5G端到端網絡切片技術與應用

張晶，李芳

（中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

網絡切片作為5G網絡的關鍵技術之一，一直以來備受業界廣泛關注。端到端網絡切片涉及無線網、承載網、核心網以及切片管理器多個領域，隨著國際國內相關標準的制定，設備支持網絡切片的技術要求逐步明確和統一。IMT-2020（5G）推進組在2020年下半年開展了端到端網絡切片的一階段測試，結果表明端到端網絡切片在功能上基本可用，但如何在5G規模商用階段做到好用，實現網絡切片的自動化部署和運維，并有效保障千行百業的差異化要求，仍需進一步推動相關標準化工作，并對相關問題進行研究。本文從5G端到端網絡切片的標準進展、關鍵技術及當前面臨的主要問題三個方面進行研究與分析。

1 5G端到端網絡切片標準進展

1.1 國際標準

端到端網絡切片涉及無線網、承載網、核心網和切片管理器四部分。切片管理器又可細分為端到端切片管理器和無線網子切片管理器、承載網子切片管理器和核心網子切片管理器。當前沒有統一的標準組織定義端到端網絡切片的功能要求、管理架構和跨域的管理接口信息模型。其中無線網子切片、核心網子切片的業務功能及管理功能在3GPP SA2和SA5定義，而承載網子切片的業務功能及管控功能及信息模型在ITU-T和IETF定義。這些標準組織重點關注的是各自領域內的功能定義，不涉及領域間的互通。

目前，各標準組織仍分別針對各領域進行深入的技術研究和探索，3GPP RAN正在研究基于切片的快速選網和用戶移動時切片的業務連續性方案；ITU-T在網絡切片管控方面，組織對現有SDN管控架構、操作架構和相關信息模型標準進行修訂，以支持虛擬網絡（VN）的管控和運維[1]；IETF主要討論傳送網絡切片的定義、北向接口模型及其應用[2]；3GPP SA2正在制定網絡切片控制（比如網絡切片支持的用戶數、會話數等）的相關標準。

1.2 國內標準

我國5G網絡已經商用，為加快網絡切片為千行百業提供差異化的服務，中國通信標準化協會（CCSA）成立了“5G網絡端到端切片特設項目組”，總體規劃5G網絡端到端切片標準體系框架，梳理現有相關標準情況，組織開展共性標準研究。目前，該項目組已完成端到端網絡切片的總體技術要求、基于SPN和IP承載網絡的端到端切片對接技術要求三項行標報批，打破了標準分層分域獨立制訂的歷史，實現了真正的跨域協同，為5G SA網絡提供最小商用集合的標準能力。5G端到端網絡切片框架示意圖如圖1所示[3]。后續該特設項目組將協同TC5（無線通信技術委員會）、TC3（網絡與業務能力技術委員會）、TC6（傳送網與接入網技術委員會）和TC7（網絡管理和運維支撐技術委員會）繼續對切片管理器以及子域切片管理器功能和接口規范進行定義。

圖1 5G端到端網絡切片框架示意圖

2 5G端到端網絡切片關鍵技術

2.1 終端

終端作為切片服務的入口和起點，需具備接入網絡切片的基本能力。目前，單終端均具備支持單切片的能力。但是為了支持不同移動互聯網應用或垂直行業對業務質量及隔離性的要求，終端應支持多個網絡切片，將不同的業務選擇到不同的網絡切片上去承載。目前，3GPP已引入URSP的概念和機制，用于輔助終端進行切片選擇。UE注冊時，核心網的策略控制功能PCF將URSP策略下發給UE，UE本地保存URSP策略，UE進行PDU會話時，根據URSP策略將不同業務的業務流激活到不同的網絡切片上，從而實現業務分流和隔離。3GPP定義的URSP策略支持四種分流方式：基于DNN、基于IP三元組、基于FQDN和基于APP ID，可分別提供會話粒度、IP地址粒度、域名地址粒度、APP應用粒度的網絡資源保障。

2.2 無線網

無線網實現網絡切片的方案主要有：

（1）基于QoS優先級機制

不同切片的用戶設置不同的QoS優先級，資源沖突時，優先調度QoS優先級高的切片用戶業務[4]。

（2）基于RB預留機制

根據業務需求劃分切片組，給切片組提供RB預留資源，可分為最大預留RB百分比A和最小預留RB百分比B。B為切片組專用資源，非切片組的業務不可使用；A和B間的RB資源為非專用資源，非切片組的業務可以使用，但優先給切片組使用。

（3）基于載波隔離機制

根據業務需求劃分不同的切片組，不同切片組通過不同的載波承載，不同的切片用戶接入不同的載波，達到隔離的目的。當用戶已經在一個載波接入切片業務時，由于位置移動發起切換，將會由于另一個載波不支持用戶接入的切片而切換失敗。

（4）基于用戶數保障機制

設置切片組的用戶數，當接入該切片組的用戶數達到設置的用戶數閾值時，新發起接入的用戶將接入失敗，提示資源不可用。

2.3 承載網

承載網支持按需為客戶提供L1VPN、L2VPN或L3VPN業務。面向5G網絡切片需求，承載網主要提供基于L3VPN的網絡切片服務，并根據SLA需求提供定制化的資源隔離、按需帶寬配置、確定性時延和抖動和差異化的可靠性服務。

（1）網絡資源隔離

運營商可根據客戶需求和業務策略提供合適的承載切片資源的隔離配置。切片分組網絡（SPN）和IP RAN均可提供基于靈活以太網（FlexE）或城域傳送網絡（MTN）接口[5]的硬隔離和基于MPLS（-TP）或段路由（SR）隧道、L3VPN和QoS的軟隔離通道。SPN還可提供涵蓋每端設備內部和接口的端到端MTN通道硬隔離特性，適用于有高安全和高隔離要求的行業客戶。

（2）按需帶寬配置

承載網絡子切片應適應客戶業務發展來按需配置和在線調整帶寬。對基于分組隧道的L3VPN業務，普遍支持帶寬的靈活在線調整功能；對采用TDM時隙配置的MTN通道，應支持端到端帶寬的在線無損調整，從而保證客戶業務的高可靠性。

（3）確定性時延和抖動

IP/MPLS網絡的時延性能與網絡規模、節點數量、鏈路長短和流量負荷狀態密切相關。由于5G承載網是為無線網和核心網之間提供物理網絡連接和業務邏輯連接，對于工業互聯網、智能電網和金融科技公司等對確定性低時延有明確指標要求的行業，推薦采用硬隔離的網絡切片來保證帶寬和低時延性能。此外需加強基于分組網絡的確定性承載技術方案研究和試點應用，在業務流量動態突發模式下，提供有指標上限的時延和抖動性能。

（4）差異化可靠性

不同網絡切片場景對業務可靠性的需求差異較大，從99.9%到99.9999%不等。IP/MPLS網絡采用QoS優先級調度和盡力而為的轉發機制，很難滿足99.99 9%及以上的高可靠性要求。5G承載網絡支持小于50 ms的電信級網絡保護技術和抗多點故障的秒級動態路由恢復技術，需要綜合配置多種網絡保護、設備和關鍵板卡的冗余保護方案來實現超高可靠性保障。

2.4 核心網

核心網支持分布式云化和服務化的架構，可靈活提供多種切片組網方式。按從低到高的隔離度和差異性，分為完全共享、部分共享、切片獨享三種方式[6]。

（1）完全共享

對于隔離性要求不高的場景，一整套核心網網元被多個網絡切片實例共享，通過QoS調度實現不同網絡切片間的差異化。

（2）部分共享

對于隔離性要求中等的場景，比如對信令面數據不敏感，但要求用戶面數據需要保護的，或者根據切片用戶的實際部署需求，需要用戶面網元就近部署滿足數據不出園區或低時延需求，這些場景可以通過共享核心網信令面網元，獨享用戶面網元UPF的方式來實現。

（3）完全獨立切片

對于隔離性要求較高的場景，切片用戶可完全獨享全部核心網網元。對于更加嚴苛的需求，甚至會要求核心網網元所使用的物理資源也完全獨占。

2.5 切片管理器

切片管理器分為跨域切片管理器NSMF和子域切片管理器NSSMF。NSMF是因網絡切片引入的獨立網元實體，跨域管理網絡切片整體功能，子域的切片管理器NSSMF僅負責本域內網絡切片管理的能力，通常在設備廠商已有的管理系統上做增強實現。目前TC7正在進行NSMF和AN-NSSMF接口、NSMF和CN-NSSMF接口標準化的制定，NSMF和TN-NSSMF接口的標準化制定在切片特設項目組。上述三個管理面接口規范的制定，實現了管理面接口的統一，支持端到端切片的統一管理，向網絡切片的自動化部署邁出了堅實的一步。

3 5G端到端網絡切片面臨的主要問題

3.1 終端切片選擇能力

單終端支持多網絡切片一直是業界關注的重點。終端內部的體系架構可分為芯片、操作系統和上層應用APP，3GPP定義的URSP策略支持4種分流方式，分別為基于APP ID、基于FQDN、基于IP三元組和基于DNN。目前，終端支持上述URSP分流方式分別面臨不同的困難，其中APP ID、FQDN和IP三元組屬于應用本身自帶的屬性，操作系統可直接管理和使用，但底層芯片和操作系統間缺少交互接口，導致芯片無法以此建立切片連接；DNN是外部賦予業務應用的屬性特征，原生操作系統把數據連接抽象為網絡能力和APN（如Internet、IMS），并不支持DNN與數據業務的直接關聯。

業界正在探索終端支持URSP的方案，主要分為：基于應用實現和基于芯片實現兩種方式，分別由應用/芯片實現業務屬性和網絡切片的匹配。無論哪種方案，都需要芯片、操作系統和上層應用進行明確分工，有效配合。

3.2 網絡切片SLA指標的分解與保障

網絡切片SLA是運營商與網絡切片客戶協商簽署的服務等級協議，需要將端到端指標要求轉換為各子網切片設計和資源配置相關的參數，其中端到端時延和可靠性等性能指標需要無線網、承載網和核心網協同保障并提供端到端監測分析報告，才能滿足網絡切片客戶的SLA要求。

由于不同網絡切片的應用場景存在網絡覆蓋范圍（園區網、城域網還是跨區域骨干網）、拓撲結構、業務流量流向等多方面的差異性，因此端到端的時延等SLA性能指標如何科學有效地分解到無線網、承載網和核心網成為實操難題。由于目前業界尚未實現端到端指標的自動化分解，在實現網絡建模仿真之前，仍需根據經驗值在各域進行預配置。SLA保障的另一個難點是端到端網絡切片的性能監控能力，目前各子域的性能指標只能在跨域切片管理器上簡單呈現，缺乏跨無線網、承載網、核心網的端到端性能的實時監測分析機制。因此，端到端網絡切片性能指標的自動化分解和性能監控能力是未來的重點研究方向。

綜上，為了推動網絡切片服務不僅實現功能好用，并且要實現SLA保障，需站在端到端的視角，加強無線網、承載網、核心網各領域的協同，達到根據網絡切片應用方案和設備能力自動進行SLA指標分解和端到端性能監測，從而實現SLA保障，滿足網絡切片客戶的業務要求。

3.3 網絡切片的跨域動態編排和配置

為了支撐5G+垂直行業的應用推廣，5G行業終端、無線網、承載網、核心網、NSMF和運營支撐系統（OSS）需協同實現網絡切片的資源編排和端到端配置，才能為行業客戶按需提供定制化的5G虛擬專網服務，并提供差異化和確定性的SLA保障。由于網絡切片的設計與網絡設備能力緊密相關，不同廠商的設備能力不同，目前網絡切片的模板設計和資源編排還不能實現動態和自動化，仍需人工進行預規劃和靜態配置[7]。此外，運營商的NSMF和OSS與各子域NSSMF之間要支持標準化的管控接口和信息模型，才能實現跨子域和異廠家管控系統之間的配置互通和數據采集。因此需要加快推動NSMF與AN-NSSMF、TNNSSMF、CN-NSSMF的功能要求和管控接口標準研制，并且滿足行業虛擬專網在業務和網絡兩個層面的管控運維功能要求，才能高效支撐5G+垂直行業的規模應用。

4 結束語

網絡切片作為5G網絡關鍵特性之一，一直以來受到業界廣泛關注。標準方面，國際標準組織3GPP、IETF、ITU等分別致力于網絡切片在終端、無線、核心網、切片管理以及承載方面標準的制定，將領域內的技術做深做實，但在端到端網絡切片方面尚有缺失；國內標準組織CCSA針對中國5G的發展現狀，從需求和實際部署出發，定義了端到端網絡切片的整體架構，并對各域互通提出要求；IMT-2020（5G）推進組針對端到端網絡切片的能力進行了測試，推動了設備能力的進一步成熟。雖然端到端網絡切片距離商用仍有關鍵技術需繼續驗證和推進，但相信在業界各方的共同努力下，這些問題會得到圓滿解決。