魏洪河 汪冬

摘  要：随着移动通信技术的飞速发展，5G逐渐渗透到人们的日常生活中。社会数字化程度的加深使各种数据业务应用如雨后春笋般涌现，由此催生了对5G网络切片的强烈需求。文章首先阐述了社会数字化中5G的核心作用、5G的三大应用场景和5G的关键能力网络切片;然后介绍了5G网络切片的标准组织对切片的定义和要求，以及3GPP发布的R15、R16进展情况和3GPP定义的5G切片表示分类;最后分析了下一代移动网络的5G网络切片架构和具体实例。

关键词：移动通信;5G;数字化;网络切片;3GPP

中图分类号：TN929.5        文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）01-0058-04

Research on 5G Network Slicing Technology

WEI Honghe1，WANG Dong2

（1.Shanghai R & D Center，ZTE Corporation，Shanghai  201203，China;

2.School of Mechanical Engineering and Information，Shanghai Urban Construction Vocational College，Shanghai  201415，China）

Abstract：With the rapid development of mobile communication technology，5G is gradually penetrate into peoples daily lives. More and more data business applications boom out with the deepening in the degree of social digitization，which generate strong demand of 5G network slicing. This paper first describes the core effect of 5G in social digitization，three application scenarios of 5G and the key capability network slicing of 5G. Then this paper introduces the definition and requirement of slicing from 5G network slicing standard organization，and introduces the progress of R15 and R16 released by 3GPP and the classification of 5G slice representation defined by 3GPP. Finally，the 5G network slicing architecture and specific examples of the next generation mobile network are analyzed.

Keywords：mobile communication;5G;digitization;network slicing;3GPP

0  引  言

网络切片是指系统网络根据承载业务的自由特性与要求，对端到端的系统资源（网络能力、物理硬件和接口管道资源等）进行逻辑划分和封装，从而满足不同应用对系统带宽、时延和可靠性等网络性能的服务质量（Quality of Service，QoS）要求，使得單独切片系统发生问题和修复时不会影响其他的切片业务[1，2]。网络切片是5G的关键技术之一，2020年是5G的扩展年，国内外各大运营商都完成了5G中低频段（Sub-6 GHz）的布网，美洲部分国家完成了毫米波的商用。随着网络速度的不断提高，网络切片被提上日程，网络切片是当前各大运营商、服务供应商和终端的应用热点。中兴通讯公司自2017年就开展了网络切片的预研和开发，在2018年初的巴塞展上，中兴通讯层成功展示了5G端到端网络切片的实现。2020年8月，中兴通讯与中国联通、腾讯携手合作，在广东实现业内首个基于APP应用级的5G独立组网（Standalone，SA）端到端网络切片，创建包含5G SA网络、切片运营平台、5G终端和手机APP应用等端到端切片解决方案。

1  5G切片的需求

1.1  5G是社会数字化的核心

在5G时代，移动通信技术必将是社会数字化的强大推动力，未来的移动通信将飞速发展并会逐渐扩展到各种垂直行业，如交通运输、能源电力、仓储物流和农业等，并持续在银行业、健康医疗等行业发挥着越来越重要的作用。

5G是数字化的核心驱动力，支撑个人数字化和社会数字化，如图1所示。5G提升个人数字化体验，使个人用户享有高速移动速率，在增强现实/虚拟现实（Augmented Reality/Visual Reality，AR/VR）、4K/8K和视频实时游戏等方面获得更好的体验。5G网络需要支撑差异化的各行业场景。

1.2  5G定义的三大典型场景

不同用户群的差异化需求给运营商带来了巨大的压力，如若运营商沿用现有网络的搭建思路，需要创建多张不同的网络以满足不同用户差异性较大的应用需求，这对运营商来说将是一笔巨大的支出，并且是利用率不高的投资[3]。考虑到这一特殊的业务要求，引入了网络切片技术，利用网络切片使运营商能够在一个共用的硬件平台上创建多个相互隔绝的、虚拟的、特用的逻辑网络，以满足不同用户对网络承载的不同要求。5G标准定义的三大场景如图2所示。

下文给出5G三大场景的具体说明：

（1）移动增强宽带（Enhanced Mobile Broadband，e- MBB）场景。该场景主要针对移动通信中以人为中心的使用场景，提供用户对多媒体内容、服务和数据的高速访问和接入，实现广域网的无缝链接，面向新的需求提供大容量高速率的通信服务。要求巅峰速率大于10 Gbps，对高宽度高速率有所要求的业务分别为VR/NR、云游戏、高清语音、云办公和3D高清视频等。

（2）海量机器类型通信（Massive Machine Type Com-munications，mMTC）场景。该场景主要针对连接设备数量庞大，并且这些设备通常只需传输数量相对较少的非时延敏感数据的情况。在此场景中，需要严格控制各通信设备的成本并且确保设备的电池续航时间足够长。例如智慧城市、智慧交通和智能家居等。

（3）高可靠和低延迟通信[4]（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，uRLLC）场景。该场景主要针对具体应用场景中对高速率、耗时和应用性等参数要求比较严格的情况，例如远程指导医疗、工业智能化、自动驾驶和远程控制等。

1.3  网络切片是5G的关键能力

5G切片是一套端到端的解决方案，端到端体现在网络的各个层面。不仅是核心网、承载网和无线网需要切片，而且终端也需要切片。

网络切片由终端、切片网络和服务商组成，如图3所示。

网络切片的价值在于：

（1）按客户需求定制。按客户需求分配资源，灵活组合网络能力，满足不同客户的需求。

（2）切片经营。切片商品化并通过能力开发实现应用深度融合，实现5G网络价值最大化。

（3）资源共享。通过切片实现一个物理网络支撑多种网络服务，实现资源共享，降低网络成本。5G业务要求千差万别，各类业务对网络宽度、耗时及可信任性等网络指标的服务性能要求呈现出多样化的特点，利用网络切片技术，搭建一个物理网络软件定义多个虚拟的端到端系统，满足不同业务应用的要求[5]，这几个个逻辑上的网络通过各种手段在逻辑上隔离，互不影响。

2  5G切片的标准组织和进展

与切片有关的行业组织和标准组织为：

（1）5G汽车协会（5G Automtive Association，5GAA）、

电气工业中央协会（Zentralverband der Electechnischen In-dustries，ZVEI）等组织从垂直行业角度描述对切片的需求。

（2）全球移动通信系统协会（GSMA）[6]、下一代移动网络（NGMN）和国际电信论坛（TM Forum）等从运营商角度描述对切片的需求。

（3）第三代合作项目（3GPP）、宽带论坛（BBF）、互联网工程任务组（IETF）、欧洲电信标准化协会（ETSI）等标准组织，主要描述切片的架构、功能、流程和接口等。其中，3GPP主要描述了接入网络（AN）和核心网络（CN）的切片，同时还介绍了切片的管理架构。BBF描述了传输的切片的要求和功能。ETSI定义了网络切片如何与网络应用进行布置对照[7]。

目前，3GPP R15网络切片标准进展如下，如图4所示。

5G切片：确切规定网络切片选择辅助信息（NSSAI），切片签约/存储、切片选择、切片路由、5G切片与演进分组系统（EPS）的交互等基本功能。接入和移动性管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）、网络切片选择功能（NSSF）、策略控制功能（PCF）和统一数据管理平台（UDM）等切片相关接口的定义，其中NSSF切片选择功能接口已经定义完成。

切片管理：网络切片管理功能/網络子切片管理功能（NSMF/NSSMF）基本管理功能、流程和接口，包括配置管理、告警性管理、5G切片/子切片信息模型、5G性能测量/关键性能指标（KPI），已于2018年9月定义完成。

3GPP R16计划定义的功能：在R16已经立项的切片课题有FSP_eNS，主要研究切片漏掉问题，包括切片互斥以及多切片中的多会话和4G数据通信网（Data Communication Network，DCN）互通;FS_eIMS 5G描述IP多媒体子系统与切片之间的交互;FS_BMNS研究切片商业模型对3GPP架构的影响。

切片管理：切片自动化功能、通信服务管理功能（Com- munication Service Management Function，CSMF）、流程和接口在2019Q3（3GPP R16）完成。

3  5G切片表示分类

3GPP 23.501定义了以下四种NSSAI：

（1）配置NSSAI（Configured NSSAI），网络配置给用户设备（User Equipment，UE）使用的NSSAI，UE收到这个配置参数后就知道网络下有什么S-NSSAI可用;网络会在注册接收消息（Registration Accept）的Configured NSSAI IE带给UE，如果注册后UE的配置有变化，网络可通过Configuration update command通知UE进行更新;UE会在非易失存储空间保存每个网络给它配置的Configured NSSAI;每个PLMN最多只能配置一个Configured NSSAI。

（2）请求NSSAI（Requested NSSAI），UE在注册更新时通过Registration Request消息把请求NSSAI带给NG-RAN，NG-RAN使用Requested NSSAI来选择服务AMF。Requested NSSAI来自UE中保存的注册PLMN关联的Configured NSSAI和Allowed NSSAI，优先使用Allowed NSSAI。

（3）簽约NSSAI（Subscribed NSSAI），在UDM上签约的UE支持的切片列表，签约信息中包含一个或多个S-NSSAIs。当Subscribed NSSAI改变时，AMF会通过UE Configured Update过程向UE发送更新的Configured NSSAI和Allowed NSSAI。

（4）允许NSSAI（Allowed NSSAI），表示UE请求的NSSAI、被网络允许的S-NSSAI，网络通过注册接收消息（Regustration Accept）把“Allowed NSSAI”带给UE。

举个例子，UE在初始注册时，手机上没有保存Configured NSSAI和Allowed NSSAI，那么UE可以在Registration Request中的Request NSSAI填写为default configured NSSAI，核心网将根据用户签约的Subscribed NSSAI来设置Configured NSSAI和Allowed NSSAI，并在Registration Accept中发送给UE，UE上的APP在触发业务的时候就可以从保存的Allowed NSSA中选择一个切片来接入（APP和切片选择也是有策略的）。UE在后续注册的时候就会从保存的Configured NSSAI和Allowed NSSAI中选择全局或者一个子集来填写为requested NSSAI（由手机实现）。

无论Configured NSSAI还是Allowed NSSAI都是PLMN级别的，也就是说网络只会下发当前PLMN下支持的NSSAI，不同运营商设置不同的切片，这点在网络共享的时候也是相同的。

4  5G移动网络切片概念和实例

4.1  5G移动网络切片概念

网络切片可分为3层，分别为服务实体层、网络切片实体层、资源层[8]，如图5所示。

网络切片实例层标记要支持的服务（最终客户服务或业务应用服务），每个服务都由服务实体表示。通常服务可以由网络运营商或第三方提供。

网络切片实体供给服务实例所需要的网络能力。网络切片实例还可以为网络运营商供给多个服务实例之间的共用。

网络切片实例可以由零个、一个或多个子网络实例组成，一个网络实例可以被多个网络切片实例共享。子网络实例用于组成一组网络功能，这一组网络功能在物理/逻辑资源上运行。

切片1：只有切片，没有子切片，显示情况少。

切片2：切片下面只有一个子切片，比如只有核心网子切片，无线和传输都没有切片。

切片3：应用端到应用端切片，无线侧、核心网侧和传输侧都包含子切片。

切片4：同一切片可以支持多个通信业务，同一个切片可以在多个切片下共享，例如同一无线子切片同时支持eMMB和mMTC切片。

4.2  5G移动网络切片实例

NGMN发布的5G白皮书描述的在同一物理基础设施上的运营商多张网络切片的实例：

（1）智能手机使用的5G切片需要在网络上部署完整的功能。

（2）安全性、可靠性和实时性是5G切片在自动驾驶应用中的重要要求，对于这样的切片，可以在云边缘节点处对所有必要的（并且可能是专用的）功能进行实例化，包括由于延时约束而必须在云边缘节点处实例化的垂直应用。

（3）对于支持mMTC业务的5G切片，可以只配置一些基本的控制平台功能，省略如移动性管理功能。

5  结  论

2019年是5G元年，各大运营商都在纷纷展示5G的高速率。2020年是5G扩展之年，5G正在逐渐进入普通人的日常生活中。逐步数字化的社会、多样化的业务发展对5G切片的需求愈发迫切。随着各大标准组织对5G网络切片的逐步完善，以及各大设备供应商和运营商积极搭建试验网，网络切片也会迅速商用并走进普通人的生活。

参考文献：

[1] 陈运清，雷波，解云鹏.面向云网一体的新型城域网演进探讨 [J].中兴通讯技术，2019，25（2）：2-8+27.

[2] 乔楚.5G网络端到端切片技术研究 [J].通信技术，2018，51（9）：2092-2101.

[3] 任驰，马瑞涛.网络切片网络切片：构建可定制化的5G网络 [J].中兴通讯技术，2018，24（1）：26-30.

[4] 刘会衡.5G候选波形Filtered-OFDM技术研究与分析 [J].通信技术，2018，51（2）：289-293.

[5] 宋明泽，张沛，李宏平，等.5G驱动下的视频技术在体育行业的应用研究 [J].通信世界，2019（15）：38-40.

[6] 汪润，王丽娜，唐奔宵，等.SPRD：基于应用UI和程序依赖图的Android重打包应用快速检测方法 [J].通信学报，2018，39（3）：159-171.

[7] 刘义亮，李鑫，薄开涛.5G端到端网络协同关键技术 [J].电信科学，2020，36（3）：144-155.

[8] 罗玙榕，曹进，李晖.软件定义5G通信网络的虚拟化与切片安全 [J].中兴通讯技术，2019，25（4）：30-35.

作者简介：魏洪河（1974—），男，汉族，山东夏津人，主任协议工程师，硕士，研究方向：手机2G、3G、4G和5G通信协议和射频驱动;汪冬（1978—），女，汉族，安徽芜湖人，教授，博士，研究方向：计算机应用系统。