5G核心網切片運維管理關鍵技術研究

楊 旭，沈昱佳，唐文強

（中國移動通信集團云南有限公司，云南 昆明 650228）

1 網絡切片設計

根據第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）標準，核心網應具備子網切片故障管理、性能管理以及網絡優化等功能。設計網絡切片時，應注意以下問題。首先，應具備從虛擬網絡功能（Virtual Network Feature，VNF）采集網元告警、配置以及性能等信息的能力；其次，應具備支持故障自愈閉環保障的能力；最后，具備從網絡功能虛擬化編排器（Network Functions Virtualisation Orchestrator，NFVO）獲取切片資源信息的能力，從而加強子網切片運維管理的效果[1]。

網絡切片包中VNF彼此協同工作構成完整邏輯網絡，設計階段通過靈活結合VNF及邏輯連接適應不同網絡切片要求。各區塊應涵蓋簽約用戶接入網室內基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）、射頻拉遠頭（Remote Radio Head，RRH），以此確保整體網絡的邏輯完整性。

以虛擬機器為調度單元，實現各網絡切片互不干涉。具體運營中，網絡切片在邏輯上是孤立的，具有各自的生命周期。針對不同網段進行用戶界面和接入BBU設計，在不同虛擬機中運行自行分配的虛擬資源，將不同切片實例數據平面和基站完全隔離[2-4]。5G網絡切片的核心是針對不同網絡需要和虛擬資源需求制定個性化方案，通過定制化切片管理，可為后續運維管理提供良好基礎。同時，核心網絡用戶面中應靈活配置VNF，通過對網絡切片計算、存儲和網絡資源動態調整，提高虛擬機性能。

2 5G核心網切片運維管理

5G核心網切片運維管理由NFVO實現網絡部署和資源合理分配，支持服務級別協議（Service Level Agreement，SLA）監控，進而實現對閉環故障的處理與維護[5]。

2.1 5G核心網切片運維管理結構

5G網絡切片本質是利用虛擬邏輯網絡服務于垂直行業，從而達到商業創新和工業升級的目的。端到端切片是在5G端到端的基礎上通過靈活配置基礎物理網絡，根據需要整合網絡各種功能，建立多個具有多元功能特征的邏輯網。5G核心網切片整體架構如圖1所示。

圖1 5G核心網切片整體架構

通過端到端切片管理系統整合形成5G切片模型，該模型被劃分為3個層次，分別是基礎設施層、網絡切片層以及網絡管理層。

2.1.1 基礎設施層

5G網絡切片模式下，基礎設施層主要負責射頻硬件和軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）云網控制。此基礎上，采用SDN技術實現虛擬化網絡功能、物理網絡功能（Physical Network Function，PNF）、虛擬網絡應用（Virtual Local Area Network，VLNA）等實時重構和虛擬化業務。同時，為了減少網絡切片回程鏈路堵塞，基礎設施層接入系統采用集中化處理結構，并且BBU對網絡基帶信號進行統一處理[6]。

2.1.2 網絡切片層

網絡切片層運行在基礎設施層上，通過基于VMware Workstation虛擬機或Docker容器的半虛擬化技術，將基礎設施層的物理資源虛擬化為網絡切片層可用的計算、存儲網絡虛擬資源。虛擬資源庫進而根據不同切片類型和服務質量（Quality of Service，QoS）要求，通過在虛擬機上運行與之匹配的VNF，可以實現IP多媒體子系統（IP Multimedia Subsystem，IMS）等功能，最終使每個網絡切片都能組成一個邏輯完整的端到端網絡，涵蓋核心網、傳輸網以及接入網。

增強移動寬帶( enhanced Mobile Broadband，eMBB)切片具有帶寬高、數據量大、網絡密度大以及網絡覆蓋率高等特性，系統需保證該切片下用戶的高吞吐量與數據傳輸速率。海量機器類通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）切片要求網絡規模大且網絡密度高，重點支持物聯網等垂直行業。低時延高可靠通信（ultra Reliable Low Latency Communications，uRLLC）切片需要毫秒級的網絡時延，確保用戶移動性較強[7]。

2.1.3 網絡切片管理層

網絡切片管理可以根據不同業務需求創建、激活、刪除以及修改網絡切片，能夠承載網絡切片虛擬資源彈性擴展，解決通信系統中的潮汐效應，底層基礎架構發生故障時可以及時進行容災備份。網絡切片編排器負責優化虛擬資源的分配，提升資源的利用率。其中，運營支撐系統（Operation support system，OSS）與業務支撐系統（Business Support System，BSS）主要負責網絡切片操作與維護。BSS服務于運營商業務，可以提供第三方服務，而OSS則負責BSS技術支持與管理。BSS系統不但能為運營商提供自身業務支持，而且能幫助用戶制定符合需求的網絡切片實例。網絡切片運維中支持快速創建、修改和刪除切片，能夠定義和更新網絡切片，識別用戶服務需求，并將其關聯到對應的網絡切片或刪除已經簽約的網絡切片[8-10]。

2.2 切片部署

核心網主要通過微服務技術完成可伸縮切片組網，對切片智能選擇、切片開放能力、4G/5G切片互通、切片多層安全隔離等有一定需求。根據SLA、成本、安全隔離以及網絡要求實現靈活組網，如圖2所示。

圖2 核心網切片參考組網

協議數據單元（Protocol Data Unit，PPU） session 1#指遠程醫療、電力監控等領域中既不能共享控制面，又不能共享用戶面網元，具有較高安全性和較低成本敏感性。PDU session 2#是局部網絡單元共用，使用者與其他控制面上網絡單元并不共用，隔離要求較低，節省費用，并且終端需要同時訪問多個區塊，適用于輔助駕駛、車載娛樂等領域。PDU session 3#采用控制面網絡單元共享，不能共享用戶面網絡單元，降低隔離需求、降低成本，并且終端需要同時訪問多個不同切片。

核心網切片典型組網方式中，采用網絡切片選擇功能（Network Slice Selection Function，NSSF）和網元數據存儲函數(NF Repository function，NFRF)，業務管理功能（Service Management Function，SMF）、用戶端口功能（User Port Function，UPF）等網元能夠根據切片時延、帶寬、安全等不同性能要求，對切片進行獨立部署。5G核心網采用微服務技術，可以快速地建立網絡切片。各項業務都能獨立進行登記、查找和更新，方便滿足不同行業個性化要求。

2.3 切片保障

根據網絡總體布局和部署趨勢，合理設置基礎網絡切片，優化設計試驗服務，提供驗證功能。目前，網絡切片部署計劃中存在著終端到終端之間不協同、標準不完善等問題，通過不斷探索提出一種合理規劃方案，使切片粒徑和彈性保持良好平衡，從而降低切片數目。雖然大規模生產可以改善差別化服務，優化業務靈活性，但是增加了總體結構的復雜度和管理難度，造成資源不能充分共享、資源利用率下降等問題。為了控制切片數目、減輕網絡壓力，利用統一網絡平臺進行科學管理，通過豐富網絡資源滿足企業多樣化業務發展需求。

3 結 論

以5G核心網切片運維管理關鍵技術為研究方向，為促進我國5G核心網切片運維管理提供理論指導與幫助。在具體實踐中，要注重合理應用5G核心網切片運維管理關鍵技術，對切片設計、切片部署以及切片自動化運維進行合理設計。同時，為適應不同的客戶需求，必須不斷優化核心網切片運維管理方案，促使核心網切片運維管理實現智慧化、自動化發展。