北京郵電大學世紀學院 肖 健

基于未來5G網絡架構下網絡切片概念的研究

北京郵電大學世紀學院 肖 健

在即將到來的5G時代，網絡切片作為一種新興的網絡概念被廣泛探討和研究。網絡切片的主要功能是使不同切片相互隔離，確保每個切片不被其他切片中的擁塞而中斷。本文主要介紹了未來5G網絡架構下網絡切片概念以及網絡切片的實現。

5G網絡架構；網絡切片；資源隔離；物聯網（IoT）

一、5G網絡架構下的新概念

目前的網絡架構屬于一刀切的網絡架構，而在未來的5G系統(tǒng)中，將滿足新興市場的需求，并且可以根據運營商及其用戶終端的需求附屬相應的功能及特點。一些最常用的有：被增強移動寬帶（eMBB）和大規(guī)模機器類型通信（mMTC）以及超可靠和低延遲通信（uRLLC）。

在5G機構中網絡切片作為一種新的概念將適用于可部署的下一代架構單個物理上的多個獨立邏輯網絡網絡。 運營商和服務提供商被允許創(chuàng)建專門的網絡切片接入管理方案滿足多樣化用戶需求。網絡切片理論上可使多個切片共享相同物理資源，可以想象其概念以動態(tài)的方式進項必要調整，使得利用資源更加有效，較之傳統(tǒng)架構可減少更多的實施成本。在傳統(tǒng)架構中，通常數據傳輸僅共同使用一個切片，一旦共享資源管理不當，例如資源過載或擁塞，可能對另一種正常的資源傳輸產生不利影響。所以多個切片之間的隔離是極其重要的。專用分區(qū)多個切片之間的資源可能是一個簡單的解決方案，但是由于實際情況很難預測，部分資源的利用率低是不可避免的。因此，需要在兩個隔離切片之間做出權衡和跨片段的有效資源利用。

二、網絡切片概述

目前的4G移動網絡主要是服務于移動手機，只能給手機做一些比較局限的優(yōu)化。但是到了5G時代的無線移動網絡就能服務各項類型和需求的。其中應用場景如：移動寬帶、大規(guī)模的物聯網、任務關鍵的物聯網都需要不同的網絡類型，在移動性、計費、安全、策略控制、延時、可靠性等方面有各不相同的要求。在下文中，主要介紹的就是網絡切片的提出和實現在網絡切片中存在的問題。

2.1 網絡切片的引出

5G時代必將來臨，預計在2020年后將有數千億計的物聯網接入網絡。到那時寬帶將無處不在，并豐富人與人、物與物、人與物之間的通信需求。主要以運營商組成的MGMN聯盟早在2015年3月初就已經發(fā)布了《NGMN 5G 白皮書》，其中定義了5G八大類24種典型場景，覆蓋了現今業(yè)務的所有5G場景。

例如，連接寬帶從50kbit/s～1Gbit/s，時延從1 ms 到秒級，每平方公里的連接數從200個到15萬個，移動性從靜止到緩慢及高速的500km/h。聯系實際也可知道有些如自動駕駛、自動手術的要求是很高的，必須實現其時延最小化，傳輸速率極高化，這樣才能確保工作運行無障礙，事故率低。但像視頻娛樂那樣的傳輸，對于可靠性要求并不完全那么嚴格。

如果每個運營公司都要為每個類別的業(yè)務需求建立一個網絡來滿足其傳輸, 網絡成本必將超出預算。當然,與之不同的也可以使所有不同類型的服務都是在相同的網絡和基本設備上承載的, 但是要實現這個計劃并非想象中的那么簡單，其中有許多阻礙因素。

人類社會在發(fā)展，科技同樣在進步。最新的有關于網絡功能虛擬技術研究表明，在未來5G的網絡架構下，在同樣的物理基礎設備上利用網絡功能虛擬化技術通過編排和管理，使每種業(yè)務都分配到相匹配的虛擬專用資源。對于這些業(yè)務本身來說，分配的資源將是獨有無競爭的且與其他業(yè)務之間是相互隔離狀態(tài)的。這將充分地提高了網絡規(guī)模效應和物理資源使用率，降低了網絡配置的成本。其主要規(guī)模課分為：智能手機切片，以部署和分布在整個網絡成熟的網絡功能，即可實現典型的智能手機使用的5G切片；車輛自動駕駛切片，以安全可靠的時延作為基準；IOT型切片。其主要是運用在大型設備中。當然，網絡切片技術絕不僅限于這幾類切片，它的實現是非常靈活，運營商可以隨心所欲的根據應用場景定制自己的虛擬網絡。

2.2 網絡切片的實現

4G網絡是目前主要終端設備（包括數字單元（DU）和一個射頻單元（RU）），蜂窩電話網絡，核心網絡設備供應商是無線電接入網絡的一部分，使用一個特殊的裝置。在網絡經過功能虛擬化后，無線接入網部分叫邊緣云（Edge Cloud），而核心網部分叫核心云（Core Cloud）。邊緣云中的VMs和核心云中的VMs，通過SDN（軟件定義網絡）互聯互通。根據其上分析，就能執(zhí)行切片了，這就像切面包一樣把虛擬子網絡切成片，即網絡切片。

（一）高清視頻切片：將原始網絡中局部核心網功能和DU被虛擬化后，再加上存儲服務器后一并放入邊緣云。核心云再取代其他功能。

（二）手機切片：邊緣云將原來被虛擬化的無線接入數字單元收納，其中也包括了IMS。

（三）海量物聯網切片：因為很大部分的傳感器是靜止的，所以并不需要遷移性管理，這項切片相對其他簡單些。

（四）任務關鍵性物聯網切片：因為其對時延要求高，所以為了縮短時延，原網絡的其他的相關服務器和核心網功能都下降到了邊緣云。

與前面提到的資源分類一樣，實際分類中的這些切片技術并不局限于此，而來之人們的需求，實現方便功能效益。

2.3 網路切片在實現中存在的問題

從前面的介紹可以看出網絡切片的實現理論上講邏輯是簡單的，但在實際中并非如此。再此謹列出具有代表性的四個實際問題：

（1）網絡切片之間的資源很難做到有效的隔離。在傳統(tǒng)網絡技術中，實施網絡虛擬技術在一個基礎設施上分割多個網絡切片來運行。切片上的通信流量在傳輸過程中很難不影響到另一個切片的網絡業(yè)務，切片間的資源處理優(yōu)先級又是一個很大的問題，在現有的IP技術的大背景下設置比較復雜。

（2）切片類型的歸類復雜。由于5G應用種類巨大，這就需要建設海量的差異性業(yè)務分組，在現有的軟硬件設備并不能使其更好的鮮明歸類。

（3）網絡切片的管理。其中涉及到學科交叉類型管理及一般性質的周期如創(chuàng)立、激活、釋放、退出等，還有系組的安全和計費以及QoS的策略保障等等。

（4）網絡切片面向不同的用戶及商業(yè)模式使切片粒度大小難以把控。其中IP承載域、數據中心域及各自組成的域單獨成立在各個場景中較難協(xié)同。

2.4 總結

在工作和生活中，網絡無處無在。我們日常使用的手機有3G網絡，隨著4G網絡設施的建立，其用戶量也在逐漸增多。而網絡終端占大部比的便是智能手機?？上攵?，隨著無線網絡技術的改革和創(chuàng)新，5G離我們也并非那么遙遠。根據全球互聯網大會的內容表明，接下來的改變，將是跨時代的——The Next Big Thing，無物不連的時代（物聯網）。將有大量的不同領域的工業(yè)類型的應用設備接入無線網絡，這將徹底改變我們原有的生活。這項技術的第一步策略便是網絡切片。雖然網絡切片在理論上的實施相對存在一些問題，但它作為一個機體、一個架構，這項架構也是指日可待。

三、結束語

在以上提出的網絡切片技術雖然在目前LTE架構下的技術支持無法實現，但卻給未來網絡結構中的網絡切片概念奠定了良好的理論基礎。相信在不久的將來，隨著技術的革新，5G網絡架構的全面普及，這項理論研究能夠更好地應用到系統(tǒng)中去使數據傳輸暢通無阻，實現全網物聯的暫新的一個時代——物聯網時代。