隨著行動通訊技術從4G演進至5G，我們迎來的不僅僅是更快的下載速度。5G的真正革命性在於其靈活、高效且可客製化的網路架構，而「網路切片」(Network Slicing)正是實現此願景的核心技術。告別了過去傳統4G網路「一體適用」(one-size-fits-all)的網路模式，5G能夠在單一的實體network infrastructure之上，透過虛擬化技術切割出多個獨立、端到端的邏輯networks。
每一個切片都能根據特定應用場景的service requirements進行深度客製化，無論是需要極高頻寬的增強型行動寬頻 (eMBB)、要求超低延遲與高可靠度的通訊 (uRLLC)，還是支援大規模物聯網設備連接 (mMTC)的場景，5g network slicing都能提供最優化的network resources與服務品質保證。本文將深入探討網路切片的底層架構、關鍵識別碼、運作流程及其在各行各業的應用潛力。
5G核心網路架構的演進：服務化奠定基礎
要理解網路切片，必須先了解5G核心網路 (5GC)相較於4G核心網路 (EPC)的根本性變革。5G採用了服務導向的「服務化架構」(Service-Based Architecture, SBA)，其非漫遊參考架構(non roaming reference architecture)是理解的基礎，而漫遊參考架構則是其延伸，用以和non 3gpp或其它外部系統整合。
此架構將過去4G網路架構中集總式的網元功能，拆解為一個個獨立、可靈活調用的網路功能元件 (Network Function, NF)。此架構最重要的特點是將「控制平面」(Control Plane, CP)與「使用者平面」(User Plane, UP)徹底分離。
- 控制平面 (CP)：負責管理與控制，如使用者認證、移動性管理、會話建立與策略控制等，不直接處理使用者數據。
- 使用者平面 (UP)：專注於處理使用者數據的路由、轉發、封裝與QoS執行。
這種分離使得使用者平面的功能 (如 UPF)可以被靈活地分佈部署，例如更靠近網路邊緣，以滿足低延遲應用的需求。正是這種模組化、服務化的設計，為網路切片的實現提供了穩固的技術基礎。
下表比較了4G與5G核心網路主要網元的演變：
| 4G核心網 (EPC)元件 | 5G核心網 (5GC)對應功能/元件 | 主要職責 |
|---|---|---|
| MME (Mobility Management Entity) | AMF (Access and Mobility Management Function) | 存取與移動性管理、註冊、連接、可達性管理 |
| MME | AUSF (Authentication Server Function) | 提供認證授權功能，此為ausf功能的核心 |
| SGW-C / PGW-C (Serving/PDN Gateway Control Plane) | SMF (Session Management Function) | 會話管理 (建立、修改、釋放)、ip分配管理、策略執行 |
| SGW-U / PGW-U (Serving Gateway/Packet Data Network Gateway User Plane) | UPF (User Plane Function) | 使用者數據的路由與轉發、封包檢測、QoS處理 |
| HSS (Home Subscriber Server) | UDM (Unified Data Management) | 統一的用戶數據管理、儲存用戶的訂閱資料，此為udm功能的核心 |
| – | NSSF (Network Slice Selection Function) | 網路切片選擇，為使用者選擇服務的切片實例 |
| – | PCF (Policy Control Function) | 統一的策略控制框架 |
| – | NRF (NF Repository Function) | 提供network repository function，負責網路元件的註冊、發現與授權 |
| – | NEF (Network Exposure Function) | 提供network exposure function，作為API窗口，允許外部用戶或外部網路元件安全地接入 |
網路切片的核心概念與分層架構
網路切片是運用軟體定義網路 (SDN)和網路功能虛擬化 (NFV)技術，將實體的電信網路基礎設施，抽象化為一組可供調配的虛擬資源（包含計算、儲存、網路頻寬）。基於這些虛擬資源，電信商可以建立出多個端到端的邏輯網絡，每個網絡即為一個「切片」(slice)。這些network slices共同構成了5g networks的多元服務能力。
一個完整的網路切片涵蓋了從終端設備 (UE)到外部數據網路 (DN)的所有環節，主要可分為三大領域：
- 無線接入網 (RAN)領域：5G的新一代無線電 (NR-RAN)架構，允許將基地臺 (gNB)的邏輯功能拆分為三個單元：射頻單元 (RU)、分佈式單元 (DU)和集中式單元 (CU)。這種拆分使得RAN層的資源也能被切片，為不同服務提供客製化的無線資源策略。
- 核心網路 (Core Network)領域：核心網是切片功能的大腦。它能根據不同切片的需求，將屬於該切片的會話 (Session)交由專屬的SMF及UPF處理。例如，一個用於串流影音的eMBB切片，其數據流會通過為高吞吐量優化的UPF；而一個用於自動駕駛的uRLLC切片，則會通過為超低延遲優化的UPF。
- 傳輸網路 (Transport Network)領域：負責連接RAN、核心網與數據網路之間的數據通道。此處的數據網路可以是電信商網路或Internet等外部資料網路。傳輸網路也必須具備區分不同切片流量的能力，確保例如RU到DU的前傳 (Fronthaul)、DU到CU的中傳 (Midhaul)以及CU到UPF的後傳 (Backhaul)都能滿足各切片的QoS需求。
切片識別與管理機制：NSSAI的運作
5G系統如何識別並管理眾多的網路切片？答案是透過NSSAI (Network Slice Selection Assistance Information)。
一個S-NSSAI (Single-NSSAI) 是單一網路切片的唯一識別碼，它基於公共陸地移動網路(public land mobile network)進行定義，由以下兩個欄位與plmn id共同組成：
| 欄位 | 英文全名 | 說明 |
|---|---|---|
| SST | Slice/Service Type | 切片/服務類型：定義了切片的預期行為與服務特性。3GPP標準定義了多種類型，例如： • 1: eMBB (增強型行動寬頻) • 2: uRLLC (超可靠低延遲通訊) • 3: mIoT (巨量物聯網通訊) • 4: V2X (車聯網) • 5: HMTC (高效能機器型通訊) |
| SD | Slice Differentiator | 切片區分符：此為選填欄位，用於在相同SST下進一步細分不同的服務，例如區分不同的租戶、計費方式或優先級。 |
而NSSAI則是多個S-NSSAI的集合。在整個網路運作中，定義了數種不同類型的NSSAI，它們在使用者設備 (UE)與核心網的互動中扮演關鍵角色：
- Subscribed NSSAI (已訂閱NSSAI)：儲存在UDM中，記錄了該用戶簽約可使用的所有切片服務，這是管理用戶數據的一部分。
- Configured NSSAI (已配置NSSAI)：由網路配置在UE中，告知UE該網路環境下有哪些可用的切片。
- Requested NSSAI (請求的NSSAI)：當UE發起註冊程序時，會從Configured NSSAI中選擇希望使用的切片，並將其包含在註冊請求中發送給網路。
- Allowed NSSAI (允許的NSSAI)：核心網根據用戶的Subscribed NSSAI和網路策略，決定最終允許UE使用哪些切片。此資訊會透過註冊成功的回應訊息傳回給UE。
- Rejected NSSAI (拒絕的NSSAI)：對於UE請求但未被允許的切片，網路會將其S-NSSAI放在此欄位中回覆。
網路切片的運作流程
瞭解了各種識別碼後，我們可以勾勒出一個完整的網路切片選擇與註冊流程，這通常是在非漫遊架構下進行的：
- 註冊請求：UE向AMF發起註冊請求 (Registration Request)，其中包含Requested NSSAI，表明它希望使用哪些網路切片。
- 驗證與選擇：AMF收到請求後，會執行以下動作：
- 向UDM查詢該用戶的Subscribed NSSAI，以驗證其使用權限。
- 與NSSF互動，根據Requested NSSAI、用戶位置、網路負載等資訊，選擇最合適的網路切片實例 (Network Slice Instance)。
- 認證授權：透過AUSF完成對UE的認證程序。
- 註冊成功：一旦認證通過且切片選擇完成，AMF會回覆註冊成功訊息 (Registration Accept)給UE。此訊息中包含了Allowed NSSAI，明確告知UE最終被覈准使用的切片列表。
- 建立連線：UE收到Allowed NSSAI後，便可以針對其中一個或多個允許的切片，發起PDU會話 (PDU Session)建立程序，從而真正開始使用該切片提供的客製化網路服務。這整個過程也受到session and service continuity模式的規範。
網路切片的十大潛在應用案例
網路切片的商業價值在於能為各行各業提供「專網」等級的服務，但成本與彈性遠優於傳統專網。愛立信 (Ericsson)等產業領導者預見了以下十大應用領域的巨大潛力，這也展示了不同網路元件功能組合的可能性：
- 汽車行業：為自動駕駛和車聯網 (V2X)提供超低延遲、高可靠的通訊切片，保障行車安全。
- 醫療健康：為遠距手術、即時生理數據監控、高畫質醫療影像傳輸提供專用切片，確保服務的穩定性與安全性。
- 發電與電力傳輸：為智慧電網提供穩定可靠的通訊，支持即時監控、故障預測和自動化調度。
- 公部門：為智慧城市提供監控攝影機、環境感測器等大規模連接的切片。
- 政府緊急應變：為警察、消防、救護等單位提供具有最高優先級和可靠性的關鍵任務通訊切片。
- 廣播和串流媒體：為8K影片、VR/AR直播等提供eMBB切片，保證極致的觀影體驗。
- 智慧製造：為工廠內的無線機器人控制、自動化產線提供uRLLC切片，實現柔性製造。
- 雲端遊戲：提供低延遲、高頻寬的切片，讓玩家享受流暢、無延遲的遊戲體驗。
- 供應鏈管理：為倉儲、物流提供大規模物聯網切片，實現資產的即時追蹤與管理。
- 軌道交通：為高鐵、捷運提供列車自動控制、即時監控與乘客Wi-Fi等(這就是5g網路的應用)多種服務的複合式切片。
常見問題 (FAQ)
Q1: 網路切片和傳統的VPN有什麼不同？
A1: VPN (虛擬私人網路)主要是在公用網路上建立一條加密的通訊隧道，以確保數據傳輸的安全性與隱私，但它無法保證網路效能 (如延遲、頻寬)。而網路切片則是一個完整的端到端虛擬網路，不僅包含安全性，更重要的是能在RAN(無線網路)、傳輸網和核心網等所有環節上，提供可保證的資源 (Guaranteed QoS)，例如保證某個切片始終擁有10ms以下的延遲和100Mbps的頻寬。
Q2: 使用網路切片會更安全嗎？
A2: 是的。網路切片的關鍵特性之一是「隔離性」(Isolation)。不同切片之間的資源和數據流是邏輯上隔離的，這意味著一個切片上發生的安全攻擊或故障，不會影響到其他切片的正常運作。這種設計顯著提升了網路的整體強韌性與安全性。
Q3: 任何5G手機都可以使用網路切片嗎？
A3: 這取決於兩個條件：首先，手機本身 (UE)必須支援網路切片的相關信令流程，也就是能夠在註冊時發送NSSAI資訊。其次，也是更關鍵的，營運商的網路必須是5G獨立組網 (Standalone, SA)架構。早期的5G非獨立組網 (Non-Standalone, NSA)依賴4G核心網，無法完整支援網路切片功能。
Q4: 網路切片和邊緣運算 (MEC)有什麼關係？
A4: 網路切片和MEC (Multi-access Edge Computing)是相輔相成的關鍵技術。營運商可以設計一個uRLLC切片，並將該切片的UPF和相關應用伺服器部署在網路邊緣 (即MEC節點上)。如此一來，需要超低延遲的應用 (如AR/VR、工業控制)的數據流量就不需要繞行至遠端的外部網路數據中心，可以直接在靠近用戶的邊緣節點完成處理，從而最大程度地降低延遲，實現最佳效能。
總結
網路切片是5G區別於前代技術的核心創新，它將靜態、單一的網路基礎設施，轉變為一個動態、多元的服務平臺。透過將SDN與NFV技術深度整合至行動網路，5G得以在共享的硬體上，為千行百業打造出具備專屬資源、獨立管理與服務品質保證的虛擬專網。從底層的識別碼設計 (NSSAI)、核心網路的服務化架構 (SBA)，到上層的商業應用，網路切片貫穿了整個5G生態系統。它不僅是電信營運商實現營收增長的新引擎，更是推動社會數位化轉型、釋放5G完整潛力的關鍵鑰匙。
