的4G网络部署基于硬件架构，所以网络资源部署较为固定，而5G通过网络功能虚拟化（NFV）技术和软件定义网络（SDN）技术实现了网络资源的灵活配置，使得工作人员在部署业务时可以灵活调整，也为网络运营维护带来了便捷。网络部署还需要考虑网络功能定义的粒度选择，粒度如果选择太细，在带来灵活性的同时也会带来巨大的复杂性。不同功能组合以及切片应用需要复杂的测试，而且不同网络之间的互操作性问题也不可忽视。所以，需要确定合适的功能粒度，在灵活性和复杂性之间取得平衡[5]。

2 5G网络应用场景实例分析

网络切片实例定义为满足一定的业务实例需求而创建的完整逻辑网络[6]，由一组网络功能和对应的资源组成，资源可包括物理资源或者逻辑资源。网络切片实例具备隔离性，可以是全部或者部分、逻辑或者物理，与其他网络切片实例相隔离。网络切片允许按需共享，切片实例间可以有部分共享的子切片。网络切片架构的目标是一个UE能够同时支持1～8个网络切片。

2.1 5G移动通信网络切片关键参数

在5G网络切片配置中，涉及到3部分的配置：5G核心网（5GC）切片参数配置、5G无线接入网（5G RAN）切片参数配置和终端切片参数配置。5GC切片涉及的网元功能单元见表1。

切片标识（S-NSSAI），包括切片类型（SST）和切片差异切分器（SD）。SST指切片服务类型，即eMBB、uRLLC、mMTC、V2X。SD指切片实例[7]。5G切片业务配置由5GC、5G无线站点配置和终端配置3部分组成。5G网络切片业务配置参数如图1所示。

2.2 实例分析1：远程医疗

远程医疗业务需要网络具备低时延、高可靠性，符合5G uRLLC应用场景，而它也是uRLLC应用场景的典型应用之一。创建远程医疗业务并且部署在一个独立网络切片中。

（1）5GC切片参数

在接入和移动性管理（AMF）虚拟网元切片策略控制配置中，需要配置网络切片管理虚拟网元（NSSF）地址。NSSF客户端和服务器地址配置如图2所示。

AMF定义S-NSSAI 3为5G uRLLC应用场景，SD为远程医疗。AMF S-NSSAI配置如图3所示。

会话管理功能（SMF）虚拟网元中，需要指定各S-NSSAI对应的用户面功能虚拟网元（UPF），以及会话管理功能虚拟网元（SMF）所支持的各S-NSSAI。5G uRLLC远程医疗场景指向UPF，ID为3。UPF S-NSSAI配置如图4所示。

SMF S-NSSAI配置如图5所示。

NSSF主要负责管理网络切片和网络切片的选择，S-NSSAI是唯一标识。NSSF S-NSSAI配置如图6所示。

在UPF切片中，配置S-NSSAI和分片最大上下行速率。UPF切片功能配置如图7所示。

用户数据标识管理（UDM）主要管理用户数据，在接入点（DNN）配置中，增加5G QoS标识符（5QI），取值82。5QI 82对应的承载类型是延迟临界（Delay Critical），业务类型名称是离散自动化（Discrete Automation）。UDM DNN配置如图8所示。

（2）无线站点配置

5G无线基站将4G无线基带单元（BBU）重构成集中单元（CU）和分布单元（DU），DU主要包括物理层功能和实时性需求层功能，CU主要包括非实时无线高层协议栈功能，同时也支持部分核心网功能的下沉和边缘应用业务的部署。CU与DU功能通过处理内容的实时性进行区分[8]。在DU中，需要增加5QI 82业务类型。QoS配置如图9所示。

在DU切片中，定义所使用的S-NSSIAI。DU S-NSSIAI配置如图10所示。

在CU切片中，定义所使用的S-NSSIAI。CU S-NSSIAI配置如图11所示。

2.3 实例分析2：智慧农业

智慧农业能够实现周期性自动灌溉、温湿度数据上报及分析等功能，需要接入的终端数量庞大，对于数据的传输速率要求不高。面向物联网应用，终端安装位置固定，无移动性管理，属于5G mMTC业务应用场景[9]。5GC创建了5GC mMTC切片，该切片主要包含智慧农业业务。用户面功能单元（UPF）切片功能配置如图12所示。

在AMF控制面功能单元中定义S-NSSIAI，配置NSSF服务器和客户端。SMF中定义同样的S-NSSIAI。AMF S-NSSIAI配置如图13所示。

通过切片编排实现智慧农业物联网终端的功能。物联网终端配置如图14所示。

3 5G网络切片的优势

3.1 满足未来多种融合场景的需求

在统一物理设施上支撑多种垂直行业，实现资源共享，降低运营商的建网成本。如果所有网络切片都拥有完全独立的网络功能，则所需资源过于庞大，导致网络性价比降低，因此网络功能需要具体分析，拥有相同网络特性的网络可以进行整合及共享，以提高网络资源的利用率，主要有以下方式：

方式1：对于网络安全性要求较高，并且用户数据需要具有较高的隔离度，例如远程医疗、工业自动化业务，不同切片之间完全独立，不同子网之间的核心网控制面单元和用户面单元相互独立。

方式2：对于用户网络安全隔离性要求不高，而且业务类型较多，例如智慧小区中智能水电表、共享单车和智能监控等业务，通过定义多个独立用户面实体以接入不同的切片业务，但是它们的控制面单元不独立。

3.2 能够实现网络敏捷按需的特点

面向服务，按需定制，实时监控，动态调度，为不同应用场景提供SLA保障的连接服务[10]。网络编排功能模块能够对形成的网络切片进行监督管理，允许根据实际业务量对网络资源的分配进行扩容、缩容和动态调整，并在生命周期到期后撤销网络切片。通过大数据驱动网络优化来促使网络切片的划分，此举完全契合5G定制化网络平台的特点，对于不同的业务、不同的用户提供相应的平台，完成了运营商从管道提供商向平台提供商的转型。5G技术的发展，也能够促使新兴行业的诞生和传统行业的数字化转型，因此网络切片能够提高网络资源的利用率，对于动态调整庞大的业务部署更加有利。

4 结 语

5G通信技术伴随着云计算、边缘计算、虚拟化技术的发展，具备eMBB、mMTC和uRLLC应用场景。当前业务市场需要更加灵活、更加弹性和更加安全的网络平台，而5G切片技术的出现能够满足行业需求，也为垂直行业的新业务部署、数字化转型提供了良好的平台。

（1）网络最优化分析。由于每个切片都是根据该服务或使用该切片的服务所需要的交付复杂性进行定制的，因此切片网络还可以更深入地了解有关网络资源的利用情况，促使网络达到最优配置。

（2）网络动态分析。5G系统架构由软件定义网络，对比4G网络实体单元实现了各网络单独配置资源，从5GC到5G RAN，对比4G架构发生了根本性的转变。5GC面向服务，取代了原有的硬件实体设备，由通用服务器提供物理资源，而网络功能由虚拟网元提供。5G RAN从原有4G BBU到5G CU和DU架构，可以促使5GC部分网元功能下沉，实现5G网络的灵活部署，能够满足业务的扩容或调整需求。通过监控大数据智能运维资源使用情况，为更加优化的网络部署提供数据支持。

（3）网络安全分析。通过5G网络切片技术，可以针对每种业务进行性能分析，基于专网系统业务数据的可靠性和安全性考虑，网络切片能够实现不同切片资源的隔离，从而保证业务数据的可靠性。

（4）网络弹性分析。随着5G网络技术的发展，业务需求多种多样，网络需要具备更高的弹性和灵活的扩展性，例如相同的网络需求可以通过切片的共享实现，对于业务的上线、扩容、缩容都需要网络具备相应的弹性部署。

综上所述，5G移动通信技术网络切片能够提供一个优化的、动态的、安全的、具备弹性的网络平台，实现了通信技术从管道的角色向平台化转型，有利于网络资源的优化配置。5G网络借助硬件通用服务器构建基础资源设施，软件定义网络技术实现了资源的最优配置。5G切片技术能够实现网络从需求分析、网络部署、业务运营等全过程的动态分析、安全分析和弹性分析，满足了当今行业数字化、信息化、自动化的需求，能够对新型业务实现动态管理、网络优化及系统扩容等，为大数据分析、人工智能提供网络保障。

参考文献

[1]刘忠，陈佳莹，林磊.新一代5G网络—从原理到应用[M].北京：中国铁道出版社，2021.

[2]马芳芸，李英祥，刘忠，等.新一代5G网络—全网部署与优化[M].北京：中国铁道出版社，2022.

[3]田敏，居水荣. 5G基站建设与维护[M].北京：北京理工大学出版社，2016.

[4]刘宇，张宇. 5G移动网络运维（中级）[M].北京：高等教育出版社，2021.

[5]王永学，张宇. 5G移动网络运维（初级）[M].北京：高等教育出版社，2020.

[6]胡颖. 5G网络切片关键技术综述与应用展望[J].数字通信世界，2023（9）：111-113.

[7]李明媚，董丽元，赵宁，等.基于通信原理的远程课堂教辅系统设计[J].物联网技术，2023，13（12）：153-155.

[8]朱辰，金心宇，魏兵，等. 5G移动通信虚拟仿真教学实验平台的构建与应用[J].实验科学与技术，2023，21（6）：55-60.

[9]陈美娟，朱晓荣，沈建华，等.基于成果导向教育理念的无线通信网络实践课程教学模式探索[J].实验室科学与探索，2020，39（8）：166-170.

[10]高宇航，向政蓉，黄庆南，等.基于物联网的无人机仿真与测试系统设计[J].物联网技术，2023，13（12）：60-63.

作者简介：沈娟娟（1982—），女，硕士，副教授，研究方向为移动通信技术。

收稿日期：2024-01-10 修回日期：2024-02-22