2.3 网络切片

2.3.1 网络切片概述

未来，随着移动互联业务场景在连接性能、网络功能及网络安全可靠性等方面的差异化需求增大，现有的4G网络难以满足电网关键业务隔离的要求。同时，单独搭建不同业务场景的专用通信网络将产生巨额投资，使电网提供商望而却步。

5G网络切片技术在同一个物理基础网络上划分多个互相隔离的虚拟网络，网络切片间完全隔离，在某一切片中发生错误和障碍时不会对其他切片产生影响，每个虚拟网络可根据不同的服务需求来搭建，以灵活地应对不同的网络应用场景。网络切片基于指定的网络功能和特定的接入网技术，灵活设计各切片的功能、性能、连接关系、运维等，按需构建端到端的逻辑网络，为不同的业务或用户群提供差异化的网络服务。网络切片以端到端、定制性和隔离性为主要特征。

① 端到端体现在网络的每个层面，不仅核心网需要切片，接入网、传输网，甚至网络控制器、终端也都需要切片。

② 定制性表现为网络能力、网络性能、接入方式、服务范围和部署策略均可定制，有助于各行业分步、按需、快速地开通新业务。

③ 隔离性是指为各网络切片提供安全隔离、资源隔离与操作维护隔离等保障，使各切片之间相互绝缘，互不影响。

同时，网络切片技术利用软件定义网络和网络功能虚拟化来实现软件与硬件的解耦，将网络功能以虚拟网元的形式部署在统一基础设施上，提升切片的管理效率，节约成本。

2.3.2 网络切片技术发展路径

网络切片的概念最早是由下一代移动通信网络 （Next Generation Mobile Networks，NGMN）联盟在 《5G白皮书》（5G White Paper）中提出的。3GPP自2015年开始启动了5G相关的标准研究和制定工作，网络切片作为5G网络的重要使能技术，已在3GPP TSG SA （业务和系统技术规范组）内开始了相关研究，其中SA1负责探讨和制定网络切片的需求原则；SA2负责研究切片间的信息泄露、干扰和攻击、切片的非授权访问等网络安全性能问题；SA5主要研究切片管理，并对网管设备进行标准化。此外，TSG RAN （无线接入网技术规范组）也对网络切片技术进行了研究和探讨，目标是在无线接入网侧支持网络切片功能，实现端到端的切片流程。

3GPP对网络切片的研究已取得一定进展，最早在R14阶段，SA1发布的TR 22. 864报告提出了网络切片的需求，随后SA2在TR 23. 799中初步研究了网络切片方案；在R15阶段，SA2正式把网络切片的相关概念和方案写入了TS 23. 501中。

通过R14和R15两个版本的完善，网络切片初步具备了可使用的基础能力，特别是在5G核心网中，规范了切片选择、切片接入、切片内协议数据单元 （Protocol Data Unit，PDU）会话建立等操作流程，同时对切片管理进行了初步的标准化。在R16阶段，需要重点完善切片编排管理的标准化，研究4G与5G的切片互操作增强、切片接入授权增强等问题。网络切片可以使5G网络适配不同的业务需求，带来技术发展、商业模式、运营模式等重大变革。

2.3.3 网络切片技术国内外发展现状

1. 国内发展现状

2020年3月，工信部发布的 《关于推动5G加快发展的通知》中指出，“加快构建5G关键信息基础设施安全保障体系，加强5G核心系统、网络切片、移动边缘计算平台等新对象的网络安全防护，建立风险动态评估、关键设备检测认证等制度和机制。”

同时，网络切片被认为是5G时代的理想网络架构，我国电力行业积极与网络运营商、设备商和高校加深合作，使网络切片技术进一步赋能垂直行业。2018年1月，国家电网联合中国电信、华为发布了 《5G网络切片使能智能电网》产业报告，成为垂直行业与运营商在5G应用领域实质性合作的代表性成果。2018年7月，中国南方电网联合中国移动、华为发布了 《5G助力智能电网应用白皮书》，标志着“5G+电网” 进入全行业关注的阶段。

中国电力科学研究院 （以下简称中国电科院）在信息通信测试仿真、专网及5G业务适配性研究和标准等方面进行技术引领，曾承担2018年国网科技项目“5G网络切片技术在电网业务中的适配分析与验证”，并在5G网络切片、业务适配性及无线专网测试验证等方面打下了深厚的研究基础。此外，北京邮电大学联合OAI软件联盟及开源5G中法联合实验室，全程展示了全球首个5G网络服务化切片管理编排原型系统，并提交了SBA （Service-Based Architecture，基于服务的网络架构）5G网络切片标准化提案。该系统是5G网络操作系统的核心部分，可实现灵活的网络切片管理、业务动态编排及弹性伸缩，可有效应对5G网络中场景多样化、业务动态化和网络异构化的挑战。

中国电科院与北京邮电大学利用自身在5G网络切片应用基础理论研究和电力无线通信技术研究测试上的优势，完成了端到端网络切片质量保证整体架构的研究和各域 （终端、接入、传输、核心网、管理系统）支撑切片技术质量保障方案的研究，设计了接入网络切片高效无线资源分配策略以及核心网络切片中虚拟资源的高效编排与部署策略，对智能电网相关业务通信需求和开展5G网络切片技术与电网业务适配性进行了分析。

2. 国外发展现状

网络切片能够使通信服务运营商动态地分配网络资源、提供NaaS服务，为行业客户带来更敏捷的服务、更强的安全隔离性和更灵活的商业模式，在全球范围内引起广泛关注，众多国际组织或知名企业纷纷开展网络切片的相关研究。

欧盟发起5G Transformer项目，来推动欧洲5G技术的发展，成员包括NEC、爱立信、诺基亚、InterDigital、Orange和Telefonica等在内的移动运营商、厂商和高校等。5G Trans-former项目的一大目的是使用网络切片，利用软件定义网络和网络功能虚拟化、业务流程和分析功能，支持电网、汽车、医疗保健和媒体等垂直行业。

作为行业贸易协会，5G Americas于 2016年 12月发布了“Network Slicing for 5G Networks & Services” 白皮书，从运营商的角度考虑网络切片的系统架构、管理和编排，讨论了网络切片在空中接口技术中的应用，并表示网络切片技术在5G网络优化方面作用显著。英特尔、Telenor、Arctos Labs等机构也联合发布了 《通过概念验证演示服务链和5G网络切片中的自动化保证和开发运维》白皮书。

2.3.4 网络切片总体架构

网络切片总体架构可分为端、管、云和安全体系四个部分。

端的层面，主要包括集中器、电表、监控器、差动保护装置、无人机、巡检机器人和高清摄像头等不同电力终端，分别对应mMTC、URLLC、eMBB三大网络切片场景。

管的层面，主要包括基站、传输承载网和核心网等，共同为电力物联网提供网络切片服务。在三大网络切片的基础上，根据电力业务的不同分区进一步提供子切片服务，保证电力业务的安全隔离要求，同时与电力各类业务的平台对接，实现电力终端至主站系统的可靠承载。此外，运营商网络通过能力开放平台，实现终端与网络信息的开放共享，进而为电力行业提供网络切片二次运营的可能。图2-3展示了电力物联网信息采集切片、配电自动化切片和精准负荷控制切片的设计架构，分别满足对应场景的业务技术指标要求。

云的层面，主要包括传统的电力业务平台和电力业务通信管理支撑平台两大类，可为电力行业客户提供更开放、更便捷的终端业务自主管理和自主可控能力。

安全体系涵盖了端、管和云这三个层次，云层面根据电力行业及国家相关要求，在电力生产控制类业务进入业务平台前，将其接入安全接入区，进行必要的网闸隔离。安全防控的重点则聚焦在管、端两侧，主要利用5G提供的统一认证框架、多层次网络切片安全管理、灵活的二次认证和密钥能力以及安全能力开放等新属性，进一步提升安全性。

2.3.5 网络切片应用

在电力行业，网络切片可为用户打造定制化的“行业专网” 服务，从而更好地适应未来电力多场景、差异化业务灵活承载的需求，有力促进能源互联网业务的应用创新。同时，作为实施网络切片试验的垂直行业之一，电网公司在推进网络切片应用落地方面取得了突破进展。

2018年6月，在上海举行的世界移动大会上，中国电信、国家电网和华为联合演示业界首个基于5G网络切片的智能电网业务。该业务采用华为的5G核心网、基站、切片管理器和国网江苏省电力有限公司 （以下简称，江苏电力公司）的电力终端、业务软件系统，体现了智能配电房动力环境监控业务场景，从端到端服务质量保障、业务隔离和独立运营等视角展示了智能配电房管控效率的全面提升，标志着“5G网络切片使能智能电网” 进入新的阶段。

2019年2月，南方电网联合中国移动、华为在深圳完成5G智能电网的一阶段外场测试。该测试验证了核心网段和传输网段切片可在外场真实复杂的网络环境中满足电网的物理和逻辑隔离需求，并且5G网络的端到端时延也控制在10 ms以内，为电网的差动保护和配电自动化业务提供更及时高效的网络服务。

2019年3月，国家电网联合中国电信、华为在江苏电力公司联合部署网络切片试验环境，从服务质量保障、业务隔离、运维管理、可靠性、安全性等多个角度着手，进行精准负荷控制、配电自动化、用电信息采集、分布式电源等典型场景的切片试验，并于4月8日在真实电网环境下成功完成了全球首个基于独立组网的毫秒级精准负荷控制切片测试。

2019年6月，在上海召开的世界移动大会期间，南方电网联合中国移动、华为在深圳首次完成基于5G独立组网的端到端网络切片场外测试，并于2019年9月完成了安全隔离性试验，初步验证了配电自动化三遥切片、视频业务切片和公众业务切片的全生命周期管理流程和手段，入选全球移动通信系统协会 《中国5G垂直行业应用案例2020》。