为什么5G需要网络切片 以及如何实现

5G和网络切片

当5G被广泛提及的时候，网络切片是其中讨论最多的技术。像KT、SK Telecom、China Mobile、DT、KDDI、NTT等网络运营商，以及Ericsson、Nokia 、Huawei 等设备商都认为网络切片是5G时代的理想网络架构。

这个新技术可以让运营商在一个硬件基础设施切分出多个虚拟的端到端网络，每个网络切片从设备到接入网到传输网再到核心网在逻辑上隔离，适配各种类型服务的不同特征需求。

对于每一个网络切片，像虚拟服务器、网络带宽、服务质量等专属资源都得到充分保证。由于切片之间相互隔离，所以一个切片的错误或故障不会影响到其它切片的通信。

为什么5G需要网络切片

从以往到目前4G网络，移动网络主要服务移动手机，一般来说只为手机做一些优化。然而在5G时代，移动网络需要服务各种类型和需求的设备。大家提的比较多的应用场景包括移动宽带、大规模物联网、任务关键的物联网。他们都需要不同类型的网络，在移动性、计费、安全、策略控制、延时、可靠性等方面有各不相同的要求。

例如一个大规模物联网服务连接固定传感器测量温度、湿度、降雨量等。不需要移动网络中那些主要服务手机的切换、位置更新等特性。另外像自动驾驶以及远程控制机器人等任务关键的物联网服务需要几毫秒的端到端延时，这就和移动宽带业务大不相同。

5G的主要应用场景

这是不是意味着我们需要为每一个服务建设一个专用网络了？例如，一个服务5G手机，一个服务5G大规模物联网，一个服务5G任务关键的物联网。其实不需要，因为我们可以通过网络切片技术在一个独立的物理网络上切分出多个逻辑的网络，这是一个非常节省成本的做法！

网络切片的应用需求

NGMN发布的5G白皮书中阐述的5G网络切片如下图所示：

NGMN 5G网络切片示意图

我们怎么实现端到端网络切片？

（1）5G的无线接入网络和核心网：NFV化

在如今的移动网络中，主要的设备是手机。RAN（DU和RU）和核心功能由RAN厂商提供的专用网络设备构建。为了实现网络切片，网络功能虚拟化（NFV）是一个先决条件。基本上，NFV的主要思想是将网络功能软件（即分组核心中的MME，S / P-GW和PCRF以及RAN中的DU）全部部署在商业服务器上的虚拟机，而不是单独部署在其专用网络设备。这样，RAN当作边缘云，而核心功能当作核心云。位于边缘和核心云中的VM之间的连接使用SDN进行配置。然后，为每个服务（即电话切片、大规模物联网切片、任务关键的物联网切片等等）创建切片。

如何实现网络切片之一

下图显示了每个服务专用的应用程序如何可以虚拟化并安装在每个切片中。 例如，切片可以配置如下：

（1）UHD切片：在边缘云中虚拟化DU，5G核心（UP）和缓存服务器，以及在核心云中虚拟化5G核心（CP）和MVO服务器

（2）电话切片：在核心云中虚拟化具有全移动功能的5G核心（UP和CP）和IMS服务器

（3）大规模物联网切片（例如传感器网络）：在核心云中虚拟化一个简单轻便的5G内核没有移动性管理功能

（4）任务关键的物联网切片：在边缘云中虚拟化5G核心（UP）和相关服务器（例如V2X服务器），用于最小化传输延迟

到目前为止，我们需要为具有不同要求的服务创建专用切片。并且根据不同服务特性将虚拟网络功能放置在每个切片中的不同位置（即边缘云或核心云）。此外，一些网络功能例如如计费，策略控制等，在某些切片中可能是必要的，但在其他网络切片中不是必需的。运营商可以按照他们想要的方式定制网络切片，而且可能是最具成本效益的方式。

如何实现网络切片之二

（2）边缘与核心云间的网络切片：IP/MPLS-SDN

软件定义网络，尽管在首先介绍的时候是一个很简单的概念，但现在变得越来越复杂。就以Overlay形式为例，SDN技术能够在现有的网络基础设施上提供虚拟机间的网络连接。

端到端网络切片

首先我们看如何保证边缘云与核心云的虚拟机间的网络连接是安全的，虚拟机间的网络需要基于IP/MPLS-SDN和Transport SDN来实现。本文我们主要讨论路由器厂商提供的IP/MPLS-SDN。Ericsson和Juniper都提供IP/MPLS SDN网络架构产品。操作有些许不同，但基于SDN的虚拟机间的连接是极其相似的。

在核心云中是虚拟化服务器。 在服务器的管理程序中，运行内置的vRouter / vSwitch。 SDN控制器提供虚拟化服务器和DC G / W路由器（云数据中心中创建MPLS L3 VPN的PE路由器）间的隧道配置，在核心云中的每个虚拟机（例如5G IoT核心）和DC G / W路由器间创建SDN隧道（即MPLS GRE或VXLAN）。

然后，由SDN控制器管理这些隧道和MPLS L3 VPN（例如IoT VPN）之间的映射。该过程在边缘云中也是一样，创建一个物联网切片从边缘云连接到IP / MPLS骨干，并一直到核心云。 这个过程可以基于目前为止成熟可用的技术和标准来实现。

（3）边缘与核心云间的网络切片：IP/MPLS-SDN

现在剩下的是移动前传网络。 我们如何在边缘云和5G RU之间切割这个移动前传网络？ 首先，必须首先定义5G前传网络。大家在讨论中存在一些选择（例如通过重新定义DU和RU的功能来引入新的基于分组的前传网络），但是还没有做出标准定义。下图是在ITU IMT 2020工作组中给出的图示，并给出了虚拟化前传网络的示例。

5G如今已活跃在人们的视野之中，正为我们未来的生活方式赋予无限可能。随着这项新技术的出现，喷涌而出的新概念也让人眼花缭乱，比如网络切片就是5G引入的重要新概念之一。有看到过一个非常有趣的说法：

可以发现，讨论5G的地方总少不了网络切片技术的身影，网络切片技术到底切的是什么才能对5G的产生这么大呢？那接着让我们用吃面包的例子尝试着去理解这个似乎有些抽象的技术。

1.吃面包既想分量合适，又想尝试多种口味

大家都想吃面包，那就买来一个大的原味面包分着吃，但是这个普通的原味面包并不能满足每个人的口味。因为有人想吃果酱味的，有人想吃裹着火腿的面包，还有人想吃芝士面包，每个人口味都不一样。好吧，那就谁想吃什么味道就买什么味道吧，一人一个专属面包不就好了？但这时问题同样也出现了，如果一个人吃一整个面包，太多了就吃不完，会造成极大浪费；而且万一我果酱味火腿味面包都想尝试这可怎么办？所以买很多大面包，对应进行分发不仅成本很高，而且并不能灵活地同时满足多种并重的需求。那在这个时候看到切片这两个字是不是就有一些启发了呢？我们是不是 可以对一个大面包进行切片，对每一片进行不同口味的搭配 ，既试一下果酱的，又不会错过火腿口味的。

2.同样，使用5G网络既不想造成资源浪费，又想适用于多种场景

这个例子放在5G之中，就更好理解网络切片对于5G的意义了。5G有三个典型的应用场景，分别是 增强型移动宽带（eMBB）、海量机器通信（mMTC）和高可靠低时延通信（uRLLC） 。这三个场景对于网络的需求是不同的，如下面这个图所示，像eMBB它更多关注于峰值数据速率、用户体验速率等指标，而像连接密度就没有像mMTC那样有着特别大的需求，像延迟时间也没有像uRLLC那样重要。

可以见得 每个不同的场景对于指标的需求侧重是不用的有矛盾的，那使用单一的网络就很难同时满足与支持 。这和吃面包一样，既然一个大面包难以满足，那首先想到的可能是多买几种不同口味的面包，对于5G来说的道理就是，既然单一网络不可，那就多建网络使得每个场景都有对应的网络针对性地满足需求。但显而易见的是，这样无疑会带来极高的成本，以及要是一个终端不单单只运用一个场景，也就是不单单只想吃一种口味的面包，而是想多个场景同时满足，那就必须要在每个网络里面都分别进行注册，这是非常麻烦以及效率也十分低下。

从上面这个图可以看出来，5G做能够作用的场景是相当丰富的。5G时代中，最终提供的设备也不仅是智能手机了，提供网络服务的载体设备也是多种多样，比如车辆、平板等，那么所适用的场景以及场景中所需要满足的指标需求也是趋于多样化。如自动驾驶，为了保障安全以及提供对面临危险时的灵敏度，在驶向目的地的途中，是需要时刻严格降低时延以及提高网络通信的速率。而换一个场景，对于智慧城市的建设中一环，密密麻麻成千上万的智能水表需要定期上报数据，显然这个时候密布于城市的水表最需要的就是超大容量，而速度慢一点甚至有一点延时问题都不是很大。也就是说 服务所处于的场景是多样化的，而如果为了每一个服务都要去建立一个专用的5G物理网络，这显然就像是之前提到的那样不仅实施难度大且成本高昂。 所以这时，网络切片技术就像吃面包进行切片的方式对这个问题进行解决。

通过网络切片技术，将 一个独立的物理网络切分成多个逻辑网络 ，每个逻辑网络根据不同的服务需求进行划分，具备不同的功能与特点以此再去 相对应承载不同的应用场景 ，因为相互独立，所以任何一个虚拟网络发生故障都不会去影响到其他虚拟网络。物理网络其实就是摸得着看得见的网络设备，比如网线、路由器、交换机等等联系起来的PC网络就是物理网络。而在这个网络之中所使用的协议，或者网络结构这些都是依据逻辑网络来进行划分的。对于5G来说，5G网络切片技术就是 针对不同的应用场景提供隔离的网络环境 ，不同的应用场景就可以根据自身的需求选择像低延时、大连接等对应特点，从而定制相应的功能与特性。

网络切片是 可以共享物理网络的基础设施 ，也允许共享同一基站设施的运营者为切片配置网络以及定义具体功能，并且可以根据运营者的策略灵 活且动态地创造以及撤销切片 。这样可以 灵活地管理网络资源，通过只提供必要的网络资源来满足服务需求 ，从而可以提高资源的利用率，使成本效益大幅度地提升。

我们举个例子，有一个运营商他是拥有5G网络的，他就可以把自己的这个5G网络出租给虚拟运营商。而这种虚拟的运营商所涉及的场景也是多种多样的，有的专门运营车联网，有的是做游戏的，运用网络切片，就可以使用自己的策略创建属于自己的切片网络。当自己不再进行运营的时候，就可以进一步把资源释放给其他人，这样就可以不用搞纯粹的物理网络，因为传统物理网络就像已经修建好的混凝土房子，不用了就需要拆掉改建，这时整个网络就要作废掉，这不仅难度大而且非常浪费 ，所以网络切片技术 使得资源能够得到更高的利用率，与此同时降低成本支出 ，使得网络切片技术备受5G青睐。

这里我们所讨论的网络切片都是端到端的网络切片，端在这里指的是终端以或者是应用服务器，切片布于整个网络的链条上，也就意味着每一个环节都是要进行切片的。

那么，端到端的网络切片是如何下手去切的呢？首先想要实现网络切片就必须做到虚拟化，也就是说NFV（网络功能虚拟化）是必不可少的先决条件。我们知道5G的网络切片就是结合每个逻辑网络之间包括结合终端设备、接入网、核心网、网络运营和维护管理系统，为不同的场景或者类型提供独立、隔离的网络。那以核心网作为例子，虚拟化使得传统网元设备中软硬件进行解耦，这个时候的硬件经过服务器进行统一的排布，软件则是由不同的NF担起责任，实现功能业

务的灵活组合。

那个时候我们对于 切片这个动作的逻辑就可以理解成为对信息资源的重新组合 ，这个重组的动作又是依托于服务等级协议为特定的通信服务类型选择它所需要的资源。

知道了切片的准备思想，那实际操作从运营商的角度去看就是进行相应编排部署。编排部署听起来十分的抽象，那我们用一个具体的比喻来形象化这个过程。

网络切片中的编排（对应MANO）我们可以把他当做一位优秀的乐队指挥家，借助NSMF/NSSMF（切片管理功能/子切片管理功能）两位编曲者的灵感，利用对应NFVI（网络功能虚拟化基础设施）中的资源作为演奏的乐器形成乐声（也就是对应的VNF功能），将这些悦耳乐声进行组织与编排，从而使音符进行碰撞变成美妙的演奏曲。

5G创造性地对我们的生活进行赋能，使得我们生活中多种多样的场景都有发生变化的可能性。网络切片所发挥的作用显然也不仅仅局限于eMBB、uRLLC、mMTC这三大类应用，只要有合适的应用场景，运营商们便可以在大面包上进行切片，使得大面包的口味也就是对应的应用丰富起来，提高整个网络的价值。随着2020年这个5G规模化商用的年份已经离我们越来越近，5G这个大面包借助着网络切片技术以及其他种种的新技术究竟能够为我们带来多少种口味来刺激我们的味蕾，来刺激我们的想象力呢？真让人拭目以待。

参考文献：

http://www.sohu.com/a/259849280_609507

【2】网络切片将成5G理想架构商用部署仍面临多重挑战[J]. 李金艳,杨峰义,梅承力.通信世界,2017(15):40-42.

【3】 5G网络切片使能电力智能化服务 [J]. 夏旭,朱雪田,邢燕霞,毛聪杰.  通信世界，2017(20)

【4】 5G边缘计算和网络切片技术 [J]. 刘健.  电子技术与软件工程，2019(12)

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