5G端到端切片技术实现探讨

伍 嘉，王志会，刘凡栋，尼松涛（.中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司，河南郑州 450007；.中国联合网络通信集团有限公司，北京 00033）

1 5G切片技术背景

伴随着移动通信网络的飞速发展，各种依赖于移动网络的新兴业务及应用如雨后春笋般涌现出来。网络直播、智能穿戴、传感器远程监控等早已融入社会的各个角落，出现在几乎每个人的生活中。4K/8K直播、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）以及各种垂直行业应用如云游戏、远程医疗、车联网等业务对移动网络带宽、时延、可靠性等要求严苛，4G网络技术已无法满足这些需求。而5G网络部署商用，则为这些新兴业务提供了有力的保障。

作为5G 网络的关键技术之一，网络切片（Network Slicing）技术允许在同一物理网络内，按需隔离出若干张逻辑隔离的虚拟专网，每个逻辑隔离的虚拟专网即网络切片。网络切片可提供特定网络能力和特性，通过网络切片技术加持，可以实现业务需求和网络资源的灵活匹配，基于一张物理网络虚拟出多张满足不同业务应用场景差异化需求的5G切片网络，并能充分共享物理网络资源。

切片概念最先由运营商联盟NGMN 提出，标准化工作主要由3GPP 完成，GSMA 制定了通用切片模板GST（Generic Network Slice Template）［1］，目前切片vendor 国内主要有华为、中兴，海外则主要为爱立信。5G网络切片的定义如表1所示。

表1 5G网络切片的定义

5G 网络切片能够为不同垂直行业提供差异化、相互隔离、功能和容量可定制的网络服务，实现客户化定制的网络切片的设计、部署和运维，功能场景和设计方案可进行独立裁剪。同时，网络切片能够保证业务的端到端服务等级协议（SLA——Service Level Agreement），具备性能可保障性。

2 5G网络切片关键实现技术

由于不同行业对5G网络的时延、移动性、覆盖、可靠性、速率、连接密度、连接成本等特性需求不同，这些差异化业务需求可以归结为以下3 类：网络性能需求、安全可靠性需求、网络自运维需求。

a）网络性能需求：网络的上行、下行、吞吐率、时延、移动性、覆盖概率。

b）安全可靠性需求：可用性、可快速恢复、安全、可隔离。

c）网络自运维需求：用户ID 管理、鉴权认证、位置、话单、计费、会话、业务感知。

网络自运维需求与运营商对切片管理能力强相关，将在下一章节进行详细分析。前两点业务需求属于由网络技术直接实现保障的需求。

一个端到端网络切片的实现，需要终端、无线网、承载网、核心网等多个领域共同协作执行，通过若干个子切片网络的搭建，最终构建起端到端的网络切片，如图1所示。这其中，不同领域又对切片有着不同的技术方案与实现形式要求。基于不同的技术手段，差异化的业务需求得以在同一组网络中实现。

2.1 终端切片实现技术与要求

图1 端到端网络切片组成示意图

为了能够顺利接入一个5G 网络切片，UE 首先应满足以下网络切片相关功能要求。

a）具备同时接入至少2个网络切片的能力。

b）支持网络切片选择功能，支持在RRC层和NAS层携带网络切片选择辅助信息标识（NSSAI——Network Slicing Selection Assistant Information）。

c）支持存储并识别网络下发的UE 路由选择策略（URSP），并根据URSP 规则进行切片选择，其中必须支持以DNN 进行网络切片选择，但更推荐支持基于IP三元组、APP ID、FQDN 完成业务和对应S-NSSAI 的绑定，对PDU会话进行相应配置。

其中，URSP 策略是配置在核心网策略控制功能（PCF——Policy Control Function）内，用于发送给终端的OTT 应用网络选择的策略信息，其作用是在网络侧控制不同业务流激活到不同的网络切片，最终实现业务分流。图2 所示的是基于URSP 策略的切片选择逻辑。

2.2 无线切片实现技术与要求

无线子切片是E2E 网络切片的子切片。由一组配置规则和切片ID 的映射，通过调度和不同的L1/L2配置来完成切片所支持的网络服务。

无线子切片技术的核心有3点：

a）服务质量（QoS）。即核心网针对不同用户配置差异化QoS，整体规划，无线侧按配置实现切片内、切片间的QoS差异化调度。

b）划分切片组。确定切片组及用户群组，根据分组划分小区资源。

图2 基于URSP策略的切片选择过程

图3 无线子切片实例与核心网子切片关系

无线子切片可以被专享，即一个无线子切片对应于一个核心网切片；也可以被共享，即一个无线子切片对应于多个核心网切片。核心网切片的数量可以很多，但是受限于资源等因素无线子切片数量有限，具有类似无线特性的切片可以共享一个无线子切片，如图3所示。

在无线子切片的实现上，目前主要有3 种方案。分别是基于QoS 的无线软切片实现方案；基于PRB 分配的无线软切片实现方案和基于空口资源分配的无线硬切片实现方案。作为实现基础，基于QoS的实现方案，使无线侧不仅可以支持如图4 所示的不同切片间QoS 差异化调度，还要可支持切片内的QoS差异化，即在一个切片内支持不同QoS。

图4 基于QoS的切片间差异化调度

QoS 是针对单个承载/Flow 的优先级，切片是针对一组承载/Flow 的资源保证。同一切片的不同业务可以有不同的QoS，按照QoS 区分优先级。基于此，无线子切片可根据SLA，对切片中各承载的PDCP、RLC、MAC 参数配置和调整，还可为不同切片的相同5QI 业务配置优先级差异化权值，实现相同5QI 不同业务的差异化处理终端。

此外，在传统优先级调度算法基础上，还增加了针对切片级带宽维度的保障实现，在调度时，如果某切片的带宽未达到门限，则进行优先调度。基于QoS的切片带宽保障如图5所示。

图5 基于QoS的切片带宽保障

基于PRB分配的实现方案的基础是，5G空口频谱资源从时、频、空域等多个维度划分为不同的资源块（PRB）。将不同用户的数据承载（DRB）映射到不同的RB 上，即可实现各切片所需的PRB 按频域（BWP）或按照PRB 资源百分比进行切分调度，基于PRB 分配的无线子切片实现如图6所示。

图6 基于PRB分配的无线子切片实现

基于空口资源分配的无线子切片方案可以做到空口资源的绝对隔离保障，但频谱资源的利用效率降低，因此不适合大规模应用，可在一些小范围特定场景下的局部区域应用。

2.3 承载切片实现技术与要求

承载网可根据业务需求，在同一张物理网络上进行资源分割形成多个虚拟网络（切片网络）。不同切片网络对应的网络资源具有隔离性。

针对承载网子切片的隔离度要求，主要有VPN 技术和端口级FlexE技术两大技术实现。

对话、反思、质疑——埃弗雷特的小说创作研究 …………………………………………………… 王玉括（5.92）

a）VPN 技术。作为一项成熟技术，VPN 提供“弹性”隔离通道，不同的业务采用不同的VPN 提供业务层面的逻辑隔离，特点是不同业务之间共同占用带宽。但由于VPN 本身并不提供差异化的保障能力，因此单一个VPN 技术应用会存在业务间抢占问题。不过通过部署QoS，依然可以解决这类问题。

b）端口级FlexE 技术。端口级FlexE 技术是业界主流方案，其遵从OIF2.1 标准。FlexE 既是硬隔离技术，又是差异化技术。灵活以太网基于Client/Group 架构，可以支持任意多个不同子接口速率在任意一组的PHY上映射和传输。FlexE技术模型如图7所示。

图7 FlexE技术模型

在承载子切片的差异化方面，目前主要有QoS、FlexE等技术。

其中，QoS 作为差异化调度技术，通过流量管理和差异化调度，满足不同业务的诉求，同时最大化统计复用。通过DSCP/802.1P 的优先级标识传递，可以实现跨专业域的QoS质量保障需求一致。通常现网采用单级QoS 部署方案（非HQoS），可调度8 个队列，每个队列中均是多个业务共享。单级QoS 部署方案如图8所示。

图8 单级QoS部署方案

而利用FlexE 技术，可以提供队列和接口的物理资源隔离，从而实现基于业务诉求提供灵活的资源。

2.4 核心网切片实现技术与要求

针对不同的切片隔离需求，核心网通过网元的编排，实现共享切片和独享切片2种部署形式。

a）共享切片。核心网共享切片分为完全共享和部分共享2种形式。

（a）完全共享。即一整套核心网网元所组成的切片实例被多个切片所共享。在完全共享切片内，网络可以通过QoS来实现不同切片间的差异化调度。

（b）部分共享。部分共享形式则可根据切片用户的实际需求，由用户独享部分网元，如SMF、UPF 等网元，并通过网元的下沉部署，实现诸如数据不出园区或低时延等特定的需求。

b）独享切片。核心网独享切片则有某一切片用户完全独享全部核心网网元，或对于更加严苛的需求，可独享全部核心网物理资源，来实现完全的隔离，具备极高的安全性。但核心网独享切片的成本较高，一般只适合有极高隔离需求，并且对成本不敏感的少数客户群体。

核心网切片的实现形式如图9所示。

图9 核心网切片实现方案

3 5G切片行业应用展望

5G 网络切片在技术层面相比垂直专网具有明显优势，应用潜力巨大。然而5G 刚刚起步，SA 网络建设、终端操作系统的支持、终端模组的成熟和顶层应用的发展尚需时日，切片网络发展需要经历一个相对较长的过程。对于未来5G网络切片发展的几个阶段，预测如下：

在5G 商用初期（2019 年—2020 年），限于技术标准的完善程度及跨厂商跨域设备互通能力，运营商主要基于eMBB 的网络切片业务服务，满足2B2C 的云游戏、2B 的视频直播、移动监控等市场对移动高速互联网专线接入服务的要求。

2021 年到2022 年，随着终端逐渐成熟，应用日趋丰富，云AR/VR有望在2021年后为5G带来收入。

2022 年以后，uRLLC 将成为5G 全新的业务收入点，市场空间大，特别是车联网有移动性、低时延、大带宽等典型需求；但产业成熟度低，处于培育阶段。mMTC 很长时间需依靠NB-IoT/e-MTC（到2022 年前后），做好4G IOT是5G物联网关键的一步，mMTC作为远期布局。

作为一个新生的网络运营模式，5G 网络切片是电信业的美好愿景，在实现和落地上有几个关键问题需要长期贯彻。

首先，5G 网络切片要让客户拥有良好的体验，避免给客户定制网络带来理解上和运营维护上的困扰。运营商需在合作中不断探索理解客户的业务需求和可行的收益模式。

其次，5G 网络切片将一张网络虚拟成N张逻辑网络，需要在成本侧具备明显的竞争力，从而挑战乃至颠覆原有的专网专用商业模式。目前实现技术太复杂，涉及复杂的资源管理，这些都可能会成为发展的阻力。

再次，5G 网络建设周期长，5G 网络切片也需要不断增添专业性的垂直行业解决方案及应用能力，不断满足特定行业的切片需求，例如车联网、工业互联网等。