网络切片,或许是5G最好的网络架构

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即将到来的5G无疑是一场重大的机遇与挑战,5G网络规模和市场潜力庞大,据IHS Markit报告显示:到2035年,5G将在全球创造12.3万亿美元经济产出,这几乎相当于所有美国消费者在2016年的全部支出,并超过了2016年中国、日本、德国、英国和法国的消费支出总和。提到5G就不得不提起网络切片,作为5G中被广泛讨论的技术,网络切片对于5G的意义巨大,相关专业人士认为网络切片是5G核心所在。

 
那么,何为网络切片?网络切片有何优势?网络切片如何在5G中应用?网络切片标准进展如何?网络切片面临什么挑战?网络切片的参与主体有哪些呢?本文将带您深入了解。
 
1.网络切片概念及优势
 
什么是网络切片?
 
网络切片的概念一直都没有一个统一的官方定义,下面罗列了几个运营商和标准组织在白皮书中谈到的网络切片概念。
 
网络切片使网络元件和功能可以在每个网络片中轻松配置和重用,以满足特定要求。网络切片的实现被认为是包括核心网络和RAN的端到端功能。每个片都可以拥有自己的网络架构,工程机制和网络配置。(5G Americas)
 
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网络切片架构,图源5g-Americas网络切片白皮书
 
网络切片是一种端到端的概念,涵盖所有网段,包括无线网络、有线接入、核心、传输和边缘网络。它支持在公共基础设施平台上并发部署多个端到端逻辑、自包含和独立的共享或分区网络。(5GPPP)
 
网络切片是SDN/NFV技术应用于5G网络的关键服务,一个网络切片将构成一个端到端的逻辑网络,按切片需求方的需求灵活地提供一种或多种网络服务。(中国联通)
 
 
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5G网络切片整体架构,图源中国联通《5G网络切片》白皮书
 
网络切片是端到端的逻辑子网,涉及核心网络(控制平面和用户平面)、无线接入网、IP承载网和传送网,需要多领域的协同配合。(中国电信)
 
网络切片的优势
 
网络切片使网络运营商可以选择每个切片所需的特性,例如更少的延迟、更高的吞吐量、连接密度、频谱效率、流量容量和网络效率。这有助于提高创建产品和服务方面的效率,并改善客户体验。
 
网络切片的每个片是隔离的,并且包括设备、访问、传输和核心网络,从而提高可靠性和安全性。此外,无需考虑网络其余部分的影响就可以对切片进行更改和添加,这样可以节省时间、精力和成本,因为单个切片的更改无需重新设计整个网络。
 
网络切片可以实现更好的成本效益。网络正逐渐将不必要的功能移除,并且在需要的地方添加新技术。网络切片结合了可以划分、共享和优化资源的通用底层基础设施,对资源的使用更具成本效益,并有助于降低总体成本。
 
网络切片能够使IT以更低的成本实现更多目标,可以创建单独的时间表、服务和定价,并仍然保留共同基础设施的好处。网络运营商可以变得更灵活,从而提供更好的用户体验。
 
2.网络切片在5G中的应用
 
在5G的情况下,单个物理网络将被分成多个虚拟网络,这些网络可以支持不同的无线接入网络(RAN),或者在单个RAN上运行的不同服务类型。可以设想,网络切片将主要用于划分核心网络,但也可以在RAN中实现。
 
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由于5G将支持多种用例和新服务,因此网络切片有望在5G网络中发挥关键作用。这些新的用例和服务将在功能方面对网络提出不同的要求,并且它们的性能要求会有很大差异。
 
虚拟现实VR:作为公认的5G未来杀手级应用之一,VR在近几年一直是业界的热点话题。VR的异地交互需要数据连接具备低延时、高吞吐量两大特性。通过5G网络切片,可以实现超低时延的VR 4K直播,还可以实现VR直播互动的在线购买等功能。
 
增强现实AR:当前主流的AR游戏包括基于实时地图定位以及AR的多样化场景,融合现实与游戏场景,为人们带来极致的沉浸式业务体验。网络时延以及带宽成为流畅游戏的决定性因素,需要端到端的服务质量保障。网络切片是5G业务的关键使能技术,并带来切片即服务的创新理念,通过网络切片和手机终端切片资源,可以保障AR游戏流畅所需的低时延、高带宽。
 
自动驾驶汽车:依赖于V2X通信,这需要低延迟但不一定需要高吞吐量。在汽车行驶时观看的媒体服务需要高吞吐量并且容易受到延迟的影响。两者都可以通过虚拟网络切片上的相同公共物理网络传送,以优化物理网络的使用。
 
无人机:5G无人机控制网络切片,在网络边缘采取了AI技术,使得位于切片中的所有无人机都相互独立、安全,具备及时响应不断变化的环境的能力。无人机所需的连接密度很低,但要求网络具备广域覆盖和低时延。
 
智能电网:用5G网络切片来承载电网业务是一种新的尝试,将运营商的网络资源以相互隔离的逻辑网络切片,按需提供给电网公司使用,可以应用在智能电网用电信息采集、分布式电源、电动汽车充电桩控制、精准负荷控制等关键业务中,满足电网不同业务对通信网络能力的差异化需求。同时兼顾高性能、高可靠、隔离和低成本,成为智能配电网的有效解决方案。
 
从虚拟现实、增强现实、4K/8K超高清视频,到自动驾驶、车联网、远程医疗、智能交通及无人机,再到物流仓储,工业自动化,作为信息化的基础设置,5G将提供适配不同领域需求的网络连接特性,推动各行业的能力提升及转型。
 
3.标准组织对切片的研究
 
网络切片在各个领域都发挥了重大的作用,由于切片之间相互隔离,一个切片的错误或故障不会影响到其他切片的通信。5GPPP、3GPP、NGMN等不同标准组织均对网络切片展开了相关研究。
 
欧盟Horizon 2020:Horizon 2020是有史以来最大的欧盟研究和创新计划,它在2017年10月发布了“5G端到端设施”的主题。目标是通过5G PPP定义的代表性网络试验验证5G网络KPI,为垂直用例准备一个广泛的验证平台。5G端到端网络设施包括了端到端虚拟化和切片作为支持垂直用例的关键组件。
 
5GPPP:5G PPP是欧盟委员会与欧洲ICT行业(ICT制造商、电信运营商、服务提供商、中小企业和研究机构)之间的联合举措。5G PPP将为未来十年的下一代通信基础设施提供解决方案、架构、技术和标准。5GPPP发布的SliceNet项目和5G-Transformer就包含网络切片。
 
SliceNet将基于先进的软件网络和认知网络管理,最大限度地发挥5G基础设施及其服务的潜力,实现跨SDN/NFV的5G网络中多个运营商域的基础设施共享。该项目旨在通过高度创新的切片配置,控制,管理和编排框架实现真正的端到端切片,面向垂直的QoE。
 
5G-Transformer旨在将当今的移动传输网络转变为基于SDN/NFV的移动传输和计算平台(MTP),通过配置和管理针对特定需求定制的MTP片段,将“网络分片”范例引入移动传输网络和垂直行业。
 
3GPP: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 3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,得到了3GPP的高度重视。SA1的场景研究、SA2的框架制定和SA5的网络管理均对网络切片制定了专门的课题。
 
5G Americas:5G Americas是行业贸易协会,也是5G和LTE的代言人,2016年12月5G Americas发布了一份名为“网络切片5G网络和服务”的技术白皮书,详细介绍了与5G技术相关的网络切片实施,探索了端到端的5G系统框架,并讨论了网络切片在空中接口技术中的应用。5G Americas总裁Chris Pearson表示网络切片将在优化5G网络方面发挥重要作用。
 
NGMN:NGMN在5G白皮书里介绍了网络切片的概念,认为该技术可以基于业务的需求来灵活地选择用户面、控制面以及无线侧的模块和资源,可以优化网络资源分配,实现最大成本效率,满足多元5G新业务的需求。
 
GSMA:GSMA是移动运营商广泛参与的组织,非常重视网络切片的相关研究及工业化应用。2017年GSMA专门成立了NEST项目组从事支持车辆应用的网络切片相关研究,该工作组从2017年3月开始相关的研究工作,预计一年时间内深化完成5G移动网络如何更好地服务于车辆工业相关应用的研究并形成可供汽车工业参考的切片文档。
 
4.网络切片挑战
 
网络切片是5G网络实现的基础之一,但要实现5G网络也面临着诸多的障碍。由于5G网络提供无线连接,RAN需要重新设计以启用网络切片。此外,尽管几乎每个人都意识到网络切片在5G中发挥重要的作用,但是如何最佳实践5G切片还缺乏行业共同认知。有关如何将网络切片技术与SDN和NFV结合起来以实现无线设备与物理控制器之间的点对点的连接也有待商榷。且这种技术的孤立性可能会组织网络层面的干扰,但这仍然很难通过丰富的网络层面来实现。为了确保网络切片可以与其他5G技术协同工作,将需要实现网络切片与其他技术的互操作性工作。
 
中国联通网络技术研究院发布的《中国联通5G网络切片白皮书》指出为通过网络切片实现众多垂直领域业务,网络还需要实现按需的网络能力,和灵活的运行和管理两个方面的挑战。按需的网络能力,一个网络切片将构成一个端到端的逻辑网络,按切片需求方的需求灵活地提供一种或多种网络服务。网络切片需要支持运营商,对时延,移动性,可用性,可靠性和数据速率等网络性能差异定制。需要支持针对公共安全,公司客户,漫游用户或托管MVNO等特定用户提供隔离,并对优先级、计费、策略控制、安全性和移动性等进行功能差异定制。切片管理功能有机串联商务运营,虚拟化资源平台和网管吗系统,为不同切片需求方(如垂直行业用户、虚拟运营商和企业用户等)提供安全隔离,高度自由的使用逻辑网络。
 
欧盟5GPPP(5G公私合资合作研发机构)发布5G白皮书“View on 5G Architecture”《对5G架构的观点》对网络切片生命周期管理提出了需要面对的挑战。 网络切片使运营商能够在给定时间创建逻辑分区网络,以便为不同的市场场景提供优化服务。这些场景在服务特性,所需的网络资源,性能,隔离,弹性和QoS问题方面需要不同的要求。仅在给定时间使用必要的网络功能和网络资源创建网络切片。从一整套资源和网络/虚拟网络功能中收集,并根据特定服务和目的进行编排。
 
为了实现网络切片功能,显然需要基于以下架构原则来查看网络切片解决方案的完整生命周期管理特性:
 
治理原则:所有网络的逻辑集中管理机构域中的切片。
 
分离原则:切片可以彼此独立,并且彼此之间具有适当的隔离度。
 
功能可见原则:允许每个切片在由运营商设定的限制内通过专用接口和/或API向第三方呈现关于切片提供的服务信息(例如,连接信息,移动性和自主性)。
 
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网络切片生命周期,图源5GPPP 5G架构白皮书
 
为了在5G网络环境中寻求具有相关特征的上述原则的解决方案,网络切片需要具有以下特性和面对如下挑战
 
网络切片功能:
 
保证每一个数据/控制/管理/服务层的隔离,为安全、安全和高效的多租户提供支持。
NS启用方法需满足不同服务要求,保证切片内服务的端到端QoS。
递归,即NS分段的方法,允许具有父子关系的切片层次结构。
管理切片灵活性和效率之间权衡的方法和策略。
资源和网络功能优化,即自动选择网络资源和功能的方法。
在单一或多域环境中监控NS的状态和行为,监测NS互连。
网络切片的可编程性和控制。
网络切片操作
 
切片管理包括每个网络切片模型的创建,激活/停用,保护,弹性,可扩展性,安全性,大小调整和可扩展性,用于无线网络和有线接入,核心,传输和边缘网络中的切片。
自主切片管理和操作,即自我配置,自组合,自我监控,自我优化,切片的自弹性,将作为切片协议的一部分得到支持。
通过具有用于切片的有效组合、分解的因素和方法来进行切片缝合、组合:垂直(通过服务+管理+控制平面);水平(在不同的域之间作为访问,核心,边缘段的一部分);或垂直+水平的组合。
切片的端到端网络段编排。
服务映射 - 将服务动态自动映射到网络切片。
用于集成上述功能和操作的高效促成因素和方法。
网络切片编排与自动化是关键。编排就像乐队指挥官,他利用NFVI(网络功能虚拟化基础设施)里的资源(乐器)形成VNF功能(乐声),并将不同的乐声组织,变成一曲曲美妙的音乐。
 
值得一提的是,由于网络功能虚拟化并不是一蹴而就的事,它可能需要几年的时间,在这期间,网络内的物理网络功能和虚拟网络功能将共存,甚至有些物理功能永远不会虚拟化,这是一个混合的网络。所以,一个包含了物理域和虚拟域的网络编排是NFV转型能否成功的关键。
 
5G网络切片参与主体及行业进展
 
像KT、SK Telecom、China Mobile、DT、KDDI、NTT等网络运营商,以及Ericsson、Nokia 、Huawei 等设备商都认为网络切片是5G时代的理想网络架构。
 
中国移动在2017年MWC展会上,联合华为、德国电信、大众集团发布了《服务可保证的5G网络切片白皮书》。为了加速5G应用的商业化进程,中国移动联合华为等厂家一直在积极开展网络切片的研究及验证,并在商业模式方面不断的探索。在2018世界移动大会·上海期间,中国移动、华为和兰亭数字联合演示业界首个基于5G网络切片技术的VR直播互动业务,让展会嘉宾现场感受沉浸式的直播体验。中国移动争取在2020年5G全面商用时实现网络的切片化,并实现端到端的网络能力。此外,中国移动还通过工信部国家重大专项、国家发改委5G应用示范项目,与产业链各方合作设立5G联合创新中心、5G多媒体创新联盟(5MII)等,积极开展服务于交通、媒体、娱乐、电力等多行业场景的网络切片应用试验。
 
中国联通计划三阶段推进5G。2016年-2017年,战略与架构制定阶段,联通发布5G需求白皮书、网络架构白皮书、技术演进白皮书。中国联合网络通信有限公司网络技术研究院2018年6月发布《中国联通5G网络切片白皮书》。2018年4月20日中国联通网络技术研究院与华为正式签署了“5G网络切片联合创新合作协议”。双方通过切片创新合作项目,将共同开展5G网络切片技术研究、示范和应用,为中国联通5G网络切片业务和应用制定关键技术和解决方案,并共同推进产业链发展,把切片应用到更多垂直行业市场,如VR/AR游戏应用、工业控制、车联网、IoT等。
 
爱立信自2014年9月以来一直致力于与日本的NTT DOCOMO进行网络切片,也许取得了最大进展。2016年6月,两家公司成功证明了5G核心网络动态网络切片技术的概念。他们根据延迟,安全性或容量等要求创建了切片管理功能和网络切片。Docomo设计了网络切片创建和选择功能,而爱立信则开发了网络切片生命周期和服务管理技术。2015年7月,爱立信与韩国SK电讯同意开发和部署针对5G服务优化的网络切片技术,并继续保持现有的合作伙伴关系。同年10月,两家公司展示了针对服务优化的虚拟网络切片的创建,包括超级多视图和增强现实/虚拟现实,大规模物联网产品和企业解决方案。
 
华为在2016年11月,和Deutsche Telekom(英国T-Mobile的最终母公司)展示了他们所宣称的全球首个5G端到端自主网络切片。该演示展示了如何在共享的RAN,核心和传输网络上自动并以优化的方式创建不同的网络片。
 
尽管仍处于研究阶段,但2017年网络切片活动仍在增加。爱立信和华为继续开展活动,诺基亚和中兴通讯在供应商方面宣布了新的研究,以及5GPPP的NORMA和MoNArch项目。更多运营商也加入了竞争,包括英国运营商。
 
英国电信于2016年12月与华为签署了5G合作协议,并于2017年2月宣布他们的第一个研究领域将研究如何利用网络切片来支持5G网络上提供的服务。英国电信还与HPE,电信基础设施项目(TIP)E2E网络切片项目组共同主持,该项目于2017年11月启动,旨在识别,开发,演示和试用网络切片的用例。
 
沃达丰英国公司授予爱立信改善其4G网络的合同,并于2017年6月为5G做好准备。他们还签署了一份涵盖多个合作领域的谅解备忘录,包括分布式云和网络切片概念验证。沃达丰还于2017年11月加入了TIP,尽管其活动以软件定义的RAN为中心。
 
网络切片已发布的白皮书
 
2016年6月1日,在第一届全球5G大会上,IMT-2020(5G)推进组正式发布了《5G网络架构设计》白皮书。
白皮书提炼了网络切片、移动边缘计算、按需网络重构、以用户为中心的无线接入网和能力开放等5G网络重要的创新技术,并给出5G网络架构和技术标准化推进建议。网络切片是网络功能虚拟化应用于5G阶段的关键特征,一个网络切片将构成一个端到端的逻辑网络。网络切片架构主要分为切片管理和切片选择。切片管理主要分三个阶段商务设计阶段,实例编排阶段和运行管理阶段。切片选择功能主要实现用户终端与网络切片之间的接入映射,切片选择功能综合业务的签约和功能特性等多种因素,为用户端提供合适的切片接入选择。
 
2017年9月,爱立信,华为和诺基亚共同发布了《面向垂直行业的5G网络切片白皮书》,该白皮书的核心观点在于:全球的运营商,设备商以及垂直行业的合作伙伴应该在5G网络切片的应用场景、核心技术以及标准协同上共同合作。并分析从不同垂直行业的需求出发,阐述了各个行业对5G真正的需求,并将其映射为5G网络关键指标,进而探讨如何满足垂直行业客户服务等级协定、为其提供高效的网络服务,以推进行业数字化转型
 
在巴塞罗那举行的2017年世界移动大会上,中国移动、华为、德电、大众联合发布了服务可保证的5G网络切片白皮书,承载了业界领先的运营商与设备商在5G时代通过切片技术使能新的移动网络商业模式的愿景,也为当前的移动网络向5G全面云化的网络时代演进进行了洞察与展望。该白皮书从行业发展的趋势,服务可保证的网络切片的概念及愿景,网络切片端到端的实现架构及关键技术以及应用实例等角度出发,呈现了业界领先的5G网络切片技术观点与趋势。
 
中国移动、华为等联合5G网络切片白皮书链接:
https://pan.baidu.com/s/1YITJo5_0dYIHL0_5cZ6smw
 
2018年6月27日,中国联通网络技术研究院发布《中国联通5G网络切片白皮书》,该白皮书中主要就5G网络切片阐明了5G网络切片未来面临的挑战,对5G网络切片关键技术要求给出了解决方案。并分析了5G网络切片对未来商业形态的重构和影响。《中国联通5G网络切片白皮书》中还指出未来5G网络切片使用的场景。
 
中国联通5G网络切片白皮书链接:
https://pan.baidu.com/s/1HZZLZlyCmD10T2kUqsoglw
 
2018年2月,由诺基亚和中兴共同发布的5G网络切片白皮书中指出,5G网络系统可以按需构建网络片,以满足不同的业务需求。 网络切片使运营商能够为用户创建定制网络,以针对不同的市场场景提供优化的解决方案,例如, 在功能,性能和隔离方面。 对于每个场景,5G网络可以提供适当的网络功能,以实现按需构建网络的目标。 多个5G切片可以在同一基础架构上同时运行。
 
GTI 5G网络切片白皮书链接:
https://pan.baidu.com/s/12srTz-2Ny5Jh8iSL2SPoUg
 
在2016年,美洲公布的5G网络切片白皮书中旨在描述网络切片的概念,探索端到端的5G系统框架,以构建定制的网络切片。并讨论网络切片在空中接口技术中的应用。该白皮书首先对5G及端到端网络切片的远程技术路线图和解决方案进行了讨论和开发。此外,还介绍了网络切片的作用和基本5G要求以及对运营商的好处。
 
5g-Americas网络切片白皮书链接:
https://pan.baidu.com/s/1dnvA0llOMsn7Jnd92ON1iQ
 
在2017年由 Affirmed Networks 公司公布的4G和5G网络白皮书中,他们认为网络切片概念对于寻求跨不同工业部门扩展业务活动的运营商而言至关重要。让网络连接成为企业流程结构的一部分,运营商可以实现客户群的多样化,大规模化,可持续地增加收入。他们建议在5G实施之前,运营商必须在当今4G基础设施上开发并细分市场。现在运营商现在需要切片,为了填补这一空白,Affirmed提供虚拟切片选择功能(vSSF),它支持传统网络中的网络切片,并在虚拟化,多供应商网络环境中工作。vSSF工具取代了APN(接入点名称),它提供了一定程度的流量分段,尽管这是一个耗时的手动过程。
 
Affirmed Networks 4G和5G网络白皮书链接:
https://pan.baidu.com/s/1H5WnmFf2Bd-uk8BZrp_o5A
 
2016年6月,欧盟5GPPP(5G公私合资合作研发机构)发布5G白皮书“View on 5G Architecture”《对5G架构的观点》指出了为何需要打造全新的5G总体架构。欧盟5GPPP认为,一种全新的5G网络总体架构,应能通过部署网络切片技术(以高成本效率的方式)、支持原生的(网络)软件化、集成/整合通信与计算、集成/整合各种异构的接入技术(包括固网接入技术与无线网接入技术),来满足诸多潜在应用场景(自动驾驶、机器人远程控制、触觉应用等)对于5G网络的需求(相关需求的差异将会很大,这就是5G所面临的最大挑战,从而就需要增强5G架构的灵活性)。
 
5GPPP 5G架构白皮书链接:
https://pan.baidu.com/s/1EKu9qNIgWn9QskoIMPU68A
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