5G网络切片.pdf

什么叫什么叫 5G5G 网络切片？网络切片？如果说 4G 网络是一把刀，足可削铁如泥、吹毛断发。那么，5G 网络就是一把瑞士军刀，灵活方便、多功能用途。4G 网络主要为智能手机而生。进入 5G 时代，我们将面临“下一件大事（the next big thing）”物联网。无物不联的时代，将有大量的设备接入网络，这些设备分属不同的工业领域，它们具有不同的特点和需求。换句话说，它们对于网络的移动性、安全性、时延、可靠性，甚至是计费方式的需求是不同的。所以，5G 网络必须得像瑞士军刀一样灵活方便且具有多功能性。举两个例子。用于森林防火的物联网应用中，分布于森林的大量传感器检测温度、湿度和降水，它们是静止不动的，它们并不需要像智能手机一样需要切换、位置更新等移动性管理。一份 NOKIA 的报告显示，预计 5G 网络中有 70%的设备是静止不动的，而移动用户仅占 30%。当 5G 应用于无人驾驶、远程机器人控制等领域中，则要求超低的端到端时延，这个时延比智能手机无线上网的时延要低得多，通常不能超过几毫秒。所以，面向不同的应用领域，5G 网络得像瑞士军刀一样。怎么办？当全世界都在谈 5G 的时候，通信业界里谈论得最多的是 5G 网络切片技术（Network Slicing）。网络切片，已成为中国移动，韩国 KT、SK 电信，日本 KDDI 和 NTT，以及爱立信、诺基亚、华为等设备商公认的最理想的 5G 网络构架。什么是网络切片？最简单的理解，就是将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端的网络，每个虚拟网络之间，包括网络内的设备、接入、传输和核心网，是逻辑独立的，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其它虚拟网络。每个虚拟网络就像是瑞士军刀上的钳子、锯子一样，具备不同的功能特点，面向不同的需求和服务。或者可以这么说，就像你安装电脑的时候，将你的物理硬盘分区，划分成 C 盘、D 盘、E 盘 为了进一步了解 5G 网络切片，我们先将 5G 网络的应用场景划分为三类：移动宽带、海量物联网（Massive IoT）和任务关键性物联网（Mission-critical IoT）。如上表所示，5G 网络的三类应用场景的服务需求是不一样的：1 1）移动宽带）移动宽带 5G 时代将面向 4K/8K 超高清视频、全息技术、增强现实/虚拟现实等应用，移动宽带的主要需求是更高的数据容量。2 2）海量物联网）海量物联网 海量传感器部署于测量、建筑、农业、物流、智慧城市、家庭等领域，这些传感器设备是非常密集的，大部分是静止的。3 3）任务关键性物联网）任务关键性物联网 任务关键性物联网主要应用于无人驾驶、自动工厂、智能电网等领域，主要需求是超低时延和高可靠性。4G 网络主要服务于人，连接网络的主要设备是智能手机，不需要网络切片以面向不同的应用场景。5G 时代，不同领域的不同设备大量接入网络，网络将面向三类应用场景：移动宽带、海量物联网和任务关键性物联网。如何网络切片呢？我们并不需要为每一类应用场景构建一个网络，所以，它不是这样的.我们要做的是，将一个物理网络分成多个虚拟的逻辑网络，每一个虚拟网络对应不同的应用场景，这就叫网络切片。5G 白皮书里关于网络切片的架构是这样的：我们将如何完成端到端的网络切片呢？上面的内容太抽象，在实际的网络部署中我们是怎么做的呢？1 1）5G5G 无线接入网和核心网：无线接入网和核心网：NFNFV V 目前 4G 网络中主要终端设备是手机，网络中的无线接入网部分（包括数字单元（DU）和射频单元（RU）和核心网部分都采用设备商提供的专用设备。如下图：为了实现网络切片，网络功能虚拟化（NFV，Network Function Virtualization）是先决条件。本质上讲，所谓 NFV，就是将网络中的专用设备的软硬件功能（比如核心网中的 MME,S/P-GW 和 PCRF，无线接入网中的数字单元 DU 等）转移到虚拟主机（VMs，Virtual Machines）上。这些虚拟主机是基于行业标准的商用服务器，它们是 COTS 商用现成产品，低成本且安装简便。简单的说，就是用基于行业标准的服务器、存储和网络设备，来取代网络中的专用的网元设备。网络经过功能虚拟化后，无线接入网部分叫边缘云（Edge Cloud），而核心网部分叫核心云（Core Cloud）。边缘云中的 VMs 和核心云中的 VMs，通过 SDN（软件定义网络）互联互通。这样，网络采用 NFV 和 SDN 后，执行切片就非常容易了，像切面包一样水平将网络“切”成多个虚拟子网络（片）就可以了。如上图所示，针对不同的应用场景，网络被“切”成 4“片”：高清视频切片高清视频切片：原来网络中数字单元（DU）和部分核心网功能被虚拟化后，加上存储服务器，统一放入边缘云。而部分被虚拟化的核心网功能放入核心云。手机切片手机切片：原网络无线接入部分的数字单元（DU）被虚拟化后，放入边缘云。而原网络的核心网功能，包括 IMS，被虚拟化后放入核心云。海量物联网切片海量物联网切片：由于大部分传感器都是静止不动的，并不需要移动性管理，在这一切片里，核心云的任务相对轻松简单。任务关键性物联网切片任务关键性物联网切片：由于对时延要求很高，为了最小化端到端时延，原网络原网络的核心网功能和相关服务器均下沉到边缘云的核心网功能和相关服务器均下沉到边缘云。网络结构是这样的：当然，网络切片技术并不仅限于这几类切片，它是灵活的，运营商可以随心所欲的根据应用场景定制自己的虚拟网络。2 2）边缘云与核心云的）边缘云与核心云的连接：连接：IP/MPLSIP/MPLS-SDSDN N 5G切片网络通过SDN连接边缘云和核心云里的VMs。核心云里有虚拟化的服务器，服务器的 Hypervisor 里运行着内置的 vRouter/vSwitch，SDN 控制器负责在虚拟服务器与DC G/W路由器之间创建SDN tunnels，随后，SDN控制器执行SDN tunnels和 MPLS L3 VPN 之间的映射，从而建立核心云与边缘云之间的连接。3 3）边缘云与基站射频单元的网络切）边缘云与基站射频单元的网络切片片 现在，我们来到前传部分。如何完成 5G 射频单元（RU）与边缘云之间（前传）部分的切片？首先需要定义 5G 前传的标准，目前并没有统一的标准。下图是国际电信联盟（ITU）5G 移动通信标准研究小组（Focus Group on IMT-2020）曾提出的一个虚拟化前传的结构图，有兴趣可以看看：这就是 5G 网络切片技术，有了它，5G 才会成为无线网络领域锋利的瑞士军刀。