5G端到端网络切片技术应用研究报告

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前言

在全球经济进入数字化转型的关键时期，5G网络作为数字化社会的关键基础设施，将不再局限于传统通信网络的业务领域，满足各行各业数字化转型的需求是5G网络即将承担的新使命。垂直行业客户加速向数字化、智能化转型，而转型的基石是数字化网络链接,行业客户的生产园区及业务场景对无线网络覆盖质量、时延要求、上行容量、数据保密性、设备移动性、网络控制权的要求均高于公共大网，并且传统电信的商业模式无法满足行业用户的需求，因此特定场景需要定制化、综合型、灵活便捷的无线专用网络，而网络切片作为5G关键技术之一，是实现行业专网的基础技术。

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网络切片

3GPP与5G-ACIA定义的5G垂直行业专用网络包含四个主要场景，用于指导组织机构如何申请并部署自己的5G专用网络，也包括独立部署专用网络和非独立部署专用网络。独立部署专用网络指独立部署一套物理专用网络；根据与公网复用资源和互动程度进行划分，非独立部署包含共享RAN、共享RAN与控制面、完全公网部署（网络切片）三个场景，其中网络切片又分为Group A/B/C三个选项。
Group A：完全不共享。每个切片完全独立，分别拥有各自完整的控制面与用户面功能实体。

Group B：控制面功能部分共享。部分控制面功能（如移动性管理、鉴权功能）在切片间共享，其余的控制面功能（如会话管理）与用户面功能则是各切片专用的。此架构支持用户在同一时间接入控制面功能部分共享的多个网络切片。此架构的切片隔离性最好，但用户在同一时间只能接入一个网络切片。

Group C：控制面功能完全共享。各切片的控制面功能完全共享，只有用户面功能是各切片专用。此架构的隔离性最差，只在用户面实现了隔离，此架构也支持用户在同一时间接入控制面功能完全共享的多个网络切片。

非独立部署专用网络主要关注场景三端到端网络切片实现与应用，强调在公用网络基础上，在满足用户业务特性需求的前提下（如信息保密等级等），为用户制定一张从接入到传输到核心端到端专属的逻辑专用网络。


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网络切片的发展历程



从2015年开始，3GPP启动了5G相关的标准研究和制定工作，并计划在R14-R16这三个大版本中完成相关标准的制定。网络切片作为5G的重要技术，3GPP最早在R14阶段由SA1的TR 22.864报告中提出了网络切片的需求，随后SA2在TR 23.799中对网络切片方案进行了初步研究，在R15阶段SA2正式把切片的相关概念、方案写入了TS 23.501中。SA5对于切片管理进行了研究并进行了网管设备的标准化，SA3则负责研究切片的安全方面的问题。3GPP在TR28.801定义了通信服务管理功能（CSMF，Communication Service Management Function）、网络切片管理功能（NSMF，Network Slice Management Function）、网络子切片管理功能（NSSMF，Network Slice Subnet Management Function），三者协同完成网络切片端到端设计和实例化部署。此外RAN接入网对网络切片技术也进行了研究和探讨，并最终在RAN侧支持网络切片功能，实现端到端的切片[1]。R17可能会继续深入研究RAN切片升级规范等内容，同时更新现有协议并涵盖更多的新技术。受疫情影响，3GPP近日宣布将下两批5G相关技术协议的发布推迟3个月，根据新时间表，第三阶段的R16规范将于6月完成，随后R17的预定日期将推迟到2021年12月。

除了3GPP，目前ITU、MGMN、ETSI等主要标准组织都先后开展了网络切片的标准化研究，但目前这些组织对于切片的研究主要还是停留在架构、需求等较高的层次，关于切片的实现等较具体的内容目前主要还是由3GPP负责制定。


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端到端网络切片



1、端到端网络切片的概念

5G网络切片是针对业务差异化、多租户需求提供的一类解决方案技术的统称，旨在通过功能、性能、隔离和运维等多方面的灵活设计，使得运营商能够基于垂直行业的需求创建定制化的专用网络。3GPP TS38.300标准中定义，网络切片是一个允许根据每个客户要求进行差异化处理的概念。通过切片，移动网络运营商（MNO）可以将客户视为属于不同的租户类型，每个租户都有不同的服务要求，这些要求根据服务级别协议（SLA，Service level Agreement）和订阅来决定每个租户有资格使用的切片类型。

从本质上讲，5G网络切片是将5G物理网络划分为多个虚拟网络称之为网络切片，每个切片都拥有自己独立的网络资源和管控能力，根据不同的服务需求如时延、带宽、安全性和可靠性等来划分，以灵活地应对不同地网络应用场景。在5G时代，应用场景多样化，使用一个统一的网络架构来同时满足所有的服务请求效率低也不易实现。通过网络切片技术在一个独立的物理网络上切分出多个逻辑网络，从而避免了为每一个服务建设一个专用的物理网络[1]。

网络切片的价值在于网络切片即服务（Network Slice as a Service），可以为不同垂直行业提供不同、相互隔离、功能可定制的网络服务，实现客户定制化网络切片的设计、部署和运维。用户性能可以得到保障，租户会与运营商签订服务合同，其中规定了租户使用的业务所对应的SLA。SLA通常包括安全性/私密性、可见性/可管理性、可靠性/可用性，以及具体的业务特征（业务类型、空口需求、定制化网络功能等）和相应的性能指标（时延、吞吐率、丢包率、掉话率等），同时拉通各域来实现端到端SLA保证。

2、网络切片的整体架构

网络切片是一种按需组网的方式，可以让运营商在统一的基础设施上分离出多个虚拟的端到端网络，每个网络切片从无线接入网承载网再到核心网上进行逻辑隔离，以适配各种各样类型的应用。垂直行业提供各种类型的可保证的网络连接服务，是端到端网络切片整体架构设计的目标。网络切片可基于传统的专有硬件构建，也可基于NFV/SDN的通用基础设施构建。为了实现低成本高效运营，应尽可能采用统一基础架构，网络切片的整体架构由基础设施层、网络切片管理层及网络切片层（运行在基础设施之上的网络切片实例）组成。如图1所示，其中基础设施层为网络切片提供所需的资源和基础能力；网络切片层基于基础设施层，聚合所需要的网络功能形成端到端的逻辑网络（网络切片实例）；切片管理层负责网络切片生命周期的管理，保障网络切片实例可满足垂直行业提出的业务性能相关的指标[2]。


图1 网络切片整体架构图

3、网络切片的优点

第一，最优化。根据业务场景需求对所需网络功能进行定制化裁剪和灵活组网，优化业务流程和数据路由，使得网络资源的利用达到最优化。由于每个切片都是根据该服务或使用该切片的服务所需要的交付复杂性进行定制的，因此切片网络还允许更深入地了解有关网络资源的利用情况。

第二，动态性。网络切片能够满足用户的动态需求，例如用户临时提出某种业务需求，网络具有动态分配资源的能力，从而提高网络资源利用率。

第三，安全性。通过网络切片，可以将当前某个业务应用的网络资源与其它业务应用的网络资源区分开、隔离开，每个分片的拥塞、过载、配置的调整不影响其他分片，增强整体网络的健壮性和可靠性，保证当前业务质量的同时也提供了可靠的安全保护机制。

第四，灵活性。业务需求和用户数量可能出现动态变化，网络切片需要弹性和灵活的扩展，比如必要时可以将一个网络切片与其它网络切片进行融合，以更灵活地适配用户动态的业务需求，对用户而言，这种弹性的使用方式还使得根据使用量计费成为可能。



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垂直行业的网络需求



不同行业对网络的要求是多样化的，例如智能家居、智能电网、智能农业和智能抄表需要大量的额外连接和频繁传输小型数据包的服务支撑，自动驾驶和工业控制要求毫秒级时延和接近100%的可靠性，在工业应用中，端到端等待时间的要求范围在1000毫秒到5毫秒以下，而对于任务关键型应用则需要后者，运动控制更需要实时传输，而娱乐信息服务则要求高质量的固定或移动宽带连接。同时从网络质量角度考虑，垂直行业用户更希望网络保持一个稳定的、可预测的服务质量，如果跟公众移动宽带网络或其它垂直行业的网络混和使用的话，可用带宽将无法保障，因此垂直行业更希望能独占频谱，这样可用性、安全性都会更高。

垂直行业对网络服务的需求表明，5G网络需要更加灵活以支撑不同业务场景和环境下的差异性连接，而5G网络切片就是打造定制化的5网络专用通道，针对不同的业务场景需求提供差异化的专属跑道，使运营商以更灵活高效的方式满足垂直行业用户的多样性需求。



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5G网络切片在垂直行业中的应用



5G网络切片技术赋能垂直行业，可实现定制化的网络提供，让很多不可能的应用变成可能。以下对电力、自动驾驶、工业三个行业进行分析。

1、电力

智能电网的业务需求广泛，包含eMBB、uRLLC和mMTC三大场景，同时对网络安全可靠性要求较高，采用不同的网络切片服务，可以根据不同业务特点更有针对性地解决智能电网的数据釆集传递等通信传输需求。5G网络切片技术可实现超大带宽、端到端低延迟、海量连接、广域覆盖和非视距传输，可充分满足智能电网对通信网络的需求。5G网络切片也有对应的能力匹配，促成了比特与瓦特的强强联手。虽然智能电网的应用还处在一个初级阶段，但是电力行业对5G网络高度关注，未来将会有更多有关5G电力切片应用的研究[4]。

2、自动驾驶

业界对车辆间通信的研究要远早于5G的相关研究。利用车辆内传感器（如照相机、雷达和激光）也可以实现自动驾驶。但是5G提供的严格低延迟高可靠传输可以将车辆通信带入下一个更高的等级，例如从辅助驾驶到协作自动化驾驶。车辆通信依赖于一张广泛覆盖的移动通信网络，包括对高功率、远郊和乡野的覆盖。因此，运营商对自动驾驶行业的生态发展来说是至关重要的角色。出于安全考虑，自动驾驶公司可能会发展其私有的云环境来加载自动驾驶应用。为了解决性能需求，垂直行业客户必须与运营商实现资源和服务的无缝整合[5]。

3、工业4.0

受IoT、工业自动化和云计算等技术发展的影响，制造业也正在经历数字化转型过程。制造商通常同时具备其生态系统中多种不同的业务角色，一方面他们可能是外部客户的供应商，提供机械组件、技术方案等；另一方面，他们也是其他解决方案的使用者，例如数字化平台。尤其是对于工业机器控制等应用，工业园区中的通信通常是受限的。制造商将通过利用自己的云资源使用更严格的专用网络，由于制造业的业务范围呈国际化，甚至可能分布在不同的国家，因此打造全球性网络切片对于这种用例就至关重要。此外，全球网络切片概念还将为垂直客户带来业务发展方面的增值，因为在一个统一的平台下，可以屏蔽不同管理域之间业务谈判的复杂性[6]。



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5G网络切片的应用发展前景



随着5G时代行业专网的发展，运营商将面临更大的挑战，能力、频段和标准三者缺一不可，行业专网是拓展行业市场的重要抓手，通过行业专网，可以将个人用户上网需求与企业上云需求结合起来，实现个人业务与政企业务的融合，此外还可以充分发挥5G网络切片能力和边缘计算能力，实现面向行业客户的云网融合。网络切片作为5G关键技术之一，符合行业专网的需求，同时具备运营商的独特优势，因此网络切片应成为行业专网的首选方案。网络切片允许灵活的系统架构来处理垂直行业的差异化需求，电信运营商应该充分发挥网络连接的优势，通过深度融合不断提升电信行业与垂直行业的融合创新力度，与垂直行业共同探索5G应用对应的网络切片模式，激发网络切片赋能垂直行业的活力。



参考文献

[1]魏垚,谢沛荣.网络切片标准分析与进展现状[J].移动通信,2019,43(4):25-30.
[2]孙晓文，陆璐，孙滔等.端到端网络切片关键技术及应用[J].电信工程技术与标准化，2019，32(11):55-59.
[3]张云勇，严斌峰，王鑫等.网络切片赋能行业应用的模式探究[J].业务与运营.
[4]韩治，张晋.5G网络切片在智能电网的应用研究[J].电信技术,2019(8):5-8.
[5]于佳.5G网络切片及其应用[J].移动通信，2019,43(12):27-31.
[6]针对垂直行业5G网络切片白皮书（华为）.