【摘 ?要】為探討5G網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用，首先介紹了5G網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)管理與編排的基本概念，然后分析了5G網(wǎng)絡(luò)切片如何滿足垂直行業(yè)多樣性需求，最后以自動(dòng)駕駛和工業(yè)4.0為例，闡述5G網(wǎng)絡(luò)切片對(duì)垂直行業(yè)應(yīng)用的支持。

【關(guān)鍵詞】網(wǎng)絡(luò)切片;編排與管理;網(wǎng)絡(luò)切片用例

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.12.005 ? ? ?中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-1010（2019）12-0027-05

引用格式：于佳. 5G網(wǎng)絡(luò)切片及其應(yīng)用[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（12）： 27-31.

5G Network Slicing and Its Applications

YU Jia

（Guangdong Southern Planning & Designing Institute of Telecom Co.， Ltd.， Shenzhen 518038， China）

[Abstract]?To discuss the applications of 5G network slicing， this paper first introduces the architecture of 5G network slicing， as well as network orchestration and management; and then analyzes how the capability of 5G network slicing can meet the diverse demands of vertical industry. Finally， using automatic drive and industry 4.0 as examples， this paper shows the support of 5G network slicing to vertical applications.

[Key words]network slicing; orchestration and management; NS use case

0 ? 引言

5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)滿足高度移動(dòng)和全面連接社會(huì)的要求。隨之帶來(lái)的連接對(duì)象和設(shè)備總量的激增，將會(huì)為各種新型服務(wù)和相關(guān)業(yè)務(wù)模式鋪平道路，從而在能源、電子醫(yī)療、智能城市、聯(lián)網(wǎng)汽車、工業(yè)制造等各行各業(yè)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。除了更普遍的以人為中心的應(yīng)用（如虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，4k視頻流等），5G網(wǎng)絡(luò)還將支持機(jī)器對(duì)機(jī)器（Machine-to-Machine，M2M）和機(jī)器對(duì)人類（Machine-to-Human，M2H）應(yīng)用的通信需求，將會(huì)為人類生活帶來(lái)更多的安全和方便。與現(xiàn)存的人與人之間的通信相比，自動(dòng)通信的設(shè)備之間創(chuàng)建的移動(dòng)數(shù)據(jù)必將具有明顯不同的特征。人類中心和機(jī)器類型應(yīng)用的共存要求5G網(wǎng)絡(luò)必須支持非常多樣化的功能，并滿足多維度的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）。

為了滿足上述需求，需要5G網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)具有極大的靈活性。因此3GPP在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)中引入了網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，通過(guò)向運(yùn)營(yíng)商提供“面向客戶”的按需網(wǎng)絡(luò)切片功能來(lái)滿足垂直行業(yè)對(duì)專用電信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的多樣性需求。

本文首先介紹了5G網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)，然后介紹了5G網(wǎng)絡(luò)切片編排與管理的核心概念，最后，在此基礎(chǔ)上分析了5G網(wǎng)絡(luò)切片對(duì)垂直行業(yè)的支持，并介紹了兩中典型用例。

1 ? 5G網(wǎng)絡(luò)切片

1.1 ?5G網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)（如4G）在相同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（4G網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)LTE/EPC架構(gòu)）上托管有限的幾種電信服務(wù)，如移動(dòng)寬帶、語(yǔ)音和短信。與此不同，網(wǎng)絡(luò)切片旨在根據(jù)eMBB、V2X、uRLLC、mMTC等不同業(yè)務(wù)類型的特點(diǎn)構(gòu)建定制化的專屬邏輯網(wǎng)絡(luò)。此外，傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)采用硬件、軟件和功能緊密耦合的單片網(wǎng)元。相比之下，5G架構(gòu)通過(guò)利用不同的資源抽象技術(shù)將基于軟件的網(wǎng)絡(luò)功能與底層基礎(chǔ)設(shè)施資源分離。例如，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）等軟件化技術(shù)可對(duì)波分復(fù)用技術(shù)（WDM）或無(wú)線資源調(diào)度等眾所周知的資源共享技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充。NFV和SDN允許不同的租戶共享相同的通用硬件設(shè)施，例如COTS（Commercial Off The Shelf Servers）服務(wù)器。這些技術(shù)可以在公共共享基礎(chǔ)設(shè)施之上構(gòu)建完全解耦的端到端邏輯網(wǎng)絡(luò)。

在3GPP 5G系統(tǒng)架構(gòu)的范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)切片指的是3GPP定義的網(wǎng)絡(luò)特征和功能的集合，這些特征和功能能夠形成完整PLMN，可用于向用戶提供端到端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。運(yùn)營(yíng)商可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在共享的基礎(chǔ)設(shè)施上構(gòu)建多個(gè)邏輯上相互獨(dú)立的PLMN，其中每個(gè)PLMN針對(duì)其服務(wù)的用戶集群或業(yè)務(wù)客戶的訴求對(duì)所需的網(wǎng)絡(luò)特征、能力和服務(wù)等進(jìn)行實(shí)例化，從而實(shí)現(xiàn)PLMN的定制化配置。圖1表示了一個(gè)PLMN內(nèi)部署4個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片的示例，其中每個(gè)切片都包含了形成完整PLMN所需的全部?jī)?nèi)容。網(wǎng)絡(luò)切片#1和切片#2都用于智能手機(jī)服務(wù)，這表明運(yùn)營(yíng)商可以部署具有完全相同系統(tǒng)特征、能力和服務(wù)的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，但是分別針對(duì)不同的業(yè)務(wù)分組，每個(gè)切片可能在用戶接入數(shù)量和數(shù)據(jù)容量上有所不同。切片#3和切片#4表明，可以在所提供的系統(tǒng)特征、能力和服務(wù)上對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片之間進(jìn)行區(qū)分。例如，M2M網(wǎng)絡(luò)切片（切片#4）可以提供適用于物聯(lián)網(wǎng)的終端省電功能，但這一功能必然會(huì)導(dǎo)致較大的延遲，這對(duì)于智能手機(jī)應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不可接受的。

圖1 ? ?網(wǎng)絡(luò)切片部署舉例

圖2展示了3GPP網(wǎng)絡(luò)切片的更多細(xì)節(jié)。在圖中，網(wǎng)絡(luò)切片#3屬于直接部署，其中所有網(wǎng)絡(luò)功能僅服務(wù)于單個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)切片#1和切片#2說(shuō)明了一個(gè)用戶終端如何從多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片接收服務(wù)。在這樣的部署中，AMF、相關(guān)策略控制（PCF）和網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)存儲(chǔ)庫(kù)（NRF）被多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片共用。這是因?yàn)槊總€(gè)用戶終端僅維護(hù)一個(gè)訪問(wèn)控制和移動(dòng)性管理實(shí)例，該實(shí)例負(fù)責(zé)用戶終端的所有服務(wù)。用戶終端可以通過(guò)多個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)切片獲得用戶面服務(wù)（特別是數(shù)據(jù)服務(wù)）。圖中的切片#1為用戶終端提供來(lái)自數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)#1的數(shù)據(jù)服務(wù)，而切片#2提供來(lái)自數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)#2的數(shù)據(jù)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)不同的QoS數(shù)據(jù)服務(wù)或者不同的應(yīng)用功能等定制每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，網(wǎng)絡(luò)切片的具體特性和能力由策略控制框架確定。

1.2 ?網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例

網(wǎng)絡(luò)切片是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例（NSI， Network Slice Instances）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。NSI中接入網(wǎng)、核心網(wǎng)和傳輸?shù)炔煌M成部分又被分為網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)實(shí)例（NSSI， Network Slice Subnet Instance），其中NSSI的生命周期可獨(dú)立于NSI。圖3提供了一個(gè)由多個(gè)NSI提供不同通信服務(wù)實(shí)例的示例。圖中說(shuō)明一個(gè)NSI可以為多個(gè)服務(wù)示例提供支撐，如NSI A可同時(shí)服務(wù)于通信服務(wù)實(shí)例1和通信服務(wù)實(shí)例2;反過(guò)來(lái)，一個(gè)服務(wù)實(shí)例也可以接收多個(gè)NSI的服務(wù)，如通信服務(wù)實(shí)例2接收來(lái)自NSI A和NSI B的服務(wù)。

圖3 ? ?多個(gè)NSI提供不同通信服務(wù)實(shí)例示例

2 ? 5G網(wǎng)絡(luò)切片編排與管理

針對(duì)虛擬化的基礎(chǔ)設(shè)施，5G網(wǎng)絡(luò)允許切片實(shí)例在支撐該切片實(shí)例的基礎(chǔ)設(shè)施資源上運(yùn)營(yíng)。租戶（指切片實(shí)例的所有者）可以像操作物理基礎(chǔ)設(shè)施資源一樣對(duì)其虛擬基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行操作，可將部分資源分配和轉(zhuǎn)售給其他租戶。這意味著，每個(gè)租戶可以擁有和部署自己的管理和編排（MANO， Management and Orchestration）系統(tǒng)。為了支持遞歸，需要一組基于相同結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序編輯接口（API， Application Programming Interface）來(lái)為每個(gè)切片的管理提供一個(gè)抽象層，并對(duì)底層虛擬資源進(jìn)行控制，其中底層虛擬資源對(duì)于租戶正在操作的層級(jí)來(lái)說(shuō)是透明的。不同的租戶通過(guò)這些API請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)提供切片服務(wù)。通過(guò)模板、藍(lán)圖或SLA，每個(gè)租戶不僅可以指定切片特征（拓?fù)?、QoS等），還可以指定一些擴(kuò)展屬性，例如所需的彈性、管理和控制級(jí)別。

網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例的管理包含以下4個(gè)階段。

（1）準(zhǔn)備階段：在準(zhǔn)備階段，網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例不存在。準(zhǔn)備階段包括網(wǎng)絡(luò)切片模板設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)切片容量規(guī)劃、準(zhǔn)備網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及在創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例之前需要完成的其他必要準(zhǔn)備。

（2）調(diào)試階段：調(diào)試階段創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例。在網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例的創(chuàng)建期間，對(duì)滿足網(wǎng)絡(luò)切片要求所需的全部資源進(jìn)行分配和配置。 網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例的創(chuàng)建也可以包括網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例組成部分的創(chuàng)建和/或修改。

（3）運(yùn)營(yíng)階段：包括激活、監(jiān)督、性能報(bào)告（例如用于KPI監(jiān)控）、資源容量規(guī)劃、修改和網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例的去激活。

（4）退役階段：在退役階段，在共享資源中移除網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例專屬的配置，并按要求退出非共享資源中的專屬配置。退役階段之后，網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例終止并不再存在。

上述4個(gè)階段組成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例的生命周期。

3 ? 5G網(wǎng)絡(luò)切片垂直行業(yè)用例

3.1 ?5G網(wǎng)絡(luò)切片支持多樣的垂直行業(yè)需求

垂直行業(yè)對(duì)連接和通信的需求可以分為3大類，包括網(wǎng)絡(luò)性能需求、功能性需求和運(yùn)營(yíng)性需求。網(wǎng)絡(luò)切片使運(yùn)營(yíng)商以更靈活高效的方式滿足垂直行業(yè)用戶的多樣性需求。

（1）網(wǎng)絡(luò)性能需求

◆延遲需求。不同的網(wǎng)絡(luò)切片可以采用不同的網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用分布模型，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟詽M足客戶的需求。進(jìn)一步地，這種優(yōu)化拓?fù)溥€可以與基礎(chǔ)設(shè)施級(jí)別的資源預(yù)留、分離路徑等結(jié)合，加強(qiáng)服務(wù)質(zhì)量的保障。在現(xiàn)有的單一架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)一個(gè)客戶的延遲保障通常是以犧牲其他客戶的服務(wù)質(zhì)量為代價(jià)，是在不同類型的服務(wù)之間的競(jìng)爭(zhēng)和折中。

◆數(shù)據(jù)速率需求（上行和下行）。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)速率提升依靠的是接入和基礎(chǔ)設(shè)施層的技術(shù)革新。網(wǎng)絡(luò)切片能夠根據(jù)需求分配容量，對(duì)于有較大速率需求的應(yīng)用，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片的方式為其分配較寬的用戶面通道。這種靈活的分配方式能夠顯著提升資源利用率，從而促進(jìn)了用戶體驗(yàn)速率的提升。

◆可用性和適應(yīng)性需求。高可用性和高適應(yīng)性通常需要更多的網(wǎng)絡(luò)資源，這也意味著高投資。在單一結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，所有服務(wù)必須以相同的方式使用網(wǎng)絡(luò)。這意味著，有些應(yīng)用獲得的網(wǎng)絡(luò)資源高于其真實(shí)需求，與此同時(shí)另外一些應(yīng)用獲得的網(wǎng)絡(luò)資源無(wú)法滿足其應(yīng)用需求。 有了網(wǎng)絡(luò)切片，不同切片可以有不同等級(jí)或類型的可用性和適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同應(yīng)用需求的網(wǎng)絡(luò)資源定制化和優(yōu)化。

◆可靠性需求。網(wǎng)絡(luò)切片能夠使網(wǎng)絡(luò)功能和資源實(shí)現(xiàn)較高程度的隔離。盡管在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)100%的可靠性，但網(wǎng)絡(luò)切片確實(shí)可以帶來(lái)較高水平的控制和預(yù)言。

◆覆蓋需求。網(wǎng)絡(luò)覆蓋最終取決于基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)程度。但網(wǎng)絡(luò)切片能夠?yàn)橘Y源調(diào)度和使用帶來(lái)更高的靈活性，在一定程度上提高覆蓋的質(zhì)量。

（2）功能性需求

網(wǎng)絡(luò)切片之間的隔離是一個(gè)相對(duì)的概念。這也意味著，網(wǎng)絡(luò)切片的隔離程度是可以根據(jù)需求定制的，例如：

◆網(wǎng)絡(luò)切片可以根據(jù)需求完全與互聯(lián)網(wǎng)隔離，而只連接到私有VPN上;

◆網(wǎng)絡(luò)切片可以配置更高級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)安全保障設(shè)備，例如公司級(jí)別的防火墻;

◆網(wǎng)絡(luò)切片可以根據(jù)需求建立在獨(dú)立的物理資源上;

◆由于網(wǎng)絡(luò)切片建立在其自有的邏輯網(wǎng)絡(luò)功能上，因此其“攻擊向量”更少;

◆網(wǎng)絡(luò)切片使用的數(shù)據(jù)可以與其他網(wǎng)絡(luò)切片相互隔離。

由于網(wǎng)絡(luò)切片是隔離的，因此在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片可以使用多種資質(zhì)形式或用戶數(shù)據(jù)。這在單一結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中會(huì)對(duì)通用基礎(chǔ)設(shè)施和基于通用基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)帶來(lái)安全威脅。

（3）運(yùn)營(yíng)性需求

網(wǎng)絡(luò)切片的設(shè)計(jì)使其具備較高的隔離度?；谶@一特性，用戶可以很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)資源和策略的自管理，既有安全保障，又不會(huì)對(duì)其他用戶產(chǎn)生影響。進(jìn)一步，網(wǎng)絡(luò)切片的功能可以高度定制化，使得一個(gè)切片內(nèi)可以具備不同形式的服務(wù)保障能力，從而以一種簡(jiǎn)易的方式滿足應(yīng)用專屬的需求。由于切片相互獨(dú)立和隔離，每個(gè)切片的功能內(nèi)容和資源可以有較大差異，進(jìn)一步保障了針對(duì)客戶需求的網(wǎng)絡(luò)定制化。

相互隔離的網(wǎng)絡(luò)切片使用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例和計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了面向客戶和商業(yè)模式專屬需求的定制化。而過(guò)去，這樣的定制化需要消耗大量時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)整合。

網(wǎng)絡(luò)切片概念可以以不同的方式擴(kuò)展到全球范圍。一種方法是客戶從多個(gè)服務(wù)提供商獲得服務(wù)，每個(gè)服務(wù)提供商提供滿足相同客戶需求的不同網(wǎng)絡(luò)切片。更簡(jiǎn)單的模式是一個(gè)服務(wù)提供商以一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片在全球范圍內(nèi)為客戶提供服務(wù)。這要求該服務(wù)商整合一系列相關(guān)合作方的服務(wù)，這些合作方以子供應(yīng)商的身份為實(shí)現(xiàn)服務(wù)的全球性擴(kuò)展提供支持。

3.2 ?垂直行業(yè)用例

5G將會(huì)是正在興起的工業(yè)數(shù)字化領(lǐng)域中的重要技術(shù)之一，會(huì)產(chǎn)生或強(qiáng)化工業(yè)數(shù)字化用力，如沉浸式游戲、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)和利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行維護(hù)和維修等。數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化等發(fā)展的必然趨勢(shì)使得眾多產(chǎn)業(yè)都面臨著巨大挑戰(zhàn)。5G系統(tǒng)將會(huì)為垂直行業(yè)提供高性能、高效益和高效率的解決方案。以自動(dòng)駕駛和工業(yè)4.0為例，闡述5G網(wǎng)絡(luò)切片對(duì)垂直行業(yè)的支持。

（1）自動(dòng)駕駛

業(yè)界對(duì)車輛間通信的研究要遠(yuǎn)早于5G的相關(guān)研究。利用車輛內(nèi)傳感器（如照相機(jī)、雷達(dá)和激光）也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。但是，5G提供的嚴(yán)格的低延遲高可靠傳輸可以將車輛通信帶入下一個(gè)更高的等級(jí)，例如從輔助駕駛到協(xié)作自動(dòng)化駕駛。

車輛通信依賴于一張廣泛覆蓋的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，包括對(duì)高功率、遠(yuǎn)郊和鄉(xiāng)野的覆蓋。因此，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)自動(dòng)駕駛行業(yè)的生態(tài)發(fā)展來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的角色。處于安全考慮，自動(dòng)駕駛公司可能會(huì)發(fā)展其私有的云環(huán)境來(lái)加載自動(dòng)駕駛應(yīng)用。為了解決性能需求，垂直行業(yè)客戶必須與運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)資源和服務(wù)的無(wú)縫整合。

（2）工業(yè)4.0

受到IoT、工業(yè)自動(dòng)化和云技術(shù)等的影響，制造業(yè)也進(jìn)入到其數(shù)字化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程中。不同于上述的自動(dòng)化行業(yè)，制造工業(yè)中的商家通常同時(shí)具備其生態(tài)環(huán)境中的多種不同的商業(yè)角色。一方面，他們可能是外部客戶的供應(yīng)商，提供例如機(jī)器魔族、技術(shù)方案等;另一方面，他們也是其他解決方案的使用者，例如數(shù)字化平臺(tái)。尤其是對(duì)于工業(yè)機(jī)器控制等應(yīng)用，工業(yè)園區(qū)內(nèi)的通信通常是受限的。制造工業(yè)商使用的可能是私有的網(wǎng)絡(luò)和云資源。

這類制造工業(yè)的商業(yè)范圍是非常廣泛且國(guó)際化的。因此，打造一張全球范圍內(nèi)的安全網(wǎng)絡(luò)對(duì)這類應(yīng)用來(lái)說(shuō)是十分必要的。

4 ? 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)描述了5G網(wǎng)絡(luò)切片的基本架構(gòu)，介紹了5G網(wǎng)絡(luò)切片編排與管理中涉及的核心概念，著重討論了網(wǎng)絡(luò)切片對(duì)垂直行業(yè)多樣性需求的支撐能力，并介紹了網(wǎng)絡(luò)切片對(duì)自動(dòng)駕駛和工業(yè)4.0兩類垂直行業(yè)用例的支持。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 3GPP. 3GPP TR 28.801： Telecommunication Management; Study on Management and Orchestration of Network Slicing for Next Generation Network Release 15 V15.0.0[R]. 2017.★

To discuss the applications of 5G network slicing， this paper first introduces the architecture of 5G network slicing， as well as network orchestration and management; and then analyzes how the capability of 5G network slicing can meet the diverse demands of vertical industry. Finally， using automatic drive and industry 4.0 as examples， this paper shows the support of 5G network slicing to vertical applications.

network slicing; orchestration and management; NS use case