程卓

摘要：移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)正在改變移動(dòng)通信技術(shù)。MEC將計(jì)算和存儲(chǔ)資源推至網(wǎng)絡(luò)邊緣，以實(shí)現(xiàn)低延遲的移動(dòng)應(yīng)用，而網(wǎng)絡(luò)切片則允許網(wǎng)絡(luò)按需定制以滿足各種應(yīng)用需求。文章研究了網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，包括設(shè)計(jì)、實(shí)施和性能評(píng)估滿足未來智能、高效的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)邊緣計(jì)算；網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)；5G通信

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.008

中圖分類號(hào)：N 929.5? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）03-00-03

網(wǎng)絡(luò)切片是一種網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化技術(shù)，允許將單一物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)獨(dú)立的邏輯網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片可以根據(jù)具體應(yīng)用的需求進(jìn)行定制[1]。這種創(chuàng)新性的網(wǎng)絡(luò)劃分方法為不同類型的應(yīng)用提供了高度個(gè)性化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，無論是要求極低延遲的智能交通系統(tǒng)、要求高帶寬的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用，還是對(duì)安全性要求極高的醫(yī)療保健系統(tǒng)，都可以通過網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)[2]。因此，網(wǎng)絡(luò)切片不僅滿足了不同應(yīng)用的需求，還提供了一種資源管理的有效方式，有望加速5G和MEC的廣泛應(yīng)用。

本文研究在移動(dòng)邊緣計(jì)算環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，強(qiáng)調(diào)其在滿足多樣化應(yīng)用需求和優(yōu)化資源利用方面的重要性。依次探討網(wǎng)絡(luò)切片的設(shè)計(jì)和實(shí)施過程，分析其性能評(píng)估方法，并提供實(shí)際應(yīng)用案例以展示其潛力。此外，還討論了在MEC中實(shí)施網(wǎng)絡(luò)切片所面臨的挑戰(zhàn)，并展望未來的研究方向，以期望推動(dòng)這一領(lǐng)域的發(fā)展。

1? ?網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計(jì)需求

1.1 滿足不同應(yīng)用和服務(wù)需求

網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)之一是滿足不同應(yīng)用和服務(wù)的特定需求，包括但不限于智能城市、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療保健、虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域[3]。設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)切片時(shí)，需要深入了解每種應(yīng)用的特性。

（1）帶寬需求：某些應(yīng)用需要大量帶寬，如高清視頻流，而部分應(yīng)用僅需要較低的帶寬，如傳感器數(shù)據(jù)。

（2）延遲敏感性：實(shí)時(shí)應(yīng)用（如智能交通系統(tǒng)）要求極低的延遲，而其他應(yīng)用（如批處理數(shù)據(jù)分析）可以容忍更高的延遲。

（3）可靠性：一些應(yīng)用需要高度可靠的連接，以確保數(shù)據(jù)不會(huì)丟失或中斷，如遠(yuǎn)程手術(shù)，而另一些應(yīng)用對(duì)可靠性的要求則可以更寬松一些。

1.2 關(guān)鍵屬性需求

（1）帶寬分配：對(duì)于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，確定分配的帶寬量，高帶寬切片可能需要更多的物理資源來支持。

（2）延遲管理：通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、路由選擇和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的部署來降低延遲，可以使用邊緣緩存和邊緣計(jì)算來加速數(shù)據(jù)處理。

（3）可靠性和安全性：確保網(wǎng)絡(luò)切片的數(shù)據(jù)傳輸是安全的，且具備可恢復(fù)性，使用加密和備份機(jī)制來提高可靠性。

（4）資源管理：確保資源分配和釋放是有效的，以便網(wǎng)絡(luò)切片能夠在需要時(shí)獲得足夠的計(jì)算和存儲(chǔ)資源。

1.3 關(guān)鍵參數(shù)和策略

（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌哼x擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的快速傳輸。這可能涉及邊緣節(jié)點(diǎn)、基站、云數(shù)據(jù)中心等的部署。

（2）QoS（服務(wù)質(zhì)量）策略：為不同的網(wǎng)絡(luò)切片定義特定的QoS策略，以確保在網(wǎng)絡(luò)擁塞或高負(fù)載時(shí)按優(yōu)先級(jí)順序處理流量。

（3）自動(dòng)化和編排：使用自動(dòng)化工具和編排技術(shù)，以便快速創(chuàng)建、管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)切片，以適應(yīng)應(yīng)用需求的變化。

（4）監(jiān)控和管理：實(shí)施監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)跟蹤網(wǎng)絡(luò)切片的性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取措施。

（5）成本效益：考慮網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計(jì)對(duì)資源成本的影響，以確保設(shè)計(jì)是可持續(xù)的并且符合預(yù)算。

網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計(jì)的成功標(biāo)志在于平衡不同應(yīng)用需求之間的關(guān)系，并采用適當(dāng)?shù)膮?shù)和策略來優(yōu)化性能。這涉及深入的計(jì)劃、資源管理和技術(shù)選擇，以確保網(wǎng)絡(luò)切片能夠?qū)崿F(xiàn)其設(shè)計(jì)目標(biāo)并為不同行業(yè)帶來高效的移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)。

2? ?網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)施

2.1 網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)際部署過程

（1）需求分析：在部署之前，需要明確定義網(wǎng)絡(luò)切片的需求，包括帶寬、延遲、可靠性等方面的指標(biāo)。

（2）硬件和設(shè)備配置：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片需求，選擇合適的硬件設(shè)備，包括邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、交換機(jī)、路由器等。這些設(shè)備應(yīng)具備足夠的計(jì)算和存儲(chǔ)能力。

（3）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)：基于需求和硬件配置，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，確定數(shù)據(jù)流的路徑以最小化延遲，并確保網(wǎng)絡(luò)切片能夠順暢運(yùn)行。

（4）軟件配置和虛擬化：部署虛擬化技術(shù)，將物理資源虛擬化為多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，并配置各個(gè)切片的參數(shù)，如帶寬、QoS策略等。

（5）安全性和隔離：實(shí)施安全措施，確保不同網(wǎng)絡(luò)切片之間的隔離，以防止橫向攻擊或干擾。

（6）測試和驗(yàn)證：在應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)境之前，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片的測試和驗(yàn)證，確保各項(xiàng)性能符合預(yù)期。

（7）監(jiān)控和管理：部署監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)切片的性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題。

2.2 MEC中網(wǎng)絡(luò)切片的硬件和軟件要求

MEC中的網(wǎng)絡(luò)切片需要特定的硬件和軟件支持，以滿足不同應(yīng)用需求。

（1）邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)：邊緣計(jì)算服務(wù)器需要具備高性能的處理器和足夠的內(nèi)存，以支持計(jì)算密集型任務(wù)。此外，它們還需要連接到高速網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸。

（2）網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：交換機(jī)和路由器需要支持網(wǎng)絡(luò)切片功能，能夠根據(jù)QoS策略和帶寬要求進(jìn)行數(shù)據(jù)流的調(diào)度和控制。

（3）虛擬化平臺(tái)：軟件虛擬化平臺(tái)和容器化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的關(guān)鍵組成部分，它們?cè)试S將物理資源虛擬化為多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)切片。

（4）SDN控制器：軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）控制器用于動(dòng)態(tài)配置網(wǎng)絡(luò)切片，根據(jù)需求調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源分配。

2.3 網(wǎng)絡(luò)切片的自動(dòng)化管理

網(wǎng)絡(luò)切片的自動(dòng)化管理和編排工具對(duì)于快速創(chuàng)建、配置和管理網(wǎng)絡(luò)切片至關(guān)重要。Orchestration（編排）是移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)中的關(guān)鍵概念之一，指的是自動(dòng)化管理和協(xié)調(diào)各種資源和任務(wù)以實(shí)現(xiàn)特定目標(biāo)的過程。在網(wǎng)絡(luò)切片的背景下，編排用于創(chuàng)建、配置、管理和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)切片。

編排允許管理員或系統(tǒng)自動(dòng)創(chuàng)建和配置網(wǎng)絡(luò)切片，根據(jù)特定應(yīng)用或服務(wù)的需求分配資源，包括計(jì)算、存儲(chǔ)和帶寬。這確保了網(wǎng)絡(luò)切片按照預(yù)期方式運(yùn)行。編排負(fù)責(zé)監(jiān)控和管理網(wǎng)絡(luò)切片所需的物理和虛擬資源。這包括分配、重新分配和回收資源以滿足不同網(wǎng)絡(luò)切片的需求。編排可以管理網(wǎng)絡(luò)切片的服務(wù)質(zhì)量（QoS），根據(jù)應(yīng)用需求動(dòng)態(tài)調(diào)整帶寬、延遲和可靠性參數(shù)。這確保了各個(gè)切片在網(wǎng)絡(luò)中享有適當(dāng)?shù)馁Y源和性能。編排可以實(shí)施自動(dòng)故障檢測和恢復(fù)機(jī)制，以確保網(wǎng)絡(luò)切片在面臨網(wǎng)絡(luò)問題或硬件故障時(shí)能夠快速恢復(fù)或切換到備用資源。

編排負(fù)責(zé)實(shí)施安全策略和隔離機(jī)制，確保不同網(wǎng)絡(luò)切片之間的安全性，并防止橫向攻擊或干擾。編排系統(tǒng)通常包括監(jiān)控和分析工具，以實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)切片的性能和狀態(tài)，并提供有關(guān)優(yōu)化和改進(jìn)的數(shù)據(jù)。編排的主要目標(biāo)之一是自動(dòng)化。它可以通過自動(dòng)執(zhí)行編排策略和工作流程來簡化網(wǎng)絡(luò)切片的創(chuàng)建和管理，減少了人工干預(yù)的需求。編排可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和需求情況，實(shí)施資源調(diào)度和優(yōu)化策略，以確保網(wǎng)絡(luò)切片的高效利用和性能優(yōu)化。

網(wǎng)絡(luò)切片的成功實(shí)施需要仔細(xì)考慮硬件、軟件、自動(dòng)化工具和流程。只有在這些因素協(xié)同工作的情況下，才能有效地滿足不同應(yīng)用和服務(wù)的需求，實(shí)現(xiàn)高性能、高可用性的網(wǎng)絡(luò)切片。

3? ?網(wǎng)絡(luò)切片性能評(píng)估

3.1 性能評(píng)估方法

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片可使用多種方法來評(píng)估其性能。

（1）實(shí)驗(yàn)測試：進(jìn)行實(shí)際的測試和測量，以獲取網(wǎng)絡(luò)切片在真實(shí)環(huán)境中的性能數(shù)據(jù)。如在實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)中模擬不同應(yīng)用負(fù)載和流量模式，以測量吞吐量、延遲和數(shù)據(jù)包丟失率等性能指標(biāo)。

（2）模擬器和仿真：使用網(wǎng)絡(luò)仿真工具或模擬器來模擬網(wǎng)絡(luò)切片的行為，以評(píng)估其在不同負(fù)載和配置條件下的表現(xiàn)。這可以用于預(yù)測網(wǎng)絡(luò)切片在生產(chǎn)環(huán)境中的性能。

（3）基準(zhǔn)測試：制定性能基準(zhǔn)，以比較網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)際性能與預(yù)期性能之間的差距?；鶞?zhǔn)測試可以幫助發(fā)現(xiàn)潛在的性能瓶頸和問題。

（4）模型和分析：基于數(shù)學(xué)模型和分析技術(shù)，評(píng)估網(wǎng)絡(luò)切片的性能潛力和極限。這種方法可以用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)切片配置和資源分配。

3.2 性能指標(biāo)

網(wǎng)絡(luò)切片的性能可以通過多種指標(biāo)來評(píng)估，這些指標(biāo)可根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

（1）吞吐量（Throughput）：衡量網(wǎng)絡(luò)切片能夠處理的數(shù)據(jù)流量值，通常以每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量（比特/秒或數(shù)據(jù)包/秒）來表示。

（2）延遲（Latency）：衡量數(shù)據(jù)從發(fā)送端到接收端的傳輸延遲時(shí)間。延遲通常以毫秒（ms）為單位表示。

（3）數(shù)據(jù)包丟失率（Packet Loss Rate）：評(píng)估網(wǎng)絡(luò)切片中數(shù)據(jù)包丟失的程度，通常以百分比表示。

（4）資源利用率（Resource Utilization）：衡量網(wǎng)絡(luò)切片使用的計(jì)算、存儲(chǔ)和帶寬資源的利用率?？梢詫⑵浞纸鉃镃PU利用率、內(nèi)存利用率、帶寬利用率等。

（5）QoS（服務(wù)質(zhì)量）：衡量網(wǎng)絡(luò)切片提供的服務(wù)質(zhì)量，包括對(duì)延遲、帶寬和可靠性的符合程度。

3.3 性能評(píng)估的實(shí)際案例和方法

以下是一些實(shí)際案例和方法，用于網(wǎng)絡(luò)切片性能評(píng)估。

（1）視頻流切片性能評(píng)估：對(duì)于視頻流應(yīng)用，可以評(píng)估網(wǎng)絡(luò)切片的吞吐量和延遲，以確保實(shí)時(shí)視頻傳輸不受中斷。

（2）工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)切片評(píng)估：在工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)切片的性能可以通過模擬多個(gè)傳感器和控制設(shè)備之間的通信來測試。吞吐量和延遲是關(guān)鍵性能指標(biāo)。

（3）醫(yī)療保健應(yīng)用評(píng)估：對(duì)于遠(yuǎn)程醫(yī)療保健應(yīng)用，需要評(píng)估網(wǎng)絡(luò)切片的可靠性和安全性。延遲和QoS也至關(guān)重要，以確保遠(yuǎn)程手術(shù)和診斷過程的實(shí)時(shí)性。

（4）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)絡(luò)切片評(píng)估：針對(duì)IoT應(yīng)用，需要考慮大規(guī)模設(shè)備的連接和數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)切片的資源利用率和QoS對(duì)于處理IoT數(shù)據(jù)流至關(guān)重要。

性能評(píng)估的實(shí)際案例通常涉及創(chuàng)建模擬環(huán)境、測量性能指標(biāo)、分析結(jié)果并進(jìn)行優(yōu)化。不同應(yīng)用領(lǐng)域的性能需求各不相同，因此性能評(píng)估應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行定制。通過綜合考慮各種方法和指標(biāo)，可以確保網(wǎng)絡(luò)切片在實(shí)際應(yīng)用中的性能水平。

4? ?結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)切片作為移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）的關(guān)鍵技術(shù)之一，為實(shí)現(xiàn)多樣化的應(yīng)用和服務(wù)提供了高度靈活和可定制的網(wǎng)絡(luò)資源。本文闡述了網(wǎng)絡(luò)切片的設(shè)計(jì)、實(shí)施和性能評(píng)估，強(qiáng)調(diào)了其在滿足不同應(yīng)用需求和優(yōu)化資源利用方面的重要性。通過設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)切片，可以根據(jù)各種應(yīng)用的要求，定制化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，包括帶寬、延遲、可靠性等方面的特性。這為智能城市、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療保健、虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)等各個(gè)領(lǐng)域提供了高度個(gè)性化的解決方案。在網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)施方面，強(qiáng)調(diào)了硬件和軟件的重要性，以支持網(wǎng)絡(luò)切片的運(yùn)行。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、虛擬化平臺(tái)和SDN控制器等都起到關(guān)鍵作用，確保網(wǎng)絡(luò)切片的高性能和可用性。性能評(píng)估是網(wǎng)絡(luò)切片部署的重要環(huán)節(jié)，相關(guān)性能指標(biāo)包括吞吐量、延遲、數(shù)據(jù)包丟失率、資源利用率和QoS。

總之，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)為MEC提供了強(qiáng)大的工具，可以滿足多樣化應(yīng)用的需求，并優(yōu)化資源利用。通過綜合考慮設(shè)計(jì)、實(shí)施和性能評(píng)估，能夠更好地理解網(wǎng)絡(luò)切片的潛力，為未來智能、高效的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提供有力支持。移動(dòng)通信的未來已不再僅僅是連接，而是為各種領(lǐng)域的新興應(yīng)用帶來了無限可能，網(wǎng)絡(luò)切片將在其中扮演關(guān)鍵的角色。

參考文獻(xiàn)

[1] 王篤炎，陳華旺，邢劍卿，等．5G終端多切片技術(shù)研究和實(shí)踐[J]．?dāng)?shù)據(jù)通信，2023（1）：1-4.

[2] 王家成．基于“IPv6+”的5G承載網(wǎng)切片技術(shù)與應(yīng)用[J]．長江信息通信，2022（11）：205-207.

[3] 胡煜華，蔡月清，黎越，等．5G網(wǎng)絡(luò)無線切片技術(shù)研究[J]．江蘇通信，2022（4）：15-18，28.