5GC 關鍵技術之網絡切片

網絡切片的需求來自於業務對網絡提出的差別化要求

網絡切片是 5G 核心網重要的關鍵技術之一，也是網絡即服務理念的直接體現，網絡切片自己就是產品和服務。網絡切片設計的出發點是按照業務對網絡的不一樣需求靈活組織網絡，造成爲特定業務提供專屬服務的網絡，達到網絡與業務的高度匹配。

3G 時代面對不一樣業務對網絡的差別化要求採起的方案是 QoS（Quality of Service，服務質量），對業務進行分類，給予不一樣優先級的業務不一樣的資源，以及不一樣的服務質量，優先保證對網絡要求高的業務，而後再兼顧低優先級的業務。

4G 時代更是定義了 9 種 QoS 類型，對不一樣業務類型的服務級別進行更加精細化的管理。

來到 5G 時代，面對的業務類型是更加多樣化的，包括車聯網、大規模物聯網、工業自動化、遠程醫療、自動駕駛、VR/AR 等等。並且這些業務對網絡要求的差別化鴻溝巨大，例如：工業自動化要求低時延、高可靠但對數據速率要求不高；高清視頻無需超低時延但要求超高速率。如此巨大的差別化要求顯然沒法經過統一的網絡架構來保證，所以 5G 的網絡須要具有虛擬化切片的能力 ，使得每一個網絡切片可以適配不一樣的業務和通訊場景，以提供合理的網絡控制和高效的資源利用嗎。這就是網絡切片技術。

基於 3 大業務場景的切片

● 加強型移動寬帶（eMBB）：須要關注峯值速率，容量，頻譜效率，移動性，網絡能效等這些指標，和 3G、4G 相似。AR/VR、4K/8K 超高清視頻等業務屬於該類型。

● 海量機器通訊（mMTC）：主要關注鏈接數。對下載速率，移動性等指標不太關心。針對大規模物聯網業務。

● 高可靠低時延通訊（uRLLC）：主要關注高可靠性，移動性和超低時延。對鏈接數，峯值速率，容量，頻譜效率，網絡能效等指標都沒有太大需求。例如無人駕駛等業務。

基於切片資源訪問對象的切片

還能夠根據切片資源是否可被其餘切片資源共享，分爲獨立切片和共享切片：

● 獨立切片：指擁有獨立功能的切片，網絡資源片化後，指定的用戶對象羣體或業務場景可得到網絡側完整且獨立的端到端網絡資源和業務服務，不一樣切片間的資源在邏輯上相對獨立，切片資源僅在相應切片內部可被調用並提供服務。

● 共享切片：指切片資源可供其餘不一樣的獨立切片共享調度和使用，以提供部分可共享的業務功能和服務，提升資源利用率。共享切片提供的功能能夠是端到端的，也能夠提供部分共享功能。

網絡切片的商業意義

傳統的電信運營商商業模式在 2G 是語音經營，3G 和 4G 是流量經營，4G 時代的流量經營已經走到盡頭，5G 須要全新的盈利模式和全新商業領域。這是新時代賦予 5G 的使命：打造一個端到端的生態系統，打造一個全移動和全鏈接的社會。

對於運營商來講，5G 最大的收入潛力就是網絡切片開發。基於網絡切片，運營商把業務範圍從傳統的管道（語音和數據）拓展到了萬物互聯，也將造成新的商業模式。從傳統的通訊提供商蛻變爲平臺提供商，經過網絡切片的運營，爲垂直行業提供實驗、部署和管理的平臺，甚至提供端到端的企業級服務，完成 ICT 一體化融合。

在切片的商業模式中，運營商的關鍵業務是向各個垂直行業銷售行業切片，據 GSMA 估計，到 2025 年運營商在網絡切片方面的收益將達到 3000 億美圓。

總的來講，運營商能夠在 5G 網絡中提供兩種形態的網絡切片，一種是運營商將網絡切片做爲網絡的內部實現，不對外呈現；另外一種是以 NSaaS（網絡切片即服務）業務方式提供給第三方。

● 做爲內部網絡時：運營商出於內部網絡優化等目的，部署網絡切片來爲客戶提供通訊服務。

● 做爲 NSaaS 時：以 NSaaS 產品的方式提供給第三方，行業客戶能夠經過開放的接口把網絡切片和本身的應用相結合，能夠自由地使用和管理切片網絡，實現更便捷的服務，更好地知足用戶的定製化需求。

網絡切片的底層支撐

網絡切片具備如下四個特性：

● 隔離性：不一樣的網絡切片之間互相隔離，一個切片的異常不會影響到其餘的切片。

● 虛擬化：網絡切片是在物理網絡上劃分出來的虛擬網絡。

● 按需定製：能夠根據不一樣的業務需求去自定義網絡切片的業務、功能、容量、服務質量與鏈接關係，還能夠按需進行切片的生命週期管理。

● 端到端：網絡切片是針對整個網絡而言，不只須要核心網，還要包括接入網、傳輸網、管理網絡等。

網絡切片的實現須要將物理網絡經過虛擬化技術分割爲多個相互獨立的虛擬網絡，每一個虛擬網絡被稱爲一個網絡切片，每一個網絡切片中的網絡功能能夠在定製化的裁剪後，經過動態的網絡功能編排造成一個完整的實例化的網絡架構。不一樣切片之間的業務互相隔離、互不干擾，能夠知足垂直行業應用無需獨立建設專用網 絡但能夠獨享網絡資源的需求。

網絡切片服務於特定的業務，經過爲不一樣的業務和通訊場景建立不一樣的網絡切片，使得網絡能夠根據不一樣的業務特徵採用不一樣的網絡架構和管理機制，包括合理的資源分配方式、控制管理機制和運營商策略，從而保證通訊場景中的性能需求，提升用戶體驗以及網絡資源的高效利用。顯然，傳統的黑盒設備是沒法擔當如此靈活的切片工做的，因此就須要 NFV 和 SDN 兩大技術支撐。

在 NFV 和 SDN 的技術架構下，這些資源能夠靈活調度，按需分配，網絡能夠動態地擴容或縮容，在知足需求的前提下，下降網絡建設和運營的成本。

● NFV（Network function virtualization，網絡功能虛擬化）提供靈活且統一的 VNF 運行資源調度與編排部署。詳情請瀏覽《數據中心網絡架構的問題與演進 — NFV》。

● SDN（Software Define Network，軟件定義網絡）提供可編程的智能化網絡拓撲。詳情請瀏覽《數據中心網絡架構的問題與演進 — SDN》

NFV 和 SDN 的關係，其實確實不大。兩個技術，不只實現原理不一樣，就連應用場景也不一樣。NFV 是一個典型的計算技術，SDN 是一個典型的網絡技術。二者之間的關係，就好像服務器和交換機之間的關係。放在 ISO 七層模型裏，NFV 是 4-7 層，SDN 是 2-3 層，區別也很大。

站在移動通訊的角度來看，NFV 主要應用於核心網和接入網，SDN 則主要應用於承載網，二者也是不一樣的領域。

SDN 是控制和轉發解耦，NFV 是軟件和硬件解耦。二者都是解耦，目的只有一個，就是靈活化。而靈活化的目的，就是服務於網絡切片。

雖然 NFV 和 SDN 沒有歸屬關係和依賴關係，但互補關係和合做關係仍是有的。例如，NFV 數據中心採用 SDN 以後，能夠有效改善 NFV 網絡的性能。此外，SDN 雖然是網絡設備採用，這些網絡設備其實也能夠像服務器同樣引入虛擬化。換句話說，虛擬化也不侷限於計算機。NFV 引領着將來的計算，SDN 表明着將來的網絡。

網絡切片的粒度

首先切片顆粒過粗的話，切片網絡的靈活性就會較差，差別化服務的需求將難以知足，切片顆粒過細（切片切割的隔離度越高），越容易實現差別化及獨立運營，可是會形成不一樣切片之間的動態管理和資源共享難度增長，對平臺、編排、管理等都是比較大的挑戰。所以必定要基於業務場景的實際需求來選擇切片的粒度，要合理地切分網絡資源，儘可能把同種類型的業務合併在一個切片裏面。

目前網絡切片粒度按網絡的隔離程度分爲 L0~L5 一共六級，在業務對網絡 QoS（服務質量）要求相對不高時，共用網絡資源（L5 粒度）會爲運營商帶來更高的成本效益。當須要高 QoS 業務保障需求後，須要逐步向 L0 粒度的切片策略演進，以得到更高的性能保障。

網絡切片的實現

網絡切片的實現依賴於不一樣切片的流量由不一樣的 PDU Session 進行處理的原理，從端到端的角度看，網絡切片能夠進一步細分爲：終端網絡、無線接入網絡，承載網絡，核心網絡幾個子切片。

● 無線接入網絡子切片：切片資源劃分和隔離，切片感知，切片選擇，移動性管理，每一個切片的 QoS 保障。

● 承載網絡子切片：基於 SDN 的統一管理，承載也能夠被抽象成資源池來進行靈活分配，從而切割成網絡切片。

● 核心網絡子切片：5G 核心網基於SBA 架構，核心網的微服務模塊就像搭積木同樣按需拼裝成網絡切片。

網絡切片的實現能夠分爲橫向和縱向兩個維度，縱向：無線接入，承載，核心網子切片完成各自的管理功能；橫向：由無線接入，承載，核心網子切片組成 eMBB、mMTC 和 uRLLC 三大端到端的網絡切片。縱向到底，橫向協同。

終端網絡切片

終端分爲單用途終端和多用途終端，單用途終端是感知不到切片的存在的，徹底由網絡側控制切片的選擇，而多用途終端則須要支撐應用數據到不一樣切片的映射。手機就是多用途類型終端，實際生活中每每須要根據業務類型接入到多個不一樣的切片之中。根據 3GPP R15 標準規範中的定義，雖然網絡能夠支持大量切片（數百個），但手機只能同時支持很少於 8 個切片。

**無線接入網絡切片

接入層協議棧的切分**

無線側基站分爲 CU（集中單元）和 DU（分佈單元）兩個單元，是 BBU 拆分開來的。解耦後的 CU 用於集中承載非實時業務，DU 則主要負責對實時業務的處理，所以能夠把跟時延相關性不大的功能上移到 CU，跟時延強相關的下放到 DU。像單向多播類業務就可讓這個切片功能最簡化，而低時延類業務能夠把 CU 裏的一些功能下沉到 DU。CU 集中、DU 分佈的架構能夠爲網絡切片提供良好的靈活性，能夠根據實際需求進行靈活地定製部署。

根據切片類型的不一樣，AAU、DU、CU 能夠靈活地對無線網側協議棧功能進行定製切分。

時頻資源的切分

無線時頻資源硬切：頻率、時間資源以固定的方式分配給每一個特定的切片，用戶可利用這些靜態的無線資源接入切片網絡，但這種方式不靈活，網絡的資源利用率不高。

無線時頻資源軟切：對頻譜資源來說，能夠獨立預留出一些資源給 URLLC 這種緊急性的業務使用，而後網絡切片的調度管理服務根據切片業務請求的實時到達狀況按需分配時頻資源，並確保各切片間的資源平衡分配，這種切分方式讓整個頻譜資源利用率大幅提高，不會形成資源的浪費。

承載網絡切片

承載網切片運用虛擬化技術，將網絡的鏈路、節點、端口等拓撲資源虛擬化，在傳輸硬件設施中切分出多個邏輯的虛擬傳輸子網，在物理網絡層構建虛擬子網層。虛擬網絡具備獨立的管理面、控制面和轉發面，各虛擬網絡之上可獨立支持各類業務，以此實現不一樣業務之間的隔離。承載網具備如下兩個特色：

● 數據平面硬管道隔離：每一個切面端到端硬管道隔離，不一樣的調度策略保證了不一樣切面的 SLA。

● 控制平面隔離（協議/拓撲信息/資源）：每一個切面都須要一個控制器來管理拓撲、資源和協議棧。

核心網絡切片

做爲承接運營商核心業務的網絡，核心網須要具有能夠根據不一樣的業務場景靈活調配和部署 NF 的能力，5G 核心網經過實現 SBA 這種高內聚、低耦合的架構，使核心網靈活、開放、易拓展，從而能夠知足 5G 網絡切片按需定製和動態部署的要求。例如：對於某些業務場景就能夠刪減掉一些不須要的 NF，從而提升網絡效率。下圖展現了物聯網水錶業務的切片功能裁剪選擇。

同時 5G 核心網還實現了 CUPS 網絡架構，運營商可根據業務的實際需求，選擇匹配的服務模塊進行集中式或分佈式部署。

網絡切片的編排管理

端到端的網絡切片涉及到了無線接入網、承載網和核心網等，在給網絡帶來靈活性的同時，也增長了管理的複雜性，各網絡設備由不一樣的設備廠商提供，切片的編排、部署和互通等方面都存在着必定的難度。所以須要智能化的管理，實現切片的端到端編排管理，端到端的網絡切片的管理和編排涉及到切片的生命週期管理，好比切片的設計、實例化、縮擴容、終止等。

運營商經過引入 DevOps 的理念和模式，讓開發和運營同步進行，能夠極大地提高切片運營的效率。DevOps 工做流取決於客戶的切片訂購和需求輸入，而後通過切片模型定義，切片設計，切片部署，切片監控，切片保障和切片運營這樣一個切片設計和運營的閉環，使 5G 網絡切片靈活高效運轉。

網絡切片的選擇

UE 對網絡切片的選擇涉及兩個關鍵過程，一個是 UE 註冊流程，一個是 PDU Session 創建流程。

在實際應用中，一個 UE 可能同時接入一個或多個網絡切片，當 UE 發起註冊流程時，接入網絡（gNB）根據 UE 請求攜帶的 NSSAI（Network Slice Selection Assistance Information，網絡切片選擇輔助信息）來選擇核心網絡子切片的入口 AMF。NSSAI 包括切片/業務的類型和切片區分標識（Slice Differentiator），這些信息能夠是標準定義的，也能夠是運營商自定義的。若是 UE 發起註冊時，請求沒有攜帶任何 NSSAI 信息，接入網將選擇默認的 AMF 提供服務。默認的 AMF 將根據運營商的策略和用戶簽約信息進一步選擇 Target AMF 提供服務。AMF 將與 AUSF 一同對 UE 進行鑑權，鑑權經過後，UE 成功註冊到網絡。UE 註冊成功後，AMF 將向 UE 提供被容許的 NSSAI 和臨時用戶標識（Temporary User ID），後續 UE 將攜帶這些信息接入網絡，網絡根據臨時用戶標識能夠獲得以前服務的 AMF 信息。

接下來，UE 能夠發起業務請求，創建 UE 和 AMF 之間的信令鏈接，鏈接過程當中或鏈接創建成功後，UE 和網絡之間能夠創建 PDU Session。在創建 PDU Session 的過程當中，AMF 應綜合簽約信息、本地策略以及 NSSAI 等信息選擇合適的 SMF，SMF 進行 PDU Session 的鑑權，爲 UE 分配 IP 地址，指定提供服務的 UPF 提供後續的用戶平面服務等。會話創建成功後，AMF 將保存 SMF 和終端的對應關係，SMF 也會保存 AMF 和終端識別的對應關係，以便後續的網絡交互。以上是 3GPP 網絡切片選擇、終端註冊、鏈接創建和會話創建的基本框架。

● 用戶開戶時，簽約數據中會包含用戶支持的切片信息（例如切片 A、B、C，其中 A 和 B 被標記爲 「default」，「default」 表示在終端不攜帶切片信息時，網絡側默認用戶支持接入的切片。UE 側存儲在 USIM 卡，網絡側存儲在 UDM）。

● 終端初次入網註冊時，不會在用戶面創建 QoS Flow，因此終端未攜帶切片信息，AMF 將本地配置的切片信息與從 UDM 獲取的用戶簽約數據中的切片信息進行匹配。

● 若是 AMF 本地配置的切片信息包含簽約的默認切片信息，則 AMF 判斷能夠爲終端提供對應切片服務，在註冊響應消息中攜帶用戶在當前網絡下可使用的切片 A、B。

● 若是 AMF 本地配置的切片信息中不包含簽約的默認切片信息，則 AMF 判斷自身不能爲終端提供對應切片服務，AMF 查詢 NSSF 獲取可提供切片服務的其餘 AMF 信息，NSSF 響應消息中攜帶爲終端分配的切片配置信息。Target AMF 在註冊響應消息中攜帶用戶在當前網絡下可使用的切片 A、B。

● 用戶激活業務時（例如，用戶打開一個 APP）纔會攜帶切片信息，終端會根據步驟 2 中的切片選擇策略，選擇對應的切片 ID（例如網絡切片 A）進行業務觸發，AMF 選擇切片 A 對應的 SMF 爲終端創建 PDU Session。