什么是5G网络切片
2019年6月6日，5G商用化开始！提到5G就不得不提网络切片(Network Slicing)，作为5G中被讨论最多的技术，网络切片对于5G 的意义可谓巨大。
本文主要从以下几个方面对切片技术做一些简要介绍。
何为网络切片？
把网络比喻为交通系统，车辆是用户，道路是网络。随着车辆的增多，城市道路变得拥堵不堪...
为了缓解交通拥堵，交通部门不得不根据不同的车辆、运营方式进行分流管理，比如设置BRT 快速公交通道，非机动车专用通道等…
网络亦是如此，要实现从人-人连接到万物连接，连接数量成倍上升，网络必将越来越拥堵，越来越复杂，我们就得像交通管理一样，对网络实行分流管理——网络切片。
网络切片，本质上就是将运营商的物理网络划分为多个虚拟网络，每一个虚拟网络根据不同的服务需求，比如时延、带宽、安全性和可靠性等来划分，以灵活的应对不同的网络应用场景。
具体的讲，5G 网络将应对三类场景：移动宽带、大规模物联网和关键任务型物联网。三大应用场景对网络服务的需求如带宽、时延等是不相同的：
在5G时代，移动网络服务的对象也不再是单纯的移动手机，而是各种类型的设备，比如移动手机、平板、固定传感器、车辆等等。应用场景也多样化，比如移动宽带、大规模互联网、任务关键型互联网等等。需要满足的要求也多样化，比如移动性、安全性、时延性、可靠性等等。
这就为网络切片提供了用武之地，通过网络切片技术在一个独立的物理网络上切分出多个逻辑网络，从而避免了为每一个服务建设一个专用的物理网络，这是非常节省成本的!
上图描述的根据不同群体不同需求划分网络切片，是不是很容易理解网络切片的价值了!从切片的角度讲，可以将传统的EPC当成是一个服务所有可支持的移动装置的大切片，但是前面已经提到过，使用一个统一的网络架构来同时满足所有的服务请求是不高效也不容易实现的，因此未来的网络必须通过网络切片技术从“one size fits all”向“one size per service”过渡。
因此实现网络切片，网络功能虚拟化（NFV，Network Function Virtualization）是先决条件。网络采用NFV 和SDN 后，网络切片才能真正实施。
网络切片的构架与挑战
网络切片是一个端到端的复杂的系统工程，实现起来相当复杂，需要经过三个穿透的网络：接入网络、核心网络、数据和服务网络。
1）在接入网面向用户侧的主要挑战是，某些终端设备（比如汽车）需要要同时接入多个切片网络，另外还涉及鉴权、用户识别等问题。
2） 接入网切片如何与核心网切片配对？接入网切片如何选择核心网切片？
3）编排与自动化是关键。
什么叫编排呢？编排，即Orchestration，本意是乐队指挥... 乐队指挥是音乐的诠释者，乐团的协调者，管理者，策划者，经营者，他是一个乐团的灵魂，是他决定了如何表现乐句、和声，如何把不同的声部组织在一起，把声音变成音乐。
网络切片里的编排也就是那个乐队指挥官，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。
所谓编排与自动化包括：
具备快速创建新服务的能力
具备应用模板驱动(Template Driven)切片创建环境的能力
具备切片参数多样化的能力，以满足不同的商业用例需求
具备自动化切片部署的能力
具备弹性伸缩能力和还原能力
通过服务质量监控，具备动态优化切片性能的能力
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。
另外，网络切片会引入第三方开发者APP，这也对网络安全提出了新的挑战。
网络切片的应用
未来，从人们直接相关的虚拟现实、增强现实，到自动驾驶，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。
5G网络所提供端到端的网络切片能力，可以将所需的网络资源灵活动态地在全网中面向不同的需求进行分配及能力释放，并进一步动态优化网络连接，降低成本，提升效益。
网络切片不是一个单独的技术，它是基于云计算、虚拟化、软件定义网络、分布式云架构等几大技术群而实现的，通过上层统一的编排让网络具备管理、协同的能力。从而实现基于一个通用的物理网络基础架构平台，能够同时支持多个逻辑网络的功能。
相较于2/3/4G网络，5G网络的CP/UP分离，使得网络部署更加集约、灵活，控制面的重构让会话管理和移动管理功能可以按需独立部署，不再是仅满足于面向人类、车辆移动状态的通信，也可以满足用水、电抄表等静止类业务的机器类会话；移动边缘计算更是把网络能力向靠近用户的分布式云数据中心推进。
让连接具备价格弹性空间
运营商在面向5G时代，需要具备业务快速上线、灵活部署的能力。5G网络不仅需要满足大量并行业务上线的需求保证端到端的性能，还要规避市场培育阶段的新兴业务投资风险，如果按照传统思路构建专网，势必造成资源的浪费，但通过网络切片便能实现逻辑专网的需求，一旦某专网业务不具投资价值运营商还能及时撤出，动态删除切片，有效降低客户投资的风险成本。
因此，网络切片对于性能和成本的考量也就需要实现动态化。
比如，烟感监控警报系统和水务抄表两个业务。如果按照面向大众市场的移动互联网业务去平均分配网络资源，用于烟感监控必然是赔本买卖，但烟感系统一旦报警所涵盖的资源调度优先级一定是最高的；而水表抄表可能并不需要实时在线的特殊需求优化，这意味着只需要分配低成本的资源满足于每月一次的抄表行为即可。
通过上述两个应用场景，这就需要网络具备不同的自适应能力去分配资源，从而实现决定行业连接的价格弹性空间，这其实也是包括诸如中国电信希望打造智能网络，中国移动面向未来提出大连接战略主旨所在。
关于5G的基本信息：
第五代移动通信技术（英语：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，简称5G或5G技术）是最新一代蜂窝移动通信技术，也是即4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系统之后的延伸。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。Release-15中的5G规范的第一阶段是为了适应早期的商业部署。Release-16的第二阶段将于2020年4月完成，作为IMT-2020技术的候选提交给国际电信联盟（ITU） 。ITU IMT-2020规范要求速度高达20 Gbit/s，可以实现宽信道带宽和大容量MIMO。
发展背景 :
近年来，第五代移动通信系统5G已经成为通信业和学术界探讨的热点。5G的发展主要有两个驱动力。一方面以长期演进技术为代表的第四代移动通信系统4G已全面商用，对下一代技术的讨论提上日程；另一方面，移动数据的需求爆炸式增长，现有移动通信系统难以满足未来需求，急需研发新一代5G系统 。
5G的发展也来自于对移动数据日益增长的需求。随着移动互联网的发展，越来越多的设备接入到移动网络中，新的服务和应用层出不穷，全球移动宽带用户在2018年有望达到90亿，到2020年，预计移动通信网络的容量需要在当前的网络容量上增长1000倍。移动数据流量的暴涨将给网络带来严峻的挑战。
首先，如果按照当前移动通信网络发展，容量难以支持千倍流量的增长，网络能耗和比特成本难以承受；
其次，流量增长必然带来对频谱的进一步需求，而移动通信频谱稀缺，可用频谱呈大跨度、碎片化分布，难以实现频谱的高效使用；此外，要提升网络容量，必须智能高效利用网络资源，例如针对业务和用户的个性进行智能优化，但这方面的能力不足；
最后，未来网络必然是一个多网并存的异构移动网络，要提升网络容量，必须解决高效管理各个网络，简化互操作，增强用户体验的问题。为了解决上述挑战，满足日益增长的移动流量需求，亟需发展新一代5G移动通信网络 [1] 。
网络特点:
峰值速率需要达到Gbit/s的标准，以满足高清视频，虚拟现实等大数据量传输。
空中接口时延水平需要在1ms左右，满足自动驾驶，远程医疗等实时应用。
超大网络容量，提供千亿设备的连接能力，满足物联网通信。
频谱效率要比LTE提升10倍以上。
连续广域覆盖和高移动性下，用户体验速率达到100Mbit/s。
流量密度和连接数密度大幅度提高。
系统协同化，智能化水平提升，表现为多用户，多点，多天线，多摄取的协同组网，以及网络间灵活地自动调整。
关键技术:
超密集异构网络
5G 网络正朝着网络多元化、 宽带化、 综合化、 智能化的方向发展。随着各种智能终端的普及，面向 2020 年及以后，移动数据流量将呈现爆炸式增长。在未来 5G 网络中， 减小小区半径， 增加低功率节点数量，是保证未来 5G 网络支持 1000 倍流量增长的核心技术之一 。因此， 超密集异构网络成为未来 5G 网络提高数据流量的关键技术 。未来无线网络将部署超过现有站点 10 倍以上的各种无线节点，在宏站覆盖区内，站点间距离将保持 10 m 以内，并且支持在每 1 km2 范围内为 25 000个用户提供服务 。同时也可能出现活跃用户数和站点数的比例达到 1∶ 1的现象， 即用户与服务节点一一对应。密集部署的网络拉近了终端与节点间的距离，使得网络的功率和频谱效率大幅度提高，同时也扩大了网络覆盖范围，扩展了系统容量，并且增强了业务在不同接入技术和各覆盖层次间的灵活性。虽然超密集异构网络架构在 5G 中有很大的发展前景，但是节点间距离的减少，越发密集的网络部署将使得网络拓扑更加复杂， 从而容易出现与现有移动通信系统不兼容的问题。在 5G 移动通信网络中，干扰是一个必须解决的问题。网络中的干扰主要有：同频干扰，共享频谱资源干扰，不同覆盖层次间的干扰等。现有通信系统的干扰协调算法只能解决单个干扰源问题，而在 5G 网络中，相邻节点的传输损耗一般差别不大，这将导致多个干扰源强度相近，进一步恶化网络性能，使得现有协调算法难以应对。准确有效地感知相邻节点是实现大规模节点协作的前提条件。在超密集网络中，密集地部署使得小区边界数量剧增，加之形状的不规则，导致频繁复杂的切换。为了满足移动性需求， 势必出现新的切换算法；另外，网络动态部署技术也是研究的重点。由于用户部署的大量节点的开启和关闭具有突发性和随机性， 使得网络拓扑和干扰具有大范围动态变化特性；而各小站中较少的服务用户数也容易导致业务的空间和时间分布出现剧烈的动态变化。
自组织网络
传统移动通信网络中， 主要依靠人工方式完成网络部署及运维，既耗费大量人力资源又增加运行成本，而且网络优化也不理想。在未来 5G 网络中，将面临网络的部署、 运营及维护的挑战， 这主要是由于网络存在各种无线接入技术， 且网络节点覆盖能力各不相同，它们之间的关系错综复杂。因此，自组织网络(self-organizing network， SON) 的智能化将成为 5G 网络必不可少的一项关键技术。自组织网络技术解决的关键问题主要有以下 2点：①网络部署阶段的自规划和自配；②网络维护阶段的自优化和自愈合。自配置即新增网络节点的配置可实现即插即用，具有低成本、 安装简易等优点。自优化的目的是减少业务工作量， 达到提升网络质量及性能的效果， 其方法是通过 UE 和eNB 测量，在本地 eNB 或网络管理方面进行参数自优化。自愈合指系统能自动检测问题、 定位问题和排除故障，大大减少维护成本并避免对网络质量和用户体验的影响。自规划的目的是动态进行网络规划并执行，同时满足系统的容量扩展、 业务监测或优化结果等方面的需求 。
内容分发网络
在5G 中， 面向大规模用户的音频、 视频、图像等业务急剧增长， 网络流量的爆炸式增长会极大地影响用户访问互联网的服务质量 。如何有效地分发大流量的业务内容， 降低用户获取信息的时延，成为网络运营商和内容提供商面临的一大难题。仅仅依靠增加带宽并不能解决问题， 它还受到传输中路由阻塞和延迟、 网站服务器的处理能力等因素的影响，这些问题的出现与用户服务器之间的距离有密切关系。内容分发网络(content distribution network， CDN) 会对未来 5G 网络的容量与用户访问具有重要的支撑作用 。内容分发网络是在传统网络中添加新的层次，即智能虚拟网络。CDN系统综合考虑各节点连接状态、 负载情况以及用户距离等信息，通过将相关内容分发至靠近用户的 CDN代理服务器上， 实现用户就近获取所需的信息，使得网络拥塞状况得以缓解，降低响应时间，提高响应速度。CDN 网络架构在用户侧与源 server 之间构建多个 CDN代理 server，可以降低延迟、 提高 QoS(quality of service)。当用户对所需内容发送请求时， 如果源服务器之前接收到相同内容的请求， 则该请求被 DNS 重定向到离用户最近的 CDN 代理服务器上， 由该代理服务器发送相应内容给用户。因此， 源服务器只需要将内容发给各个代理服务器， 便于用户从就近的带宽充足的代理服务器上获取内容， 降低网络时延并提高用户体验。随着云计算、 移动互联网及动态网络内容技术的推进， 内容分发技术逐步趋向于专业化、 定制化，在内容路由、 管理、 推送以及安全性方面都面临新的挑战 。
D2D 通信
在5G 网络中， 网络容量、频谱效率需要进一步提升，更丰富的通信模式以及更好的终端用户体验也是 5G 的演进方向。设备到设备通信 ( device-to-device communication，D2D) 具有潜在的提升系统性能、 增强用户体验、 减轻基站压力、 提高频谱利用率的前景。因此， D2D 是未来 5G 网络中的关键技术之一 。D2D 通信是一种基于蜂窝系统的近距离数据直接传输技术。D2D 会话的数据直接在终端之间进行传输， 不需要通过基站转发， 而相关的控制信令，如会话的建立、维持、无线资源分配以及计费、鉴权、识别、移动性管理等仍由蜂窝网络负责。蜂窝网络引入 D2D 通信，可以减轻基站负担， 降低端到端的传输时延，提升频谱效率，降低终端发射功率。当无线通信基础设施损坏，或者在无线网络的覆盖盲区，终端可借助 D2D 实现端到端通信甚至接入蜂窝网络。在 5G 网络中，既可以在授权频段部署 D2D 通信，也可在非授权频段部署。
M2M 通信
M2M(machine to machine， M2M)作为物联网最常见的应用形式， 在智能电网、 安全监测、城市信息化、 环境监测等领域实现了商业化应用。3GPP 已经针对 M2M 网络制定了一些标准， 并已立项开始研究 M2M 关键技术。M2M 的定义主要有广义和狭义 2 种。广义的M2M 主要是指机器对机器、 人与机器间以及移动网络和机器之间的通信， 它涵盖了所有实现人、 机器、系统之间通信的技术；从狭义上说， M2M 仅仅指机器与机器之间的通信。智能化、 交互式是 M2M 有别于其它应用的典型特征， 这一特征下的机器也被赋予了更多的“智慧” 。
信息中心网络
随着实时音频、 高清视频等服务的日益激增，基于位置通信的传统 TCP /IP网络无法满足数据流量分发的要求。网络呈现出以信息为中心的发展趋势。信息中心网络 ( information-centric network，ICN)的思想最早是 1979 年由 Nelson 提出来的 ，后来被 Baccala 强化。作为一种新型网络体系结构，ICN 的目标是取代现有的 IP 。ICN 所指的信息包括实时媒体流、 网页服务、 多媒体通信等，而信息中心网络就是这些片段信息的总集 合。因此，ICN 的主要概念是信息的分发、 查找和传递，不再是维护目标主机的可连通性。不同于传统的以主机地址为中心的 TCP /IP 网络体系结构，ICN 采用的是以信息为中心的网络通信模型， 忽略 IP 地址的作用， 甚至只是将其作为一种传输标识。全新的网络协议栈能够实现网络层解析信息名称、 路由缓存信息数据、 多播传递信息等功能， 从而较好地解决计算机网络中存在的扩展性、 实时性以及动态性等问题。ICN信息传递流程是一种基于发布订阅方式的信息传递流程 。首先，内容提供方向网络发布自己所拥有的内容，网络中的节点就明白当收到相关内容的请求时如何响应该请求。然后，当第一个订阅方向网络发送内容请求时，节点将请求转发到内容发布方，内容发布方将相应内容发送给订阅方， 带有缓存的节点会将经过的内容缓存。其他订阅方对相同内容发送请求时，邻近带缓存的节点直接将相应内容响应给订阅方。因此，信息中心网络的通信过程就是请求内容的匹配过程。传统 IP 网络中，采用的是“推” 传输模式，即服务器在整个传输过程中占主导地位，忽略了用户的地位，从而导致用户端接收过多的垃圾信息。ICN 网络正好相反，采用“拉” 模式，整个传输过程由用户的实时信息请求触发， 网络则通过信息缓存的方式，实现快速响应用户。此外，信息安全只与信息自身相关，而与存储容器无关。针对信息的这种特性，ICN 网络采用有别于传统网络安全机制的基于信息的安全机制。和传统的 IP 网络相比，ICN 具有高效性、高安全性且支持客户端移动等优势。
