5G這把瑞士軍刀,如何網路切片?

如果說4G網路是一把刀,足可削鐵如泥、吹毛斷發。那麼,5G網路就是一把瑞士軍刀,靈活方便、多功能用途。

4G網路主要為智慧型手機而生。進入5G時代,我們將面臨「下一件大事(the next big thing)」 — 物聯網。無物不聯的時代,將有大量的設備接入網路,這些設備分屬不同的工業領域,它們具有不同的特點和需求。換句話說,它們對於網路的移動性、安全性、時延、可靠性,甚至是計費方式的需求是不同的。所以,5G網路必須得像瑞士軍刀一樣靈活方便且具有多功能性。

舉兩個例子。

用於森林防火的物聯網應用中,分布於森林的大量傳感器檢測溫度、濕度和降水,它們是靜止不動的,它們並不需要像智慧型手機一樣需要切換、位置更新等移動性管理。一份NOKIA的報告顯示,預計5G網路中有70%的設備是靜止不動的,而移動用戶僅占30%。

當5G應用於無人駕駛、遠程機器人控制等領域中,則要求超低的端到端時延,這個時延比智慧型手機無線上網的時延要低得多,通常不能超過幾毫秒。

所以,面向不同的應用領域,5G網路得像瑞士軍刀一樣。怎麼辦?當全世界都在談5G的時候,通信業界裡談論得最多的是 —— 5G網路切片技術(Network Slicing)。網路切片,已成為中國移動,韓國KT、SK電信,日本KDDI 和NTT,以及愛立信、諾基亞、華為等設備商公認的最理想的5G網路構架。

什麼是網路切片?最簡單的理解,就是將一個物理網路切割成多個虛擬的端到端的網路,每個虛擬網路之間,包括網路內的設備、接入、傳輸和核心網,是邏輯獨立的,任何一個虛擬網路發生故障都不會影響到其它虛擬網路。每個虛擬網路就像是瑞士軍刀上的鉗子、鋸子一樣,具備不同的功能特點,面向不同的需求和服務。

或者可以這麼說,就像你安裝電腦的時候,將你的物理硬碟分區,劃分成C盤、D盤、E盤…

為了進一步了解5G網路切片,我們先將5G網路的應用場景劃分為三類:移動寬帶、海量物聯網(Massive IoT)和任務關鍵性物聯網(Mission-critical IoT)。

如上表所示,5G網路的三類應用場景的服務需求是不一樣的:

1)移動寬帶

5G時代將面向4K/8K超高清影片、全息技術、增強現實/虛擬現實等應用,移動寬帶的主要需求是更高的數據容量。

2)海量物聯網

海量傳感器部署於測量、建築、農業、物流、智慧城市、家庭等領域,這些傳感器設備是非常密集的,大部分是靜止的。

3)任務關鍵性物聯網

任務關鍵性物聯網主要應用於無人駕駛、自動工廠、智能電網等領域,主要需求是超低時延和高可靠性。

4G網路主要服務於人,連接網路的主要設備是智慧型手機,不需要網路切片以面向不同的應用場景。

5G時代,不同領域的不同設備大量接入網路,網路將面向三類應用場景:移動寬帶、海量物聯網和任務關鍵性物聯網。

如何網路切片呢?我們並不需要為每一類應用場景構建一個網路,所以,它不是這樣的…



我們要做的是,將一個物理網路分成多個虛擬的邏輯網路,每一個虛擬網路對應不同的應用場景,這就叫網路切片。

5G白皮書裡關於網路切片的架構是這樣的:

我們將如何完成端到端的網路切片呢?上面的內容太抽象,在實際的網路部署中我們是怎麼做的呢?

1)5G無線接入網和核心網:NFV

目前4G網路中主要終端設備是手機,網路中的無線接入網部分(包括數字單元(DU)和射頻單元(RU))和核心網部分都採用設備商提供的專用設備。

如下圖:

為了做到網路切片,網路功能虛擬化(NFV,Network Function Virtualization)是先決條件。本質上講,所謂NFV,就是將網路中的專用設備的軟硬體功能(比如核心網中的MME, S/P-GW和PCRF,無線接入網中的數字單元DU等)轉移到虛擬主機(VMs,Virtual Machines)上。這些虛擬主機是基於行業標準的商用服務器,它們是COTS商用現成產品,低成本且安裝簡便。 簡單的說,就是用基於行業標準的服務器、存儲和網路設備,來取代網路中的專用的網元設備。

網路經過功能虛擬化後,無線接入網部分叫邊緣雲(Edge Cloud),而核心網部分叫核心雲(Core Cloud)。邊緣雲中的VMs和核心雲中的VMs,通過SDN(軟體定義網路)互聯互通。

這樣,網路採用NFV和SDN後,執行切片就非常容易了,像切麵包一樣水平將網路「切」成多個虛擬子網路(片)就可以了。

如上圖所示,針對不同的應用場景,網路被「切」成4「片」:

高清影片切片:原來網路中數字單元(DU)和部分核心網功能被虛擬化後,加上存儲服務器,統一放入邊緣雲。而部分被虛擬化的核心網功能放入核心雲。

手機切片:原網路無線接入部分的數字單元(DU)被虛擬化後,放入邊緣雲。而原網路的核心網功能,包括IMS,被虛擬化後放入核心雲。

海量物聯網切片:由於大部分傳感器都是靜止不動的,並不需要移動性管理,在這一切片裡,核心雲的任務相對輕鬆簡單。

任務關鍵性物聯網切片:由於對時延要求很高,為了最小化端到端時延,原網路的核心網功能和相關服務器均下沉到邊緣雲。

網路結構是這樣的:

當然,網路切片技術並不僅限於這幾類切片,它是靈活的,經營商可以隨心所欲的根據應用場景定制自己的虛擬網路。

2)邊緣雲與核心雲的連接: IP/MPLS-SDN

5G切片網路通過SDN連接邊緣雲和核心雲裡的VMs。核心雲裡有虛擬化的服務器,服務器的Hypervisor裡運行著內置的vRouter/vSwitch,SDN控制器負責在虛擬服務器與DC G/W路由器之間創建SDN tunnels,隨後,SDN控制器執行SDN tunnels和MPLS L3 VPN之間的映射,從而建立核心雲與邊緣雲之間的連接。

3)邊緣雲與基站射頻單元的網路切片

現在,我們來到前傳部分。如何完成5G 射頻單元(RU)與邊緣雲之間(前傳)部分的切片?首先需要定義5G前傳的標準,目前並沒有統一的標準。下圖是國際電信聯盟(ITU)5G移動通信標準研究小組(Focus Group on IMT-2020)曾提出的一個虛擬化前傳的結構圖,有興趣可以看看:

這就是5G網路切片技術,有了它,5G才會成為無線網路領域鋒利的瑞士軍刀。