基于未来5G网络架构下网络切片概念的研究

北京邮电大学世纪学院 肖 健

基于未来5G网络架构下网络切片概念的研究

北京邮电大学世纪学院 肖 健

在即将到来的5G时代，网络切片作为一种新兴的网络概念被广泛探讨和研究。网络切片的主要功能是使不同切片相互隔离，确保每个切片不被其他切片中的拥塞而中断。本文主要介绍了未来5G网络架构下网络切片概念以及网络切片的实现。

5G网络架构；网络切片；资源隔离；物联网（IoT）

一、5G网络架构下的新概念

目前的网络架构属于一刀切的网络架构，而在未来的5G系统中，将满足新兴市场的需求，并且可以根据运营商及其用户终端的需求附属相应的功能及特点。一些最常用的有：被增强移动宽带（eMBB）和大规模机器类型通信（mMTC）以及超可靠和低延迟通信（uRLLC）。

在5G机构中网络切片作为一种新的概念将适用于可部署的下一代架构单个物理上的多个独立逻辑网络网络。 运营商和服务提供商被允许创建专门的网络切片接入管理方案满足多样化用户需求。网络切片理论上可使多个切片共享相同物理资源，可以想象其概念以动态的方式进项必要调整，使得利用资源更加有效，较之传统架构可减少更多的实施成本。在传统架构中，通常数据传输仅共同使用一个切片，一旦共享资源管理不当，例如资源过载或拥塞，可能对另一种正常的资源传输产生不利影响。所以多个切片之间的隔离是极其重要的。专用分区多个切片之间的资源可能是一个简单的解决方案，但是由于实际情况很难预测，部分资源的利用率低是不可避免的。因此，需要在两个隔离切片之间做出权衡和跨片段的有效资源利用。

二、网络切片概述

目前的4G移动网络主要是服务于移动手机，只能給手机做一些比较局限的优化。但是到了5G时代的无线移动网络就能服务各项类型和需求的。其中应用场景如：移动宽带、大规模的物联网、任务关键的物联网都需要不同的网络类型，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。在下文中，主要介绍的就是网络切片的提出和实现在网络切片中存在的问题。

2.1 网络切片的引出

5G时代必将来临，预计在2020年后将有数千亿计的物联网接入网络。到那时宽带将无处不在，并丰富人与人、物与物、人与物之间的通信需求。主要以运营商组成的MGMN联盟早在2015年3月初就已经发布了《NGMN 5G 白皮书》，其中定义了5G八大类24种典型场景，覆盖了现今业务的所有5G场景。

例如，连接宽带从50kbit/s～1Gbit/s，时延从1 ms 到秒级，每平方公里的连接数从200个到15万个，移动性从静止到缓慢及高速的500km/h。联系实际也可知道有些如自动驾驶、自动手术的要求是很高的，必须实现其时延最小化，传输速率极高化，这样才能确保工作运行无障碍，事故率低。但像视频娱乐那样的传输，对于可靠性要求并不完全那么严格。

如果每个运营公司都要为每个类别的业务需求建立一个网络来满足其传输, 网络成本必将超出预算。当然,与之不同的也可以使所有不同类型的服务都是在相同的网络和基本设备上承载的, 但是要实现这个计划并非想象中的那么简单，其中有许多阻碍因素。

人类社会在发展，科技同样在进步。最新的有关于网络功能虚拟技术研究表明，在未来5G的网络架构下，在同样的物理基础设备上利用网络功能虚拟化技术通过编排和管理，使每种业务都分配到相匹配的虚拟专用资源。对于这些业务本身来说，分配的资源将是独有无竞争的且与其他业务之间是相互隔离状态的。这将充分地提高了网络规模效应和物理资源使用率，降低了网络配置的成本。其主要规模课分为：智能手机切片，以部署和分布在整个网络成熟的网络功能，即可实现典型的智能手机使用的5G切片；车辆自动驾驶切片，以安全可靠的时延作为基准；IOT型切片。其主要是运用在大型设备中。当然，网络切片技术绝不仅限于这几类切片，它的实现是非常灵活，运营商可以随心所欲的根据应用场景定制自己的虚拟网络。

2.2 网络切片的实现

4G网络是目前主要终端设备（包括数字单元（DU）和一个射频单元（RU）），蜂窝电话网络，核心网络设备供应商是无线电接入网络的一部分，使用一个特殊的装置。在网络经过功能虚拟化后，无线接入网部分叫边缘云（Edge Cloud），而核心网部分叫核心云（Core Cloud）。边缘云中的VMs和核心云中的VMs，通过SDN（软件定义网络）互联互通。根据其上分析，就能执行切片了，这就像切面包一样把虚拟子网络切成片，即网络切片。

（一）高清视频切片：将原始网络中局部核心网功能和DU被虚拟化后，再加上存储服务器后一并放入边缘云。核心云再取代其他功能。

（二）手机切片：边缘云将原来被虚拟化的无线接入数字单元收纳，其中也包括了IMS。

（三）海量物联网切片：因为很大部分的传感器是静止的，所以并不需要迁移性管理，这项切片相对其他简单些。

（四）任务关键性物联网切片：因为其对时延要求高，所以为了缩短时延，原网络的其他的相关服务器和核心网功能都下降到了边缘云。

与前面提到的资源分类一样，实际分类中的这些切片技术并不局限于此，而来之人们的需求，实现方便功能效益。

2.3 网路切片在实现中存在的问题

从前面的介绍可以看出网络切片的实现理论上讲逻辑是简单的，但在实际中并非如此。再此谨列出具有代表性的四个实际问题：

（1）网络切片之间的资源很难做到有效的隔离。在传统网络技术中，实施网络虚拟技术在一个基础设施上分割多个网络切片来运行。切片上的通信流量在传输过程中很难不影响到另一个切片的网络业务，切片间的资源处理优先级又是一个很大的问题，在现有的IP技术的大背景下设置比较复杂。

（2）切片类型的归类复杂。由于5G应用种类巨大，这就需要建设海量的差异性业务分组，在现有的软硬件设备并不能使其更好的鲜明归类。

（3）网络切片的管理。其中涉及到学科交叉类型管理及一般性质的周期如创立、激活、释放、退出等，还有系组的安全和计费以及QoS的策略保障等等。

（4）网络切片面向不同的用户及商业模式使切片粒度大小难以把控。其中IP承载域、数据中心域及各自组成的域单独成立在各个场景中较难协同。

2.4 总结

在工作和生活中，网络无处无在。我们日常使用的手机有3G网络，随着4G网络设施的建立，其用户量也在逐渐增多。而网络终端占大部比的便是智能手机。可想而知，随着无线网络技术的改革和创新，5G离我们也并非那么遥远。根据全球互联网大会的内容表明，接下来的改变，将是跨时代的——The Next Big Thing，无物不连的时代（物联网）。将有大量的不同领域的工业类型的应用设备接入无线网络，这将彻底改变我们原有的生活。这项技术的第一步策略便是网络切片。虽然网络切片在理论上的实施相对存在一些问题，但它作为一个机体、一个架构，这项架构也是指日可待。

三、结束语

在以上提出的网络切片技术虽然在目前LTE架构下的技术支持无法实现，但却給未来网络结构中的网络切片概念奠定了良好的理论基础。相信在不久的将来，随着技术的革新，5G网络架构的全面普及，这项理论研究能够更好地应用到系统中去使数据传输畅通无阻，实现全网物联的暂新的一个时代——物联网时代。