5GC 关键技术之网络切片

网络切片的需求来自于业务对网络提出的差异化要求

网络切片是 5G 核心网重要的关键技术之一，也是网络即服务理念的直接体现，网络切片本身就是产品和服务。网络切片设计的出发点是按照业务对网络的不同需求灵活组织网络，形成为特定业务提供专属服务的网络，达到网络与业务的高度匹配。

3G 时代面对不同业务对网络的差异化要求采取的方案是 QoS（Quality of Service，服务质量），对业务进行分类，给予不同优先级的业务不同的资源，以及不同的服务质量，优先保证对网络要求高的业务，然后再兼顾低优先级的业务。

4G 时代更是定义了 9 种 QoS 类型，对不同业务类型的服务级别进行更加精细化的管理。

来到 5G 时代，面对的业务类型是更加多样化的，包括车联网、大规模物联网、工业自动化、远程医疗、自动驾驶、VR/AR 等等。而且这些业务对网络要求的差异化鸿沟巨大，例如：工业自动化要求低时延、高可靠但对数据速率要求不高；高清视频无需超低时延但要求超高速率。如此巨大的差异化要求显然无法通过统一的网络架构来保证，因此 5G 的网络需要具备虚拟化切片的能力 ，使得每个网络切片能够适配不同的业务和通信场景，以提供合理的网络控制和高效的资源利用吗。这就是网络切片技术。

基于 3 大业务场景的切片

● 增强型移动宽带（eMBB）：需要关注峰值速率，容量，频谱效率，移动性，网络能效等这些指标，和 3G、4G 类似。AR/VR、4K/8K 超高清视频等业务属于该类型。

● 海量机器通信（mMTC）：主要关注连接数。对下载速率，移动性等指标不太关心。针对大规模物联网业务。

● 高可靠低时延通信（uRLLC）：主要关注高可靠性，移动性和超低时延。对连接数，峰值速率，容量，频谱效率，网络能效等指标都没有太大需求。例如无人驾驶等业务。

基于切片资源访问对象的切片

还可以根据切片资源是否可被其他切片资源共享，分为独立切片和共享切片：

● 独立切片：指拥有独立功能的切片，网络资源片化后，指定的用户对象群体或业务场景可获得网络侧完整且独立的端到端网络资源和业务服务，不同切片间的资源在逻辑上相对独立，切片资源仅在相应切片内部可被调用并提供服务。

● 共享切片：指切片资源可供其他不同的独立切片共享调度和使用，以提供部分可共享的业务功能和服务，提高资源利用率。共享切片提供的功能可以是端到端的，也可以提供部分共享功能。

网络切片的商业意义

传统的电信运营商商业模式在 2G 是语音经营，3G 和 4G 是流量经营，4G 时代的流量经营已经走到尽头，5G 需要全新的盈利模式和全新商业领域。这是新时代赋予 5G 的使命：打造一个端到端的生态系统，打造一个全移动和全连接的社会。

对于运营商来说，5G 最大的收入潜力就是网络切片开发。基于网络切片，运营商把业务范围从传统的管道（语音和数据）拓展到了万物互联，也将形成新的商业模式。从传统的通信提供商蜕变为平台提供商，通过网络切片的运营，为垂直行业提供实验、部署和管理的平台，甚至提供端到端的企业级服务，完成 ICT 一体化融合。

在切片的商业模式中，运营商的关键业务是向各个垂直行业销售行业切片，据 GSMA 估计，到 2025 年运营商在网络切片方面的收益将达到 3000 亿美元。

总的来说，运营商可以在 5G 网络中提供两种形态的网络切片，一种是运营商将网络切片作为网络的内部实现，不对外呈现；另一种是以 NSaaS（网络切片即服务）业务方式提供给第三方。

● 作为内部网络时：运营商出于内部网络优化等目的，部署网络切片来为客户提供通信服务。

● 作为 NSaaS 时：以 NSaaS 产品的方式提供给第三方，行业客户可以通过开放的接口把网络切片和自己的应用相结合，可以自由地使用和管理切片网络，实现更便捷的服务，更好地满足用户的定制化需求。

网络切片的底层支撑

网络切片具有以下四个特性：

● 隔离性：不同的网络切片之间互相隔离，一个切片的异常不会影响到其他的切片。

● 虚拟化：网络切片是在物理网络上划分出来的虚拟网络。

● 按需定制：可以根据不同的业务需求去自定义网络切片的业务、功能、容量、服务质量与连接关系，还可以按需进行切片的生命周期管理。

● 端到端：网络切片是针对整个网络而言，不仅需要核心网，还要包括接入网、传输网、管理网络等。

网络切片的实现需要将物理网络通过虚拟化技术分割为多个相互独立的虚拟网络，每个虚拟网络被称为一个网络切片，每个网络切片中的网络功能可以在定制化的裁剪后，通过动态的网络功能编排形成一个完整的实例化的网络架构。不同切片之间的业务互相隔离、互不干扰，可以满足垂直行业应用无需独立建设专用网 络但可以独享网络资源的需求。

网络切片服务于特定的业务，通过为不同的业务和通信场景创建不同的网络切片，使得网络可以根据不同的业务特征采用不同的网络架构和管理机制，包括合理的资源分配方式、控制管理机制和运营商策略，从而保证通信场景中的性能需求，提高用户体验以及网络资源的高效利用。显然，传统的黑盒设备是无法担当如此灵活的切片工作的，所以就需要 NFV 和 SDN 两大技术支撑。

在 NFV 和 SDN 的技术架构下，这些资源可以灵活调度，按需分配，网络可以动态地扩容或缩容，在满足需求的前提下，降低网络建设和运营的成本。

● NFV（Network function virtualization，网络功能虚拟化）提供灵活且统一的 VNF 运行资源调度与编排部署。详情请浏览《数据中心网络架构的问题与演进 — NFV》。

● SDN（Software Define Network，软件定义网络）提供可编程的智能化网络拓扑。详情请浏览《数据中心网络架构的问题与演进 — SDN》

NFV 和 SDN 的关系，其实确实不大。两个技术，不仅实现原理不同，就连应用场景也不同。NFV 是一个典型的计算技术，SDN 是一个典型的网络技术。两者之间的关系，就好像服务器和交换机之间的关系。放在 ISO 七层模型里，NFV 是 4-7 层，SDN 是 2-3 层，区别也很大。

站在移动通信的角度来看，NFV 主要应用于核心网和接入网，SDN 则主要应用于承载网，两者也是不同的领域。

SDN 是控制和转发解耦，NFV 是软件和硬件解耦。两者都是解耦，目的只有一个，就是灵活化。而灵活化的目的，就是服务于网络切片。

虽然 NFV 和 SDN 没有归属关系和依赖关系，但互补关系和合作关系还是有的。例如，NFV 数据中心采用 SDN 之后，可以有效改善 NFV 网络的性能。此外，SDN 虽然是网络设备采用，这些网络设备其实也可以像服务器一样引入虚拟化。换句话说，虚拟化也不局限于计算机。NFV 引领着未来的计算，SDN 代表着未来的网络。

网络切片的粒度

首先切片颗粒过粗的话，切片网络的灵活性就会较差，差异化服务的需求将难以满足，切片颗粒过细（切片切割的隔离度越高），越容易实现差异化及独立运营，但是会造成不同切片之间的动态管理和资源共享难度增加，对平台、编排、管理等都是比较大的挑战。因此一定要基于业务场景的实际需求来选择切片的粒度，要合理地切分网络资源，尽量把同种类型的业务合并在一个切片里面。

目前网络切片粒度按网络的隔离程度分为 L0~L5 一共六级，在业务对网络 QoS（服务质量）要求相对不高时，共用网络资源（L5 粒度）会为运营商带来更高的成本效益。当需要高 QoS 业务保障需求后，需要逐步向 L0 粒度的切片策略演进，以获得更高的性能保障。

网络切片的实现

网络切片的实现依赖于不同切片的流量由不同的 PDU Session 进行处理的原理，从端到端的角度看，网络切片可以进一步细分为：终端网络、无线接入网络，承载网络，核心网络几个子切片。

● 无线接入网络子切片：切片资源划分和隔离，切片感知，切片选择，移动性管理，每个切片的 QoS 保障。

● 承载网络子切片：基于 SDN 的统一管理，承载也可以被抽象成资源池来进行灵活分配，从而切割成网络切片。

● 核心网络子切片：5G 核心网基于SBA 架构，核心网的微服务模块就像搭积木一样按需拼装成网络切片。

网络切片的实现可以分为横向和纵向两个维度，纵向：无线接入，承载，核心网子切片完成各自的管理功能；横向：由无线接入，承载，核心网子切片组成 eMBB、mMTC 和 uRLLC 三大端到端的网络切片。纵向到底，横向协同。

终端网络切片

终端分为单用途终端和多用途终端，单用途终端是感知不到切片的存在的，完全由网络侧控制切片的选择，而多用途终端则需要支撑应用数据到不同切片的映射。手机就是多用途类型终端，实际生活中往往需要根据业务类型接入到多个不同的切片之中。根据 3GPP R15 标准规范中的定义，虽然网络可以支持大量切片（数百个），但手机只能同时支持不多于 8 个切片。

**无线接入网络切片

接入层协议栈的切分**

无线侧基站分为 CU（集中单元）和 DU（分布单元）两个单元，是 BBU 拆分开来的。解耦后的 CU 用于集中承载非实时业务，DU 则主要负责对实时业务的处理，因此可以把跟时延相关性不大的功能上移到 CU，跟时延强相关的下放到 DU。像单向多播类业务就可以让这个切片功能最简化，而低时延类业务可以把 CU 里的一些功能下沉到 DU。CU 集中、DU 分布的架构可以为网络切片提供良好的灵活性，可以根据实际需求进行灵活地定制部署。

根据切片类型的不同，AAU、DU、CU 可以灵活地对无线网侧协议栈功能进行定制切分。

时频资源的切分

无线时频资源硬切：频率、时间资源以固定的方式分配给每个特定的切片，用户可利用这些静态的无线资源接入切片网络，但这种方式不灵活，网络的资源利用率不高。

无线时频资源软切：对频谱资源来讲，可以独立预留出一些资源给 URLLC 这种紧急性的业务使用，然后网络切片的调度管理服务根据切片业务请求的实时到达情况按需分配时频资源，并确保各切片间的资源平衡分配，这种切分方式让整个频谱资源利用率大幅提升，不会造成资源的浪费。

承载网络切片

承载网切片运用虚拟化技术，将网络的链路、节点、端口等拓扑资源虚拟化，在传输硬件设施中切分出多个逻辑的虚拟传输子网，在物理网络层构建虚拟子网层。虚拟网络具有独立的管理面、控制面和转发面，各虚拟网络之上可独立支持各种业务，以此实现不同业务之间的隔离。承载网具有以下两个特点：

● 数据平面硬管道隔离：每个切面端到端硬管道隔离，不同的调度策略保证了不同切面的 SLA。

● 控制平面隔离（协议/拓扑信息/资源）：每个切面都需要一个控制器来管理拓扑、资源和协议栈。

核心网络切片

作为承接运营商核心业务的网络，核心网需要具备可以根据不同的业务场景灵活调配和部署 NF 的能力，5G 核心网通过实现 SBA 这种高内聚、低耦合的架构，使核心网灵活、开放、易拓展，从而可以满足 5G 网络切片按需定制和动态部署的要求。例如：对于某些业务场景就可以删减掉一些不需要的 NF，从而提高网络效率。下图展示了物联网水表业务的切片功能裁剪选择。

同时 5G 核心网还实现了 CUPS 网络架构，运营商可根据业务的实际需求，选择匹配的服务模块进行集中式或分布式部署。

网络切片的编排管理

端到端的网络切片涉及到了无线接入网、承载网和核心网等，在给网络带来灵活性的同时，也增加了管理的复杂性，各网络设备由不同的设备厂商提供，切片的编排、部署和互通等方面都存在着一定的难度。因此需要智能化的管理，实现切片的端到端编排管理，端到端的网络切片的管理和编排涉及到切片的生命周期管理，比如切片的设计、实例化、缩扩容、终止等。

运营商通过引入 DevOps 的理念和模式，让开发和运营同步进行，可以极大地提升切片运营的效率。DevOps 工作流取决于客户的切片订购和需求输入，然后经过切片模型定义，切片设计，切片部署，切片监控，切片保障和切片运营这样一个切片设计和运营的闭环，使 5G 网络切片灵活高效运转。

网络切片的选择

UE 对网络切片的选择涉及两个关键过程，一个是 UE 注册流程，一个是 PDU Session 建立流程。

在实际应用中，一个 UE 可能同时接入一个或多个网络切片，当 UE 发起注册流程时，接入网络（gNB）根据 UE 请求携带的 NSSAI（Network Slice Selection Assistance Information，网络切片选择辅助信息）来选择核心网络子切片的入口 AMF。NSSAI 包括切片/业务的类型和切片区分标识（Slice Differentiator），这些信息可以是标准定义的，也可以是运营商自定义的。如果 UE 发起注册时，请求没有携带任何 NSSAI 信息，接入网将选择默认的 AMF 提供服务。默认的 AMF 将根据运营商的策略和用户签约信息进一步选择 Target AMF 提供服务。AMF 将与 AUSF 一同对 UE 进行鉴权，鉴权通过后，UE 成功注册到网络。UE 注册成功后，AMF 将向 UE 提供被允许的 NSSAI 和临时用户标识（Temporary User ID），后续 UE 将携带这些信息接入网络，网络根据临时用户标识可以得到之前服务的 AMF 信息。

接下来，UE 可以发起业务请求，建立 UE 和 AMF 之间的信令连接，连接过程中或连接建立成功后，UE 和网络之间可以建立 PDU Session。在建立 PDU Session 的过程中，AMF 应综合签约信息、本地策略以及 NSSAI 等信息选择合适的 SMF，SMF 进行 PDU Session 的鉴权，为 UE 分配 IP 地址，指定提供服务的 UPF 提供后续的用户平面服务等。会话建立成功后，AMF 将保存 SMF 和终端的对应关系，SMF 也会保存 AMF 和终端识别的对应关系，以便后续的网络交互。以上是 3GPP 网络切片选择、终端注册、连接建立和会话建立的基本框架。

● 用户开户时，签约数据中会包含用户支持的切片信息（例如切片 A、B、C，其中 A 和 B 被标记为 “default”，“default” 表示在终端不携带切片信息时，网络侧默认用户支持接入的切片。UE 侧存储在 USIM 卡，网络侧存储在 UDM）。

● 终端初次入网注册时，不会在用户面建立 QoS Flow，所以终端未携带切片信息，AMF 将本地配置的切片信息与从 UDM 获取的用户签约数据中的切片信息进行匹配。

● 如果 AMF 本地配置的切片信息包含签约的默认切片信息，则 AMF 判断可以为终端提供对应切片服务，在注册响应消息中携带用户在当前网络下可以使用的切片 A、B。

● 如果 AMF 本地配置的切片信息中不包含签约的默认切片信息，则 AMF 判断自身不能为终端提供对应切片服务，AMF 查询 NSSF 获取可提供切片服务的其他 AMF 信息，NSSF 响应消息中携带为终端分配的切片配置信息。Target AMF 在注册响应消息中携带用户在当前网络下可以使用的切片 A、B。

● 用户激活业务时（例如，用户打开一个 APP）才会携带切片信息，终端会根据步骤 2 中的切片选择策略，选择对应的切片 ID（例如网络切片 A）进行业务触发，AMF 选择切片 A 对应的 SMF 为终端建立 PDU Session。

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来源： https://blog.51cto.com/99cloud/2489780