移动边缘计算中的网络切片技术研究

程卓

摘要：移动边缘计算（MEC）和网络切片技术正在改变移动通信技术。MEC将计算和存储资源推至网络边缘，以实现低延迟的移动应用，而网络切片则允许网络按需定制以满足各种应用需求。文章研究了网络切片技术，包括设计、实施和性能评估满足未来智能、高效的移动网络架构的需求。

关键词：移动边缘计算；网络切片技术；5G通信

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.008

中图分类号：N 929.5          文献标志码：A           文章编码：1672-7274（2024）03-00-03

网络切片是一种网络资源虚拟化技术，允许将单一物理网络划分为多个独立的逻辑网络，每个网络切片可以根据具体应用的需求进行定制[1]。这种创新性的网络划分方法为不同类型的应用提供了高度个性化的网络服务，无论是要求极低延迟的智能交通系统、要求高带宽的工业自动化应用，还是对安全性要求极高的医疗保健系统，都可以通过网络切片实现[2]。因此，网络切片不仅满足了不同应用的需求，还提供了一种资源管理的有效方式，有望加速5G和MEC的广泛应用。

本文研究在移动边缘计算环境中的网络切片技术，强调其在满足多样化应用需求和优化资源利用方面的重要性。依次探讨网络切片的设计和实施过程，分析其性能评估方法，并提供实际应用案例以展示其潜力。此外，还讨论了在MEC中实施网络切片所面临的挑战，并展望未来的研究方向，以期望推动这一领域的发展。

1   网络切片设计需求

1.1 满足不同应用和服务需求

网络切片设计的核心目标之一是满足不同应用和服务的特定需求，包括但不限于智能城市、工业自动化、医疗保健、虚拟现实、物联网等领域[3]。设计网络切片时，需要深入了解每种应用的特性。

（1）带宽需求：某些应用需要大量带宽，如高清视频流，而部分应用仅需要较低的带宽，如传感器数据。

（2）延迟敏感性：实时应用（如智能交通系统）要求极低的延迟，而其他应用（如批处理数据分析）可以容忍更高的延迟。

（3）可靠性：一些应用需要高度可靠的连接，以确保数据不会丢失或中断，如远程手术，而另一些应用对可靠性的要求则可以更宽松一些。

1.2 关键属性需求

（1）带宽分配：对于每个网络切片，确定分配的带宽量，高带宽切片可能需要更多的物理资源来支持。

（2）延迟管理：通过优化网络拓扑、路由选择和边缘计算节点的部署来降低延迟，可以使用边缘缓存和边缘计算来加速数据处理。

（3）可靠性和安全性：确保网络切片的数据传输是安全的，且具备可恢复性，使用加密和备份机制来提高可靠性。

（4）资源管理：确保资源分配和释放是有效的，以便网络切片能够在需要时获得足够的计算和存储资源。

1.3 关键参数和策略

（1）网络拓扑：选择合适的网络拓扑结构，以确保数据在网络中的快速传输。这可能涉及边缘节点、基站、云数据中心等的部署。

（2）QoS（服務质量）策略：为不同的网络切片定义特定的QoS策略，以确保在网络拥塞或高负载时按优先级顺序处理流量。

（3）自动化和编排：使用自动化工具和编排技术，以便快速创建、管理和维护网络切片，以适应应用需求的变化。

（4）监控和管理：实施监控系统，以实时跟踪网络切片的性能，及时发现问题并采取措施。

（5）成本效益：考虑网络切片设计对资源成本的影响，以确保设计是可持续的并且符合预算。

网络切片设计的成功标志在于平衡不同应用需求之间的关系，并采用适当的参数和策略来优化性能。这涉及深入的计划、资源管理和技术选择，以确保网络切片能够实现其设计目标并为不同行业带来高效的移动边缘计算服务。

2   网络切片实施

2.1 网络切片的实际部署过程

（1）需求分析：在部署之前，需要明确定义网络切片的需求，包括带宽、延迟、可靠性等方面的指标。

（2）硬件和设备配置：根据网络切片需求，选择合适的硬件设备，包括边缘计算节点、交换机、路由器等。这些设备应具备足够的计算和存储能力。

（3）网络拓扑设计：基于需求和硬件配置，设计网络拓扑结构，确定数据流的路径以最小化延迟，并确保网络切片能够顺畅运行。

（4）软件配置和虚拟化：部署虚拟化技术，将物理资源虚拟化为多个网络切片，并配置各个切片的参数，如带宽、QoS策略等。

（5）安全性和隔离：实施安全措施，确保不同网络切片之间的隔离，以防止横向攻击或干扰。

（6）测试和验证：在应用于生产环境之前，进行网络切片的测试和验证，确保各项性能符合预期。

（7）监控和管理：部署监控系统，以实时监测网络切片的性能，及时发现和解决问题。

2.2 MEC中网络切片的硬件和软件要求

MEC中的网络切片需要特定的硬件和软件支持，以满足不同应用需求。

（1）边缘计算节点：边缘计算服务器需要具备高性能的处理器和足够的内存，以支持计算密集型任务。此外，它们还需要连接到高速网络以实现快速数据传输。

（2）网络设备：交换机和路由器需要支持网络切片功能，能够根据QoS策略和带宽要求进行数据流的调度和控制。

（3）虚拟化平台：软件虚拟化平台和容器化技术是实现网络切片的关键组成部分，它们允许将物理资源虚拟化为多个逻辑网络切片。

（4）SDN控制器：软件定义网络（SDN）控制器用于动态配置网络切片，根据需求调整网络资源分配。

2.3 网络切片的自动化管理

网络切片的自动化管理和编排工具对于快速创建、配置和管理网络切片至关重要。Orchestration（编排）是移动边缘计算（MEC）和网络切片技术中的关键概念之一，指的是自动化管理和协调各种资源和任务以实现特定目标的过程。在网络切片的背景下，编排用于创建、配置、管理和优化网络切片。

编排允许管理员或系统自动创建和配置网络切片，根据特定应用或服务的需求分配资源，包括计算、存储和带宽。这确保了网络切片按照预期方式运行。编排负责监控和管理网络切片所需的物理和虚拟资源。这包括分配、重新分配和回收资源以满足不同网络切片的需求。编排可以管理网络切片的服务质量（QoS），根据应用需求动态调整带宽、延迟和可靠性参数。这确保了各个切片在网络中享有适当的资源和性能。编排可以实施自动故障检测和恢复机制，以确保网络切片在面临网络问题或硬件故障时能够快速恢复或切换到备用资源。

编排负责实施安全策略和隔离机制，确保不同网络切片之间的安全性，并防止横向攻击或干扰。编排系统通常包括监控和分析工具，以实时监测网络切片的性能和状态，并提供有关优化和改进的数据。编排的主要目标之一是自动化。它可以通过自动执行编排策略和工作流程来简化网络切片的创建和管理，减少了人工干预的需求。编排可以根据网络负载和需求情况，实施资源调度和优化策略，以确保网络切片的高效利用和性能优化。

网络切片的成功实施需要仔细考虑硬件、软件、自动化工具和流程。只有在这些因素协同工作的情况下，才能有效地满足不同应用和服务的需求，实现高性能、高可用性的网络切片。

3   网络切片性能评估

3.1 性能评估方法

针对网络切片可使用多种方法来评估其性能。

（1）实验测试：进行实际的测试和测量，以获取网络切片在真实环境中的性能数据。如在实验网络中模拟不同应用负载和流量模式，以测量吞吐量、延迟和数据包丢失率等性能指标。

（2）模拟器和仿真：使用网络仿真工具或模拟器来模拟网络切片的行为，以评估其在不同负载和配置条件下的表现。这可以用于预测网络切片在生产环境中的性能。

（3）基准测试：制定性能基准，以比较网络切片的实际性能与预期性能之间的差距。基准测试可以帮助发现潜在的性能瓶颈和问题。

（4）模型和分析：基于数学模型和分析技术，评估网络切片的性能潜力和极限。这种方法可以用于优化网络切片配置和资源分配。

3.2 性能指标

网络切片的性能可以通过多种指标来评估，这些指标可根据应用需求进行选择。

（1）吞吐量（Throughput）：衡量网络切片能够处理的数据流量值，通常以每秒传输的数据量（比特/秒或数据包/秒）来表示。

（2）延迟（Latency）：衡量数据从发送端到接收端的传输延迟时间。延迟通常以毫秒（ms）为单位表示。

（3）数据包丢失率（Packet Loss Rate）：评估网络切片中数据包丢失的程度，通常以百分比表示。

（4）资源利用率（Resource Utilization）：衡量网络切片使用的计算、存储和带宽资源的利用率。可以将其分解为CPU利用率、内存利用率、带宽利用率等。

（5）QoS（服务质量）：衡量网络切片提供的服务质量，包括对延迟、带宽和可靠性的符合程度。

3.3 性能评估的实际案例和方法

以下是一些实际案例和方法，用于网络切片性能评估。

（1）视频流切片性能评估：对于视频流应用，可以评估网络切片的吞吐量和延迟，以确保实时视频传输不受中断。

（2）工业自动化网络切片评估：在工业自动化环境中，网络切片的性能可以通过模拟多个传感器和控制设备之间的通信来测试。吞吐量和延迟是关键性能指标。

（3）医疗保健应用评估：对于远程医疗保健应用，需要评估网络切片的可靠性和安全性。延迟和QoS也至关重要，以确保远程手术和诊断过程的实时性。

（4）物联网（IoT）网络切片评估：针对IoT应用，需要考虑大规模设备的连接和数据传输。网络切片的资源利用率和QoS对于处理IoT数据流至关重要。

性能评估的实际案例通常涉及创建模拟环境、测量性能指标、分析结果并进行优化。不同应用领域的性能需求各不相同，因此性能评估应根据具体情况进行定制。通过综合考虑各种方法和指標，可以确保网络切片在实际应用中的性能水平。

4   结束语

网络切片作为移动边缘计算（MEC）的关键技术之一，为实现多样化的应用和服务提供了高度灵活和可定制的网络资源。本文阐述了网络切片的设计、实施和性能评估，强调了其在满足不同应用需求和优化资源利用方面的重要性。通过设计网络切片，可以根据各种应用的要求，定制化网络服务，包括带宽、延迟、可靠性等方面的特性。这为智能城市、工业自动化、医疗保健、虚拟现实、物联网等各个领域提供了高度个性化的解决方案。在网络切片的实施方面，强调了硬件和软件的重要性，以支持网络切片的运行。边缘计算节点、网络设备、虚拟化平台和SDN控制器等都起到关键作用，确保网络切片的高性能和可用性。性能评估是网络切片部署的重要环节，相关性能指标包括吞吐量、延迟、数据包丢失率、资源利用率和QoS。

总之，网络切片技术为MEC提供了强大的工具，可以满足多样化应用的需求，并优化资源利用。通过综合考虑设计、实施和性能评估，能够更好地理解网络切片的潜力，为未来智能、高效的移动网络架构提供有力支持。移动通信的未来已不再仅仅是连接，而是为各种领域的新兴应用带来了无限可能，网络切片将在其中扮演关键的角色。

参考文献

[1] 王笃炎，陈华旺，邢剑卿，等．5G终端多切片技术研究和实践[J]．数据通信，2023（1）：1-4.

[2] 王家成．基于“IPv6+”的5G承载网切片技术与应用[J]．长江信息通信，2022（11）：205-207.

[3] 胡煜华，蔡月清，黎越，等．5G网络无线切片技术研究[J]．江苏通信，2022（4）：15-18，28.