5G差异化业务场景需求及网络切片（1）

前言

        5G 网络组网协议中明确了 5G 网络架构，其最大的特点是采用了服务的架构（service based architecture，SBA）架构，对应不同应用场景由网络切片选择功能创建网络切片。5G网络切片不仅提升了5G网络资源分配的灵活性，同时也为网络管理、控制提供了更大的空间。本博文是我在阅读几篇文献、博客以及教学视频的基础上整理出来的对于5G网络切片的基本认识（由于时间仓促，难免或有很多表达不准确、不严谨的地方，希望大家指正。同时文章的图片来自于网络，如有侵权，请联系我删除）

一、5G网络切片在国内外研究情况

        早在国内5G商用之前，爱丁堡大学的Xenofon Foukas等人，就调研了5G环境下实现网络切片的现有工作，并提出了一个通用的5G切片网络构架方案。该框架由infrastructure基础设施（infrastructure）、网络功能（network function）和服务层（andservice layers）以及服务管理（service management）和orchestration (MANO)组成。
        2020年英国普利茅斯大学和贝尔实验室的Barakabitze A A等人通过40页的综述性文章，对网络切片基本概念、历史发展和不同的案例进行了深度总结和分析。提供了一个关于5G网络切片技术整体综述，包括SDN、NFV、MEC、云计算、网络管理程序、虚拟机和容器等。文中还全面分析了采用SDN和NFV加速5G网络切片在不同行业举措和项目实施情况。同时比较了各种5G架构方法在实现、技术路线的采用和部署策略方面的差异，并总结了使用SDN和NFV在5G网络中使用网络软件化和切片的未来挑战和研究方向。
参考文献：Foukas X, Patounas G, Elmokashfi A, et al. Network slicing in 5G: Survey and challenges[J]. IEEE Communications Magazine, 2017, 55(5): 94-100.
Barakabitze A A, Ahmad A, Mijumbi R, et al. 5G network slicing using SDN and NFV: A survey of taxonomy, architectures and future challenges[J]. Computer Networks, 2020, 167: 106984.
        周等人提出了SDN/NFV架构下一种基于GA-PSO优化的网络切片编排算法。该算法利用粒子群算法能够快速收敛于全局最优解的特性，得到最优网络切片，实现对网络切片的更新和优化。
        张等人根据5G网络实时应用场景对网络切片的建立提出了严格的要求，用四阶矩为代价函数，根据预测结果在5G网络中提前隔离虚拟节点资源和虚拟链路资源,完成网络切片的动态创建，新请求网络切片的创建时间减少50%。
参考文献：周恒,畅志贤,杨武军,郭娟.一种5G网络切片的编排算法[J].电信科学,2017,33(08):130-137.
张佳庚,祝敏,杜丰,王齐,刘俊,锁志海,王力.基于预测的5G网络切片算法[J].电信科学,2021,37(09):74-85.
以上都是在5G网络切片算法实现方面的优化。

二、为什么需要网络切片?

2.1 不同场景对差异化业务的挑战

接下来介绍一下为什么需要网络切片。我认为网络切片业务的引入包含两大驱动力，第一个驱动力是业务驱动，比如下面我们所熟知的5G应用三大场景，其实对于整个网络的场景多样化的要求是十分极致的，
        通常5G整体的网络场景分为三大场景，增强移动带宽（eMBB），低时延高可靠（uRLLC）和海量大连接（mMTC）。

        针对于增强移动带宽场景，我们认为它主要是面向于4k/8k超高清视频，以及一些对于网络带宽流量要求比较大的云游戏场景进行的。

        而海量大连接场景主要是针对于物联网场景，比如说一些物联网的传感器可以广泛的用于测量、建筑、农业等场景，它对于整个网络的时延和带宽要求是不敏感的，但是对于网络的吞吐量，还有网络、整个设备的寿命要求是十分极致的。

        第三个场景是低时延高可靠，它主要应用于无人机、智慧工厂、智能电网等场景，主要是为用户提供超低时延和高可靠场景的业务保障。

2.2 技术的驱动

        面对日新月异的业务场景需求，这促使我们整个网络可以在我们整体的基础设施架构上，为用户提供基于通用基础设施灵活低成本的差异化组网能力。
        在这种情况下，传统的4G网络已经不能够满足我们整个5G业务产品的需求，整个技术驱动导致了我们的4G网络组网架构，需要从4G的one-fit-all（一刀切）的组网架构，到5G端到端网络切片的组网架构进行演进。

        在4G的组网架构里面，我们是一张大网服务于所有的所有场景，这些场景之间是我们是通过产品的APN\QoS参数等，承载不同的业务流，通过这种方式不同业务流之间其实隔离性是比较差的。

        另外我们整个网络如果需要叠加一种新型的业务，它就需要进行全网的业务改造和升级，对于网络的扩展性要求也是不够的，所以说由这种传统的单一组网改变为灵活的按需定制的网络架构技术以后，网络切片就是在同一个物理网络上构建端到端、按需定制和隔离的逻辑网络，提供不同的功能、性能、成本、连接关系的组合，支持独立运维，为不同的业务和用户群提供差异化的网络服务。这样一来，就将原本QoS的“业务类别/业务特性”二维扩充成了“网络切片/业务类别/业务特性”三维，同时解决了行业用户对网络的安全隔离和独立运维的要求，借助网络切片端到端的设计、监控和保障，可以实现对网络SLA的可保障服务，不需要在公共网络中去争夺资源，满足行业用户对通信可靠性的要求。
        5G网络切片技术就可以为我们用户提供定制化逻辑隔离或专用的质量可保证的端到端的网络。

三、什么是网络切片

        基于我们上述总结的两大驱动力，网络切片是提供特定网络能力的，端到端的逻辑专用网络，一个网络切片实例，认为它是组合一个端到端网络整体所需要的所有的网络功能和网络资源的组合，主要包括无线接入网、传输网和核心网能力。
        从目前的文献和产业界的实际情况来看，网络切片它既可以基于传统的专用硬件进行构建，也可以基于我们当下已有的NFV\SDN虚拟化技术进行构建。当然基于虚拟化技术构建，其实是一个统一平台的组网方式，这样的话可能对于运营商的低成本高效运营来说是更优的一个选择。

3.1网络切片的特征

        网络切片的特征分为4类，一类是定制性，5G有多样化的场景，网络切片这种端到端的组网技术就可以为不同的行业不同的需求提供端到端，网络可定制、性能可定制、结构方式可定制，服务范围可定制的一个逻辑的专用的网络。

        第二个特性是隔离性和专用性，我们认为网络切片它是一个服务于特定场景的端到端技术，所以说我们就可以使用物理隔离逻辑隔离的不同技术，然后来实现不同场景的隔离化的需求。
        第三个特性是质量可保证，4G里面只有QoS的单用户的业务保障，而在网络切片里面，我们会基于5g已有的 DNN\QoS的机制，然后我们叠加基于网络切片的端到端的质量保证闭环，比如说网络切片的、性能测量，网络切片基于性能测量的闭环控制，这些特性在一定程度上都可以增加网络切片服务于用户的质量保障。
        第四个特性是统一平台，网络切片大部分使用统一平台构建，在这种情况下，基于NFA和SDN构建虚拟化资源池，它可以灵活的组合不同的网络功能，另外对于运营商整体的运维成本也会有大大的降低。

3.2网络切片的价值

        网络切片是未来运营商服务于垂直行业的第一应用和基本服务形式，所以把整个5G网络切片的核心价值分了两大类，网络切片及服务以及服务质量可保障。
        针对于网络切片及服务（Network Slice as Service），可以把整个端到端的网络作为服务提供给客户，为不同行业提供相互隔离功能可定制的网络服务。另外在网络服务里面，我们为用户提供了定制化的网络设计部署和运维服务。
        针对质量可保障（Performance Guaranteed）网络切片首先可以提供专用逻辑的网络传输管道，可以提供可保证的性能，比如说时延吞吐量可靠性的业务指标，都可以针对不同的用户进行不同等级的保障。
        网络切片最大的特性最大的优势就是基于网络连接提供定制及增值服务。在这类服务里面，我们把这些定制和增值服务分了三类，一类是资源服务，网络切片可以让第三方把应用搭载在运营商的云资源池和网络基础设施平台上，这样就可以实现网络运营的，同时实现资源运营。
        第二种服务是网络服务，比如说我们现有的一些边缘计算服务，CDN服务、路径优化服务，都可以搭载在网络切面上，整体进行打包售卖。
        第三类服务是管理服务，未来我们运营商将会基于网络切片技术，开放一些网络切片的管理和运营能力，第三方可以在购买网络切片的同时，获取一些端到端整体网络切片的性能质量参数。
        接下来介绍一下网络切片的共享维度分析，我们认为整个端到端网络切片既可以专用，也可以共享一些无线、传输、核心网的部分的网络功能。我们认为可能未来所有的业务场景对于整个网络的隔离性要求都是不同的，所以说在组合端到端网络切片的时候，在整个资源利用率以及高网络代价和高性能的实现上，我们会寻求一个整个代价的平衡。比如说针对一些党政军业务，我们可能对于安全性的要求，就需要我们在无线传输和核心网上进行专用。
        但是针对于一些云网业务，像云游戏4k和高清直播，它对于整个网络的代价主要是要求网络实现高带宽，而不是整体的高隔离性，所以说我们就会在整个网络设施的部署时候，我们会实现比如说一些核心网的共享，无线的共享，这样的话寻求一个整体的资源利用率的最大优化。

四、现阶段存在的问题

通过文献阅读我也总结出来网络切片目前存在的一些问题，包括
1、端到端拉通仅仅局限在单厂家设备，一般也仅包括核心网、承载网、无线接入网和切片编排管理系统，跨厂家的拉通并未看到；
2、切片的用户接口没有看到产品出现，切片商城仅仅停留在概念和原型，能力开放平台也还处在讨论阶段；
3、支持切片的移动终端没有看到，还是基于测试终端进行；
4、切片拉通的许多环节还需要人工配置，自动化实现程度低，快速部署和灵活定制优化还无法实现。

总结

        本文通过文献的阅读，总结了5G 三大场景下对差异化业务的挑战。然后我们通过分析整个网络的业务驱动和技术驱动，引出了网络切片技术。也介绍了一下网络切片整体的基本概念以及特性，同时也介绍了一下网络切片的一些基本的实施方案。