5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)絡(luò)切片研究

◆吳英娜 余永聰 佟 巍

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司 廣東 510630）

網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slicing）是指運營商在一套物理網(wǎng)絡(luò)之上切分出多個端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)都包含邏輯上隔離的接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)，每個邏輯網(wǎng)絡(luò)可以對應(yīng)不同的服務(wù)需求，比如時延、帶寬、安全性和可靠性等，以靈活地應(yīng)對不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景，適配各種類型服務(wù)的不同特征需求。

網(wǎng)絡(luò)切片并不是一個獨立的技術(shù)，它是基于云計算、虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)化架構(gòu)等幾大關(guān)鍵技術(shù)，并且通過上層的編排管理讓各個網(wǎng)絡(luò)具備統(tǒng)一的管理、調(diào)度、協(xié)同的能力。

5G的三大應(yīng)用場景在功能方面對網(wǎng)絡(luò)提出了不同的要求，并且它們的性能和管理要求也有很大差異，借助網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，運營商無須構(gòu)建多張5G網(wǎng)絡(luò)就能滿足這些多樣化的需求。

1 網(wǎng)絡(luò)切片管理架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)切片是端到端網(wǎng)絡(luò)，包括接入網(wǎng)RAN、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)，需要跨域的切片管理系統(tǒng)；切片需要實現(xiàn)資源隔離、安全隔離和OAM隔離，不同域可以采用不同的技術(shù)，如核心網(wǎng)采用虛擬化、微服務(wù)、智能選擇等技術(shù)；切片可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行差異化定制，如根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景（如典型的三大業(yè)務(wù)場景對應(yīng)三個切片），根據(jù)不同的用戶組（如為不同的企業(yè)劃分不同的切片）。

網(wǎng)絡(luò)切片管理架構(gòu)自上而下包含三層（圖1），分別為通信服務(wù)管理功能（CSMF）、網(wǎng)絡(luò)切片管理功能（NSMF）、網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理功能（NSSMF）。

用戶通過CSMF向運營商訂購切片，提交相應(yīng)的通信服務(wù)需求（如用戶數(shù)、帶寬、時延需求等），CSMF進(jìn)行用戶需求到網(wǎng)絡(luò)SLA、QoS等參數(shù)的轉(zhuǎn)換。

NSMF負(fù)責(zé)跨域管理，將SLA參數(shù)解析為無線、傳輸、核心網(wǎng)三個子切片的具體需求。

NSSMF負(fù)責(zé)對各個子切片進(jìn)行編排和部署，按照各個子切片的具體需求向網(wǎng)絡(luò)申請資源，并負(fù)責(zé)對子切片進(jìn)行生命周期管理。最終由MANO在NFVI上完成各個子切片及其對應(yīng)的計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲資源的部署。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)切片管理架構(gòu)

2 核心網(wǎng)子切片關(guān)鍵技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片要發(fā)揮作用，需要接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、傳輸和承載網(wǎng)、業(yè)務(wù)平臺等端到端不同網(wǎng)絡(luò)的配合和協(xié)同，本文僅對核心網(wǎng)子切片的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

2.1 網(wǎng)絡(luò)虛擬化、服務(wù)化

核心網(wǎng)絡(luò)的SDN/NFV化是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的先決條件。NFV將網(wǎng)元功能軟件和傳統(tǒng)電信設(shè)備的硬件實體資源相解耦，將軟件功能運行于通用服務(wù)器硬件上，實現(xiàn)了硬件資源的共享，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)功能的快速部署和業(yè)務(wù)容量的靈活分配。SDN將核心網(wǎng)的控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)行分離，通過集中式的軟件可編程的控制平面和分布式的轉(zhuǎn)發(fā)平面，可以實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的靈活部署，簡化運營復(fù)雜度，快速實現(xiàn)新業(yè)務(wù)交付。

5G采用服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，控制面功能進(jìn)一步分解為多個獨立的網(wǎng)絡(luò)功能NF，NF間在業(yè)務(wù)功能上解耦，對外呈現(xiàn)單一的服務(wù)化接口，服務(wù)化架構(gòu)通過將網(wǎng)元功能拆分為更細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，“無縫”對接云化NFV平臺輕量級部署單元，從而為差異化的業(yè)務(wù)場景提供敏捷的系統(tǒng)架構(gòu)支持。

運營商通過SDN/NFV平臺將通用硬件資源進(jìn)行虛擬匹配、映射，對應(yīng)不同的邏輯功能，通過統(tǒng)一的編排管理按需定制不同的NF/微服務(wù)組合，滿足不同用戶、不同業(yè)務(wù)場景對網(wǎng)絡(luò)能力的需求，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的切片。

2.2 切片組網(wǎng)方式

根據(jù)不同用戶、不同業(yè)務(wù)在優(yōu)先級、計費、策略控制、安全、移動性、時延、速率等方面的差異化需求，核心網(wǎng)切片支持多種類型的切片靈活組網(wǎng)，如標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3組切片組網(wǎng)場景：GROUP A為用戶面和控制面都不共享；GROUP B為部分控制面網(wǎng)元共享，用戶面和剩余控制面網(wǎng)元不共享；GROUP C為所有控制面網(wǎng)元共享，用戶面不共享。

GROUP B為切片典型組網(wǎng)場景，共享的部分控制面網(wǎng)元分為公共服務(wù)NF和切片共享NF：公共服務(wù)NF每PLMN集中部署1套，如NSSF和NRF；共享NF可以為多個切片共享使用，如AMF、PCF、UDM等；用戶面和剩余控制面網(wǎng)元不共享，為切片專用NF，基于切片對時延、帶寬、安全等的不同需求，為每個切片單獨部署，如SMF、UPF等。如圖2所示。

圖2 切片典型組網(wǎng)圖

2.3 切片選擇和能力開放

5G核心網(wǎng)中設(shè)置了兩個和切片選擇相關(guān)的網(wǎng)元：網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能網(wǎng)元（NSSF）和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能網(wǎng)元（NWDAF）。NSSF支持根據(jù)用戶的簽約信息、位置信息等為UE選擇提供服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片實例集；NWDAF可以為NF實時提供特定切片的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析信息，NSSF可以使用NWDAF提供的負(fù)載級別信息（如用戶數(shù)、吞吐量、速率等）智能化地進(jìn)行切片選擇。

5G核心網(wǎng)中的能力開放功能網(wǎng)元（NEF）支持能力和事件的開放，通過標(biāo)準(zhǔn)的接口開放給第三方業(yè)務(wù)應(yīng)用，更加智能化地滿足行業(yè)用戶的差異化需求。

3 網(wǎng)絡(luò)切片規(guī)劃部署

當(dāng)前各大運營商結(jié)合5G標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展和網(wǎng)絡(luò)部署的節(jié)奏，都相繼開展了基于5G核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)切片試點部署和業(yè)務(wù)功能驗證工作，初期基本聚焦典型的eMBB切片，例如高清視頻錄制、直播、AR/VR、高清游戲等業(yè)務(wù)，并且將網(wǎng)絡(luò)切片和典型行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，配合多接入邊緣計算MEC下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，實現(xiàn)一些超低時延業(yè)務(wù)的驗證。

網(wǎng)絡(luò)切片規(guī)劃部署還面臨標(biāo)準(zhǔn)不完善、與4G后向兼容、端到端協(xié)同等問題，還在不斷實踐摸索當(dāng)中，在規(guī)劃切片時，需注意切片的顆粒度和靈活性之間的平衡，切片的數(shù)量并不是越多越好，切片數(shù)量多雖然會增加靈活性和差異化服務(wù)的能力，但會極大地提升編排管理和部署的復(fù)雜性，資源共享難度增加，降低資源的利用率。因此需要將相似的需求進(jìn)行歸類，盡量減少切片數(shù)量對網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)，并且通過統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)編排平臺對切片進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，合理使用網(wǎng)絡(luò)資源，經(jīng)濟(jì)合理地滿足不同的業(yè)務(wù)需求。

4 結(jié)語

5G網(wǎng)絡(luò)切片是信息通信行業(yè)與其他行業(yè)利器，也因此成為5G的主要特征之一。核心網(wǎng)的虛擬化、服務(wù)化、對切片的靈活組網(wǎng)和選擇等特性支持網(wǎng)絡(luò)切片可以根據(jù)不同的簽約屬性、位置信息等進(jìn)行靈活的配置，運營商通過打造網(wǎng)絡(luò)切片即服務(wù)（NSaaS）的經(jīng)營模式，可以更好地滿足行業(yè)用戶的定制化需求，但在規(guī)劃部署中還需要注意切片的顆粒度和靈活性之間的平衡。