5G網(wǎng)絡(luò)切片在垂直行業(yè)中的應(yīng)用有哪些

在全球經(jīng)濟進入數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，5G網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)字化社會的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，將不再局限于傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，滿足各行各業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求是5G網(wǎng)絡(luò)即將承擔的新使命。垂直行業(yè)客戶加速向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，而轉(zhuǎn)型的基石是數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)鏈接,行業(yè)客戶的生產(chǎn)園區(qū)及業(yè)務(wù)場景對無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量、時延要求、上行容量、數(shù)據(jù)保密性、設(shè)備移動性、網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)的要求均高于公共大網(wǎng)，并且傳統(tǒng)電信的商業(yè)模式無法滿足行業(yè)用戶的需求，因此特定場景需要定制化、綜合型、靈活便捷的無線專用網(wǎng)絡(luò)，而網(wǎng)絡(luò)切片作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一，是實現(xiàn)行業(yè)專網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)切片

3GPP與5G-ACIA定義的5G垂直行業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)包含四個主要場景，用于指導(dǎo)組織機構(gòu)如何申請并部署自己的5G專用網(wǎng)絡(luò)，也包括獨立部署專用網(wǎng)絡(luò)和非獨立部署專用網(wǎng)絡(luò)。獨立部署專用網(wǎng)絡(luò)指獨立部署一套物理專用網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)與公網(wǎng)復(fù)用資源和互動程度進行劃分，非獨立部署包含共享RAN、共享RAN與控制面、完全公網(wǎng)部署（網(wǎng)絡(luò)切片）三個場景，其中網(wǎng)絡(luò)切片又分為Group A/B/C三個選項。

Group A：完全不共享。每個切片完全獨立，分別擁有各自完整的控制面與用戶面功能實體。

Group B：控制面功能部分共享。部分控制面功能（如移動性管理、鑒權(quán)功能）在切片間共享，其余的控制面功能（如會話管理）與用戶面功能則是各切片專用的。此架構(gòu)支持用戶在同一時間接入控制面功能部分共享的多個網(wǎng)絡(luò)切片。此架構(gòu)的切片隔離性最好，但用戶在同一時間只能接入一個網(wǎng)絡(luò)切片。

Group C：控制面功能完全共享。各切片的控制面功能完全共享，只有用戶面功能是各切片專用。此架構(gòu)的隔離性最差，只在用戶面實現(xiàn)了隔離，此架構(gòu)也支持用戶在同一時間接入控制面功能完全共享的多個網(wǎng)絡(luò)切片。

非獨立部署專用網(wǎng)絡(luò)主要關(guān)注場景三端到端網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)與應(yīng)用，強調(diào)在公用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，在滿足用戶業(yè)務(wù)特性需求的前提下（如信息保密等級等），為用戶制定一張從接入到傳輸?shù)胶诵亩说蕉藢俚倪壿媽Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)切片的發(fā)展歷程

從2015年開始，3GPP啟動了5G相關(guān)的標準研究和制定工作，并計劃在R14-R16這三個大版本中完成相關(guān)標準的制定。網(wǎng)絡(luò)切片作為5G的重要技術(shù)，3GPP最早在R14階段由SA1的TR 22.864報告中提出了網(wǎng)絡(luò)切片的需求，隨后SA2在TR 23.799中對網(wǎng)絡(luò)切片方案進行了初步研究，在R15階段SA2正式把切片的相關(guān)概念、方案寫入了TS 23.501中。SA5對于切片管理進行了研究并進行了網(wǎng)管設(shè)備的標準化，SA3則負責研究切片的安全方面的問題。3GPP在TR28.801定義了通信服務(wù)管理功能（CSMF，Communication Service Management Function）、網(wǎng)絡(luò)切片管理功能（NSMF，Network Slice Management Function）、網(wǎng)絡(luò)子切片管理功能（NSSMF，Network Slice Subnet Management Function），三者協(xié)同完成網(wǎng)絡(luò)切片端到端設(shè)計和實例化部署。此外RAN接入網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)也進行了研究和探討，并最終在RAN側(cè)支持網(wǎng)絡(luò)切片功能，實現(xiàn)端到端的切片。R17可能會繼續(xù)深入研究RAN切片升級規(guī)范等內(nèi)容，同時更新現(xiàn)有協(xié)議并涵蓋更多的新技術(shù)。受疫情影響，3GPP近日宣布將下兩批5G相關(guān)技術(shù)協(xié)議的發(fā)布推遲3個月，根據(jù)新時間表，第三階段的R16規(guī)范將于6月完成，隨后R17的預(yù)定日期將推遲到2021年12月。

除了3GPP，目前ITU、MGMN、ETSI等主要標準組織都先后開展了網(wǎng)絡(luò)切片的標準化研究，但目前這些組織對于切片的研究主要還是停留在架構(gòu)、需求等較高的層次，關(guān)于切片的實現(xiàn)等較具體的內(nèi)容目前主要還是由3GPP負責制定。

端到端網(wǎng)絡(luò)切片

1、端到端網(wǎng)絡(luò)切片的概念

5G網(wǎng)絡(luò)切片是針對業(yè)務(wù)差異化、多租戶需求提供的一類解決方案技術(shù)的統(tǒng)稱，旨在通過功能、性能、隔離和運維等多方面的靈活設(shè)計，使得運營商能夠基于垂直行業(yè)的需求創(chuàng)建定制化的專用網(wǎng)絡(luò)。3GPP TS38.300標準中定義，網(wǎng)絡(luò)切片是一個允許根據(jù)每個客戶要求進行差異化處理的概念。通過切片，移動網(wǎng)絡(luò)運營商（MNO）可以將客戶視為屬于不同的租戶類型，每個租戶都有不同的服務(wù)要求，這些要求根據(jù)服務(wù)級別協(xié)議（SLA，Service level Agreement）和訂閱來決定每個租戶有資格使用的切片類型。

從本質(zhì)上講，5G網(wǎng)絡(luò)切片是將5G物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個虛擬網(wǎng)絡(luò)稱之為網(wǎng)絡(luò)切片，每個切片都擁有自己獨立的網(wǎng)絡(luò)資源和管控能力，根據(jù)不同的服務(wù)需求如時延、帶寬、安全性和可靠性等來劃分，以靈活地應(yīng)對不同地網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景。在5G時代，應(yīng)用場景多樣化，使用一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來同時滿足所有的服務(wù)請求效率低也不易實現(xiàn)。通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在一個獨立的物理網(wǎng)絡(luò)上切分出多個邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而避免了為每一個服務(wù)建設(shè)一個專用的物理網(wǎng)絡(luò)[1]。

網(wǎng)絡(luò)切片的價值在于網(wǎng)絡(luò)切片即服務(wù)（Network Slice as a Service），可以為不同垂直行業(yè)提供不同、相互隔離、功能可定制的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實現(xiàn)客戶定制化網(wǎng)絡(luò)切片的設(shè)計、部署和運維。用戶性能可以得到保障，租戶會與運營商簽訂服務(wù)合同，其中規(guī)定了租戶使用的業(yè)務(wù)所對應(yīng)的SLA。SLA通常包括安全性/私密性、可見性/可管理性、可靠性/可用性，以及具體的業(yè)務(wù)特征（業(yè)務(wù)類型、空口需求、定制化網(wǎng)絡(luò)功能等）和相應(yīng)的性能指標（時延、吞吐率、丟包率、掉話率等），同時拉通各域來實現(xiàn)端到端SLA保證。

2、網(wǎng)絡(luò)切片的整體架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)切片是一種按需組網(wǎng)的方式，可以讓運營商在統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施上分離出多個虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)切片從無線接入網(wǎng)承載網(wǎng)再到核心網(wǎng)上進行邏輯隔離，以適配各種各樣類型的應(yīng)用。垂直行業(yè)提供各種類型的可保證的網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)，是端到端網(wǎng)絡(luò)切片整體架構(gòu)設(shè)計的目標。網(wǎng)絡(luò)切片可基于傳統(tǒng)的專有硬件構(gòu)建，也可基于NFV/SDN的通用基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建。為了實現(xiàn)低成本高效運營，應(yīng)盡可能采用統(tǒng)一基礎(chǔ)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)切片的整體架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施層、網(wǎng)絡(luò)切片管理層及網(wǎng)絡(luò)切片層（運行在基礎(chǔ)設(shè)施之上的網(wǎng)絡(luò)切片實例）組成。如圖1所示，其中基礎(chǔ)設(shè)施層為網(wǎng)絡(luò)切片提供所需的資源和基礎(chǔ)能力；網(wǎng)絡(luò)切片層基于基礎(chǔ)設(shè)施層，聚合所需要的網(wǎng)絡(luò)功能形成端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)絡(luò)切片實例）；切片管理層負責網(wǎng)絡(luò)切片生命周期的管理，保障網(wǎng)絡(luò)切片實例可滿足垂直行業(yè)提出的業(yè)務(wù)性能相關(guān)的指標。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片整體架構(gòu)圖

3、網(wǎng)絡(luò)切片的優(yōu)點

第一，最優(yōu)化。根據(jù)業(yè)務(wù)場景需求對所需網(wǎng)絡(luò)功能進行定制化裁剪和靈活組網(wǎng)，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程和數(shù)據(jù)路由，使得網(wǎng)絡(luò)資源的利用達到最優(yōu)化。由于每個切片都是根據(jù)該服務(wù)或使用該切片的服務(wù)所需要的交付復(fù)雜性進行定制的，因此切片網(wǎng)絡(luò)還允許更深入地了解有關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源的利用情況。

第二，動態(tài)性。網(wǎng)絡(luò)切片能夠滿足用戶的動態(tài)需求，例如用戶臨時提出某種業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)分配資源的能力，從而提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

第三，安全性。通過網(wǎng)絡(luò)切片，可以將當前某個業(yè)務(wù)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)資源與其它業(yè)務(wù)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)資源區(qū)分開、隔離開，每個分片的擁塞、過載、配置的調(diào)整不影響其他分片，增強整體網(wǎng)絡(luò)的健壯性和可靠性，保證當前業(yè)務(wù)質(zhì)量的同時也提供了可靠的安全保護機制。

第四，靈活性。業(yè)務(wù)需求和用戶數(shù)量可能出現(xiàn)動態(tài)變化，網(wǎng)絡(luò)切片需要彈性和靈活的擴展，比如必要時可以將一個網(wǎng)絡(luò)切片與其它網(wǎng)絡(luò)切片進行融合，以更靈活地適配用戶動態(tài)的業(yè)務(wù)需求，對用戶而言，這種彈性的使用方式還使得根據(jù)使用量計費成為可能。

垂直行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)需求

不同行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)的要求是多樣化的，例如智能家居、智能電網(wǎng)、智能農(nóng)業(yè)和智能抄表需要大量的額外連接和頻繁傳輸小型數(shù)據(jù)包的服務(wù)支撐，自動駕駛和工業(yè)控制要求毫秒級時延和接近100%的可靠性，在工業(yè)應(yīng)用中，端到端等待時間的要求范圍在1000毫秒到5毫秒以下，而對于任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用則需要后者，運動控制更需要實時傳輸，而娛樂信息服務(wù)則要求高質(zhì)量的固定或移動寬帶連接。同時從網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量角度考慮，垂直行業(yè)用戶更希望網(wǎng)絡(luò)保持一個穩(wěn)定的、可預(yù)測的服務(wù)質(zhì)量，如果跟公眾移動寬帶網(wǎng)絡(luò)或其它垂直行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)混和使用的話，可用帶寬將無法保障，因此垂直行業(yè)更希望能獨占頻譜，這樣可用性、安全性都會更高。

垂直行業(yè)對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求表明，5G網(wǎng)絡(luò)需要更加靈活以支撐不同業(yè)務(wù)場景和環(huán)境下的差異性連接，而5G網(wǎng)絡(luò)切片就是打造定制化的5網(wǎng)絡(luò)專用通道，針對不同的業(yè)務(wù)場景需求提供差異化的專屬跑道，使運營商以更靈活高效的方式滿足垂直行業(yè)用戶的多樣性需求。

5G網(wǎng)絡(luò)切片在垂直行業(yè)中的應(yīng)用

5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)賦能垂直行業(yè)，可實現(xiàn)定制化的網(wǎng)絡(luò)提供，讓很多不可能的應(yīng)用變成可能。以下對電力、自動駕駛、工業(yè)三個行業(yè)進行分析。

1、電力

智能電網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求廣泛，包含eMBB、uRLLC和mMTC三大場景，同時對網(wǎng)絡(luò)安全可靠性要求較高，采用不同的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)，可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)特點更有針對性地解決智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)釆集傳遞等通信傳輸需求。5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可實現(xiàn)超大帶寬、端到端低延遲、海量連接、廣域覆蓋和非視距傳輸，可充分滿足智能電網(wǎng)對通信網(wǎng)絡(luò)的需求。5G網(wǎng)絡(luò)切片也有對應(yīng)的能力匹配，促成了比特與瓦特的強強聯(lián)手。雖然智能電網(wǎng)的應(yīng)用還處在一個初級階段，但是電力行業(yè)對5G網(wǎng)絡(luò)高度關(guān)注，未來將會有更多有關(guān)5G電力切片應(yīng)用的研究。

2、自動駕駛

業(yè)界對車輛間通信的研究要遠早于5G的相關(guān)研究。利用車輛內(nèi)傳感器（如照相機、雷達和激光）也可以實現(xiàn)自動駕駛。但是5G提供的嚴格低延遲高可靠傳輸可以將車輛通信帶入下一個更高的等級，例如從輔助駕駛到協(xié)作自動化駕駛。車輛通信依賴于一張廣泛覆蓋的移動通信網(wǎng)絡(luò)，包括對高功率、遠郊和鄉(xiāng)野的覆蓋。因此，運營商對自動駕駛行業(yè)的生態(tài)發(fā)展來說是至關(guān)重要的角色。出于安全考慮，自動駕駛公司可能會發(fā)展其私有的云環(huán)境來加載自動駕駛應(yīng)用。為了解決性能需求，垂直行業(yè)客戶必須與運營商實現(xiàn)資源和服務(wù)的無縫整合。

3、工業(yè)4.0

受IoT、工業(yè)自動化和云計算等技術(shù)發(fā)展的影響，制造業(yè)也正在經(jīng)歷數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程。制造商通常同時具備其生態(tài)系統(tǒng)中多種不同的業(yè)務(wù)角色，一方面他們可能是外部客戶的供應(yīng)商，提供機械組件、技術(shù)方案等；另一方面，他們也是其他解決方案的使用者，例如數(shù)字化平臺。尤其是對于工業(yè)機器控制等應(yīng)用，工業(yè)園區(qū)中的通信通常是受限的。制造商將通過利用自己的云資源使用更嚴格的專用網(wǎng)絡(luò)，由于制造業(yè)的業(yè)務(wù)范圍呈國際化，甚至可能分布在不同的國家，因此打造全球性網(wǎng)絡(luò)切片對于這種用例就至關(guān)重要。此外，全球網(wǎng)絡(luò)切片概念還將為垂直客戶帶來業(yè)務(wù)發(fā)展方面的增值，因為在一個統(tǒng)一的平臺下，可以屏蔽不同管理域之間業(yè)務(wù)談判的復(fù)雜性。

5G網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用發(fā)展前景

隨著5G時代行業(yè)專網(wǎng)的發(fā)展，運營商將面臨更大的挑戰(zhàn)，能力、頻段和標準三者缺一不可，行業(yè)專網(wǎng)是拓展行業(yè)市場的重要抓手，通過行業(yè)專網(wǎng)，可以將個人用戶上網(wǎng)需求與企業(yè)上云需求結(jié)合起來，實現(xiàn)個人業(yè)務(wù)與政企業(yè)務(wù)的融合，此外還可以充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)切片能力和邊緣計算能力，實現(xiàn)面向行業(yè)客戶的云網(wǎng)融合。網(wǎng)絡(luò)切片作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一，符合行業(yè)專網(wǎng)的需求，同時具備運營商的獨特優(yōu)勢，因此網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)成為行業(yè)專網(wǎng)的首選方案。網(wǎng)絡(luò)切片允許靈活的系統(tǒng)架構(gòu)來處理垂直行業(yè)的差異化需求，電信運營商應(yīng)該充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)連接的優(yōu)勢，通過深度融合不斷提升電信行業(yè)與垂直行業(yè)的融合創(chuàng)新力度，與垂直行業(yè)共同探索5G應(yīng)用對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片模式，激發(fā)網(wǎng)絡(luò)切片賦能垂直行業(yè)的活力。
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