中移雄研咨询洞察：5G端到端网络切片技术应用研究报告

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随着全球经济进入数字转型的关键时期，5g网络作为数字社会的关键基础设施，将不再局限于传统通信网络的业务领域。满足各行各业数字化改造的需求是5g网络即将承担的新使命。垂直行业客户加速了向数字化和智能化的转型，而转型的基石是数字网络链接。与公共大型网络相比，行业客户的生产园区和业务场景对无线网络覆盖质量、延迟要求、上行链路容量、数据保密性、设备移动性和网络控制权有更高的要求。传统的电信业务模式已经不能满足行业用户的需求。因此，具体场景需要定制、全面、灵活、方便的无线专用网，而网络切片作为5g的关键技术之一得以实现

网络片

3gpp和5g-acia定义的5g垂直行业专用网包含四个主要场景，用于指导组织如何申请和部署自己的5g专用网，包括独立部署专用网和非独立部署专用网。私有网络的独立部署是指一组物理私有网络的独立部署；根据资源的重用和与公共网络的交互程度，非独立部署包括三种场景:共享ran、共享ran和控制平面，以及完整的公共网络部署(网络切片)，其中网络切片分为三个选项:groupa/b/c B/C。

Groupa:完全没有分享。每个切片都是完全独立的，并且有自己完整的控制平面和用户平面功能实体。

组b:控制平面功能部分共享。一些控制平面功能(例如移动性管理和认证功能)在片之间共享，而其他控制平面功能(例如会话管理)和用户平面功能专用于每个片。该体系结构支持用户同时访问由控制平面功能共享的多个网络片。这种体系结构是片隔离的，但是用户一次只能访问一个网络片。

控制平面功能是完全共享的。每个切片的控制平面功能是完全共享的，并且只有用户平面功能专用于每个切片。这种体系结构的隔离仅实现了用户平面的隔离，并且这种体系结构还支持用户同时访问具有完全共享的控制平面功能的多个网络片。

私有网络的非独立部署主要集中在场景三端到端网络切片的实现和应用上，强调在公共网络的基础上，在满足用户服务特性(如信息保密级别等)的前提下。)，为用户建立了从接入到传输到核心端到端的专用逻辑专用网络。

网络切片的发展

从2015年开始，3gpp开始研究和制定5g相关标准，并计划在r14-r16中完成相关标准的制定。作为5g的一项重要技术，3gpp在tr22.864报告中提出了对网络切片的要求，sa1在r14中，sa2对tr23.799中的网络切片方案进行了初步研究，在r15中，sa2正式将切片的相关概念和方案写入ts23.501，Sa5研究切片管理，规范网络管理设备，sa3负责研究切片的安全性。3gpp在tr28.801中定义了通信服务管理功能(csmf)、网络策略管理功能(nsmf)和网络子片管理功能(nssmf)，它们协作完成网络片的端到端设计和实例化部署。此外，ran接入网还对网络切片技术进行了研究和探讨，最终支持ran侧的网络切片功能，实现端到端的切片。R17可能会继续深入研究ran切片升级规范，更新现有协议并涵盖更多新技术。受疫情影响，3gpp最近宣布将下两批5g相关技术协议的发布推迟三个月。根据新的时间表，r16规范的第三阶段将在6月完成，然后r17的预定日期将推迟到2021年12月。

除3gpp外，itu、mgmn、etsi等主要标准组织相继开展了网络切片的标准化研究。然而，目前这些组织对切片的研究主要停留在架构和需求的较高层次，关于切片实现的具体内容主要由3gpp制定。

端到端网络切片

1.端到端网络切片的概念

5g网络切片是为业务差异化和多租户需求提供的一类解决方案技术的总称。它旨在通过功能、性能、隔离以及操作和维护的灵活设计，使运营商能够根据垂直行业的需求创建定制的专用网络。根据3gppts38.300标准，网络切片是一个允许根据每个客户的要求进行不同处理的概念。通过分片，移动网络运营商(mno)可以将客户视为属于不同的租户类型，每个租户都有不同的服务需求。这些要求决定了每个租户根据servicelevelagreement (sla)和订阅可以使用的切片类型。

5g网络切片本质上是将5g物理网络划分成多个虚拟网络，称为网络切片。每个分片都有自己独立的网络资源和管控能力，并根据延迟、带宽、安全性和可靠性等不同的服务需求进行划分，以灵活应对不同的网络应用场景。在5g时代，应用场景是多样化的，通过使用统一的网络架构来满足所有服务请求是低效和困难的。通过网络切片技术，多个逻辑网络被划分在一个独立的物理网络上，从而避免为每个服务构建专用的物理网络。

网络切片的价值在于网络切片作为一种服务，可以为不同的垂直行业提供不同的、孤立的、可定制的网络切片服务，实现客户定制网络切片的设计、部署、运行和维护。用户性能可以得到保证，租户将与运营商签订服务合同，该合同规定了与租户使用的业务相对应的sla。Sla通常包括安全性/隐私性、可见性/可管理性、可靠性/可用性以及特定的服务特性(服务类型、空端口要求、定制网络功能等)。)和相应的性能指标(延迟、吞吐量、分组丢失、掉话率等。)，同时扩展所有域以实现端到端

2.网络切片的总体架构

网络切片是按需联网的一种方式，它允许运营商在统一的基础架构上分离多个虚拟端到端网络。每个网络切片在逻辑上从无线电接入网络承载网络隔离到核心网络，以适应各种类型的应用。垂直行业提供各种类型的有保证的网络连接服务，这是端到端网络切片整体架构设计的目标。网络片可以基于传统的专有硬件或nfv/sdn的通用基础设施来构建。为了实现低成本、高效率的运营，应尽可能采用统一的基础设施。网络切片的总体架构由基础设施层、网络切片管理层和网络切片层(运行在基础设施上的网络切片实例)组成。如图1所示，基础设施层提供了网络切片所需的资源和基本能力；网络切片层基于基础设施层，聚合所需的网络功能以形成端到端逻辑网络(网络切片实例)；片管理层负责网络片生命周期的管理，确保网络片实例能够满足垂直行业提出的业务性能相关指标。

图1网络切片的总体架构图

3.网络切片的优势

第一个。根据业务场景的需求，定制所需的网络功能，灵活组网，优化业务流程和数据路由，实现网络资源的利用。由于每个切片都是根据服务或使用该切片的服务的交付复杂性定制的，因此切片网络还允许对网络资源的利用有更深的理解。

第二，动态。网络切片可以满足用户的动态需求，例如，用户临时提出一些业务需求，网络具有动态分配资源的能力，从而提高网络资源的利用率。

第三，安全。通过网络切片，可以将某个业务应用的当前网络资源与其他业务应用的网络资源区分开来。每个片的拥塞、过载和配置调整不会影响其他片，从而增强了整个网络的健壮性和可靠性，保证了当前的服务质量，提供了可靠的安全保护机制。

第四，灵活性。业务需求和用户数量可能会动态变化，网络片需要灵活扩展。例如，如果需要，一个网络片可以与其他网络片合并，以更灵活地适应用户的动态业务需求。对于用户来说，这种灵活的使用方式使得根据使用情况收费成为可能。

垂直行业的网络要求

不同的行业对网络有不同的要求。例如，智能家居、智能电网、智能农业和智能抄表需要大量的额外连接和小数据包的频繁传输。自动驾驶和工业控制需要毫秒延迟和接近100%的可靠性。在工业应用中，端到端等待时间低于1000毫秒，而对于任务关键型应用，后者需要实时传输，而娱乐信息服务需要高质量的固定。同时，从网络质量的角度来看，垂直行业的用户希望网络保持稳定和可预测的服务质量。如果与公共移动宽带网络或其他垂直行业的网络混合，可用带宽将无法保证。因此，垂直行业更喜欢垄断频谱，这样可用性和安全性会更高。

垂直行业对网络服务的需求表明，5g网络需要更加灵活，以支持不同业务场景和环境下的差异化连接，5g网络切片是为了创建定制的5网专用通道，为不同业务场景提供差异化的专用跑道，使运营商能够更加灵活高效地满足垂直行业用户的多样化需求。

5G网络切片在垂直行业中的应用

5g网络切片技术支持垂直行业，支持定制网络供应，并使许多不可能的应用成为可能。分析了以下三个行业:电力、自动驾驶和工业。

1.电力

智能电网有广泛的业务需求，包括embb、urllc和mmtc。同时，它对网络的安全性和可靠性有很高的要求。根据不同的业务特点，采用不同的网络分片服务可以更有针对性地解决智能电网的数据采集和传输等通信传输需求。5g网络切片技术可以实现超大带宽、低端到端时延、海量连接、广域覆盖和非视距传输，完全可以满足智能电网对通信网络的需求。5g网络片也有相应的能力匹配，促进了比特和瓦特的结合。虽然智能电网的应用还处于初级阶段，但电力行业非常重视5g网络，未来将会有更多关于5g功率切片应用的研究。

2.自动驾驶

业界对车对车通信的研究远远早于5g的相关研究。自动驾驶也可以通过使用车辆中的传感器来实现，例如照相机、雷达和激光。然而，5g提供的严格的低延迟和高可靠性传输可以将车辆通信带到下一个更高的水平，例如，从辅助驾驶到协同自动驾驶。车辆通信依赖于覆盖范围广的移动通信网络，包括高功率、远郊和农村地区。因此，运营商在自主驾驶行业的生态发展中发挥着至关重要的作用。出于安全原因，自动驾驶公司可能会开发自己的私有云环境来加载自动驾驶应用程序。为了满足性能要求，垂直行业客户必须与运营商无缝集成资源和服务。

3.行业4.0

受物联网、工业自动化和云计算发展的影响，制造业也在经历数字化转型。制造商通常在他们的生态系统中同时扮演许多不同的商业角色。一方面，他们可能是外部客户的供应商，提供机械部件和技术解决方案；另一方面，他们也是其他解决方案的用户，如数字平台。特别是对于工业机器控制等应用，工业园区中的通信通常是有限的。制造商将通过使用他们自己的云资源来使用更严格的私有网络。由于制造业的业务范围是国际化的，甚至可能分布在不同的国家，因此为这个用例创建一个全球网络片是非常重要的。此外，全球网络切片的概念将在业务发展方面为垂直客户带来附加值，因为在统一的平台下，不同管理域之间的业务协商的复杂性可以被屏蔽。

5G网络片的应用及发展前景

随着5g时代工业专用网的发展，运营商将面临更大的挑战，能力、频带和标准是必不可少的。行业专网是拓展行业市场的重要起点。通过行业专网，个人用户的互联网接入需求可以与企业的云需求相结合，实现个人业务与政企业务的融合。另外，可以充分利用5g网络的切片能力和边缘计算能力，为行业客户实现云网络集成。网络切片作为5g的关键技术之一，满足了行业专网的需求，具有运营商的独特优势，因此网络切片应该是行业专网的方案。网络切片允许灵活的系统架构来处理垂直行业的不同需求。电信运营商应充分发挥网络连接优势，通过深度融合不断提升电信产业与垂直产业的融合创新，与垂直产业共同探索5g应用对应的网络切片模式，激发垂直产业的活力。