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      何为5G网络切片?用刀切的那种?,何为5g


      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。

      何为5G网络切片?用刀切的那种?

      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)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)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)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. 5G无线接入网和核心网:NFV

      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: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: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: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:由于对时延要求很高,为了最小化端到端时延,原网络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. 边缘云与核心云的连接: IP/MPLS-SDN

      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. 边缘云与基站射频单元的网络切片

      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。

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