[论文解读] Network Slicing in 5G Mobile Communication Architecture, Profit Modeling, and Challenges

Mohammad Asif Habibi, Bin Han+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2017

Software-Defined Networks and 5G参考文献 8被引用 26

一句话总结

本文对5G移动网络中的网络切片进行了全面分析，重点探讨了系统架构、商业模式及关键挑战。论文提出了两种利润建模维度——自有切片实施与资源租赁以支持外包切片，并识别出影响未来5G及更长远网络切片实际部署的关键技术、管理与标准化挑战，为后续研究提供指导。

ABSTRACT

Efficient flexibility and higher system scalability call for enhanced network performance, better energy consumption, lower infrastructure cost, and effective resource utilization. To accomplish this, an architectural optimization and reconstruction of existing cellular network is required. Network slicing is considered to be one of the key enablers and an architectural answer of communication system of 2020 and beyond. Traditional mobile operators provide all types of services to various kinds of customers through a single network, however, with the deployment of network slicing operators are now able to divide entire network into different slices each with its own configuration and specific Quality of Service (QoS) requirements. In a slice-based network, each slice will be considered as a separate logical network. In this way, the infrastructure utilization and resource allocation will be much more energy and cost efficient in comparison to traditional network. In this paper, we provided a comprehensive discussion on concept and system architecture of network slicing with particular focus on its business aspect and profit modeling. We throughly discussed two different dimensions of profit modeling, so called Own-Slice Implementation and Resource Leasing for Outsourced Slices. We further addressed open research directions and existing challenges with the purpose of motivating new advances and adding realistic solutions to this emerging technology.

研究动机与目标

• 为应对垂直行业中5G网络对多样化服务质量（QoS）需求的持续增长。
• 通过网络切片实现架构优化，克服传统‘一刀切’网络架构的低效问题。
• 通过详细的利润建模分析网络切片的商业与经济可行性。
• 识别并解决阻碍网络切片在真实世界中部署的关键技术、管理与标准化挑战。
• 通过阐明网络切片实施中的开放挑战与研究方向，激发未来研究。

提出的方法

• 提出一种5G网络切片的系统架构，支持在共享物理基础设施上构建多个逻辑网络。
• 引入两种不同的利润建模维度：自有切片实施（运营商拥有的切片）与外包切片的资源租赁（第三方提供切片）。
• 分析软件定义网络（SDN）与网络功能虚拟化（NFV）在实现网络可编程性、虚拟化与动态资源编排中的作用。
• 研究网络管理中的挑战，包括动态资源分配、策略验证以及跨切片的冲突解决。
• 评估在异构接入技术与多样化QoS需求的多切片环境中，性能测量与QoS分析的方法。
• 回顾3GPP、NGMN、5GPPP等组织的标准化工作，识别全球网络切片标准化中的缺口。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计网络切片架构，以支持5G网络中垂直行业对多样化QoS需求？
• RQ2 网络切片中用于盈利的两种主要商业模式是什么？它们在成本与收入结构上如何不同？
• RQ3 哪些技术、管理与安全挑战阻碍了网络切片在真实5G系统中的部署？
• RQ4 在多租户、多切片环境中，如何有效管理动态资源分配与编排？
• RQ5 网络切片的当前标准化状况如何？尚需解决哪些差距？

主要发现

• 通过在单一物理基础设施上支持多个逻辑网络，网络切片可实现资源利用效率提升、能耗降低与基础设施成本下降。
• 两种利润建模维度——自有切片实施与资源租赁——为运营商与第三方提供商提供了不同的经济路径。
• 在网络安全管理方面仍存在重大挑战，包括动态资源编排、策略验证以及跨切片的冲突解决。
• 由于可编程接口与虚拟化组件引入了更多攻击面，安全风险显著上升，因此需要多层次的安全框架。
• 网络切片的标准化工作仍在进行中，主要集中在垂直切片领域，完整标准化预计将在3GPP Release 15及以后版本中实现。
• 无线接入网（RAN）虚拟化仍是主要开放挑战，尤其体现在多种接入技术在共享硬件上的共存问题。