5G網(wǎng)絡切片技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望

【摘? 要】5G即將商用，網(wǎng)絡切片具備哪些服務客戶的網(wǎng)絡能力和管理能力備受關注，為此主要介紹網(wǎng)絡切片的端到端的技術方案現(xiàn)狀，包括網(wǎng)絡域和管理域。網(wǎng)絡域?qū)用?，介紹了終端、無線網(wǎng)絡、承載網(wǎng)絡和核心網(wǎng)絡對網(wǎng)絡切片的支持技術，管理域?qū)用?，介紹了網(wǎng)絡切片管理系統(tǒng)的工作機制。最后，也展望了3GPP對網(wǎng)絡切片技術的增強研究和后續(xù)演進。

【關鍵詞】網(wǎng)絡切片;端到端;網(wǎng)絡切片管理;SLA

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.007? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）10-0038-05

引用格式：邢燕霞. 5G網(wǎng)絡切片技術發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 移動通信， 2020，44（10）： 38-42.

0? ?引言

根據(jù)3GPP定義，網(wǎng)絡切片是提供特定網(wǎng)絡能力和網(wǎng)絡特征的邏輯網(wǎng)絡，網(wǎng)絡切片既是網(wǎng)絡又是業(yè)務，它有三大核心特征：從滿足客戶需求的角度看，網(wǎng)絡切片具有可定制、可隔離的特征;從網(wǎng)絡運營管理的角度看，網(wǎng)絡切片具有可編排的特征，運營靈活性大大提升。

隨著5G網(wǎng)絡的部署和切片業(yè)務即將商用，網(wǎng)絡切片具備哪些技術手段、網(wǎng)絡切片對業(yè)務的支持程度、運營商5G網(wǎng)絡切片管理體系如何支撐切片業(yè)務開展等是業(yè)界普遍關注的問題，下文將從網(wǎng)絡域和管理域兩個方面介紹網(wǎng)絡切片的技術實現(xiàn)方案。

1? ?網(wǎng)絡切片網(wǎng)絡域技術方案

從網(wǎng)絡角度看，網(wǎng)絡切片是端到端的，如圖1所示，即5G網(wǎng)絡上必須從核心網(wǎng)絡、接入網(wǎng)以及承載網(wǎng)以及終端方面進行端到端的技術保障。下面分別介紹各部分所采用的技術方案。

1.1? 核心網(wǎng)絡網(wǎng)絡切片技術

核心網(wǎng)網(wǎng)絡切片在規(guī)范上和產(chǎn)品實現(xiàn)上都相對完善，主要技術包括網(wǎng)絡切片的選擇、切片會話管理、切片漫游等[1]。UE注冊時，網(wǎng)絡切片的選擇是指為UE選擇合適的AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移動性管理功能）;在用戶發(fā)起業(yè)務請求時，網(wǎng)絡切片選擇過程是指為UE選擇合適的SMF（Session Management Function，會話管理功能）和UPF（User Plane Function，用戶面功能），從而進行流量的疏導。當用戶首次注冊時[2]，基站根據(jù)用戶攜帶的S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information，單一網(wǎng)絡切片選擇輔助信息）為用戶選擇AMF，如果用戶沒有攜帶任何S-NSSAI，則基站為用戶選擇默認的AMF。如果選定的AMF可以為UE提供切片服務，則由這個AMF提供后續(xù)服務。如果選定的AMF不能為UE提供切片服務，還將進行AMF重選，AMF依據(jù)從NSSF（Network Slice Selection Function，網(wǎng)絡切片選擇功能）和NRF（Network Repository Function，網(wǎng)絡存儲功能）獲取的信息，將注冊消息直接發(fā)給目的AMF處理或通過基站將NAS消息轉(zhuǎn)發(fā)到目標AMF，并為UE分配臨時標識發(fā)送給UE，后續(xù)基站根據(jù)用戶攜帶的臨時標識為UE選擇服務的AMF。當UE發(fā)起業(yè)務請求時，AMF根據(jù)本地配置的策略或通過查詢NRF選擇合適的SMF。然后SMF將根據(jù)發(fā)起會話的DNN（Data Network Name）、S-NSSAI、UE位置、UPF的負荷等因素選擇合適的UPF，并依據(jù)PCF（Policy Control Function，策略控制功能）提供的會話策略進行UPF的配置，UPF和基站之間建立用戶面連接，后續(xù)流量由此UPF疏導。

核心網(wǎng)還支持切片的漫游，當UE漫游到拜訪網(wǎng)絡時，如果UE使用標準的S-NSSAI，則在拜訪網(wǎng)絡中使用相同的S-NSSAI。如果UE使用非標準的S-NSSAI，拜訪網(wǎng)絡會依據(jù)漫游協(xié)議將UE簽約的S-NSSAI映射為拜訪網(wǎng)絡的S-NSSAI。核心網(wǎng)絡通過上述機制，可以確保將不同的業(yè)務疏導到不同的網(wǎng)絡切片，實現(xiàn)差異化的業(yè)務保障。

1.2? 無線網(wǎng)網(wǎng)絡切片技術

無線網(wǎng)絡支持網(wǎng)絡切片的規(guī)范相對核心網(wǎng)要簡單一些，3GPP規(guī)范了無線網(wǎng)絡對網(wǎng)絡切片的感知、網(wǎng)絡切片的選擇、用戶級的QoS保障機制等，目前沒有定義無線網(wǎng)絡如何針對網(wǎng)絡切片進行資源調(diào)度和資源預留。無線側(cè)對網(wǎng)絡切片的感知是在UE發(fā)起與基站之間的連接時實現(xiàn)的，如果UE預配置了S-NSSAI，那么UE在RRCSetupComplete消息中攜帶S-NSSAI，基站后續(xù)依據(jù)UE請求的S-NSSAI等信息在AMF Pool中選擇一個AMF，選定AMF后可以進行NAS通信，實現(xiàn)UE網(wǎng)絡切片的接入和后續(xù)的會話。

從標準的角度，目前無線側(cè)對切片業(yè)務支持主要基于QoS機制來保障網(wǎng)絡切片服務。從高層到底層，QoS的映射機制基本過程是這樣：PDU Session建立的時候會講會話與切片標識S-NSSAI進行關聯(lián)，基于這個關聯(lián)，向下層逐層進行映射。在PDU Session建立后，其內(nèi)部可以根據(jù)不同業(yè)務的IP包過濾規(guī)則，將IP流映射到不同的QoS Flow，在SDAP（Service Data Adaptation Protocol）層將不同的QoS Flow再映射為不同的DRB（Data Radio Bearers），不同的DRB在空口的處理機制不同，包括進行不同的MAC層調(diào)度，以及預留不同的PRB（Physical Resource Block，物理資源塊）資源等，從而實現(xiàn)不同切片的業(yè)務保障。目前，標準上沒有定義針對網(wǎng)絡切片的資源調(diào)度和資源預留標準，但設備廠商可以基于各自的私有方案，進行針對網(wǎng)絡切片業(yè)務的高優(yōu)先級處理和資源預留。

1.3? 承載網(wǎng)網(wǎng)絡切片技術

承載網(wǎng)絡對網(wǎng)絡切片的支持分為兩類方案，一類是軟切片、一類是硬切片。軟切片主要指VPN技術，例如MPLS VPN。在業(yè)務隔離方面，不同切片之間MPLS VPN路由隔離，但是轉(zhuǎn)發(fā)面需要共享資源和鏈路，不同切片業(yè)務之間只能實現(xiàn)邏輯隔離。QoS保障方面，采用IP網(wǎng)絡的QoS機制，邊緣節(jié)點基于DSCP進行QoS調(diào)度，中間節(jié)點基于MPLS EXP進行QoS調(diào)度。網(wǎng)絡中的設備節(jié)點需要支持流量整形監(jiān)控、流分類、優(yōu)先級映射、隊列調(diào)度等QoS機制。硬切片主要指IP網(wǎng)絡的Flex E（Flexible Ethernet，靈活以太網(wǎng)）技術和光網(wǎng)絡的ODUk（Optical Channel Data Unit，光通路數(shù)據(jù)單元）技術。硬切片技術主要通過資源的獨占來保障切片的服務質(zhì)量和業(yè)務隔離，F(xiàn)lexE技術可以將以太網(wǎng)端口分為多個獨立子信道，每個子信道具有獨立的時隙和MAC，提供以太網(wǎng)層面的物理隔離。Flex E技術需要設備升級才能支持，目前設備支持度較低。基于ODUk粒度的光層切片技術提供物理級硬管道隔離?？傊?，承載網(wǎng)為包括移動網(wǎng)在內(nèi)的各種網(wǎng)絡和應用提供服務，具備多種軟硬切片能力，實際采用哪種技術方案將根據(jù)客戶定制需求和商業(yè)模式確定。

1.4? 終端網(wǎng)絡切片技術

當用簽約多個網(wǎng)絡切片服務時，終端需要支持多切片，確保不同業(yè)務使用不同切片。終端注冊到網(wǎng)絡和發(fā)起PDU會話的時候，可以基于預配置攜帶網(wǎng)絡切片標識，網(wǎng)絡根據(jù)用戶請求的切片標識和用戶簽約的網(wǎng)絡切片來決策終端本次使用的網(wǎng)絡切片。規(guī)范規(guī)定，終端最多可以支持八個網(wǎng)絡切片并發(fā)，終端上的應用與網(wǎng)絡切片的對應關系取決于URSP策略（UE Route Selection Policy，UE路由選擇策略）。URSP是一組針對UE的路由選擇策略集合[3]，其中包括NSSP（Network Slice Selection Policy，網(wǎng)絡切片選擇策略），UE依據(jù)NSSP將終端上的應用與S-NSSAI進行匹配;DNN選擇策略，UE依據(jù)這個策略將應用與DNN進行匹配;PDU會話類型策略，UE據(jù)此將應用與PDU會話類型（“IPv4”或“IPv6”或“IPv4v6”）進行匹配;無縫卸載策略，UE依據(jù)這個策略將應用與非3GPP接入類型（例如不接入5GC的Wi-Fi）進行匹配等多種路由選擇策略。當終端注冊到網(wǎng)絡時，URSP由PCF經(jīng)由AMF發(fā)送給UE，后續(xù)UE根據(jù)URSP提供的策略決定某個應用使用的S-NSSAI、DNN、接入類型、會話和業(yè)務連續(xù)性模式等。當終端預配置的網(wǎng)絡切片和URSP提供的策略有沖突時，遵從網(wǎng)絡下發(fā)的URSP策略。當UE依據(jù)URSP決定終端上應用使用哪個切片時，將攜帶網(wǎng)絡切片標識接入5G網(wǎng)絡，基站為UE選擇網(wǎng)絡切片。

2? ?網(wǎng)絡切片管理域技術方案

上文主要介紹了網(wǎng)絡切片在網(wǎng)絡中域技術實現(xiàn)，是基于網(wǎng)絡切片已經(jīng)創(chuàng)建、用戶已經(jīng)簽約的前提下，網(wǎng)絡切片對業(yè)務的保障機制。下文主要介紹網(wǎng)絡切片的管理體系的構成以及各部分的職責，其中包含網(wǎng)絡切片創(chuàng)建基本流程。

結(jié)合3GPP和ETSI的規(guī)范，網(wǎng)絡切片的邏輯管理架構如圖2所示[4]，其中CSMF（Communication Service Management Function，通信服務管理功能）、NSMF（Network Slice Management Function，網(wǎng)絡切片管理功能）以及NSSMF（Network Slice Subnet Management，F(xiàn)unction網(wǎng)絡切片子網(wǎng)管理功能）由3GPP組織定義，NFVO（NFV Orchestrator，NFV編排器）和VNFM（VNF Manager，VNF管理器）和VIM（Virtualised Infrastructure Manager，虛擬化設施管理器）等是ETSI組織定義的。這些系統(tǒng)共同完成網(wǎng)絡切片的全生命周期管理，下文分別介紹各個模塊的主要功能。

2.1? CSMF功能

從3GPP標準定義看，CSMF有兩部分功能[5]，一個是面向客戶的功能，一個是面向網(wǎng)絡資源的功能。面向客戶的功能主要包括SLA（Service Level Agreement，服務等級協(xié)議）。

參數(shù)輸入和翻譯、業(yè)務分類、計費以及能力開放等功能。SLA輸入和翻譯功能即面向客戶提供SLA的定制功能，將SLA翻譯為網(wǎng)絡設計和網(wǎng)絡配置相關的參數(shù)，以便NSMF執(zhí)行;業(yè)務分類功能主要是面向客戶需求，提供若干網(wǎng)絡切片模板，這些模板依據(jù)3GPP定義serviceProfile進行描述[6];計費方面主要是面向客戶的計費功能，網(wǎng)絡切片是一種新的產(chǎn)品形態(tài)，其計費模式也在探索中，根據(jù)業(yè)務合作模式的不同，可以有多種方式，例如依據(jù)資源占用情況收費、依據(jù)使用流量收費、依據(jù)合作分成的模式計費等;能力開放功能是面向客戶開放網(wǎng)絡切片的監(jiān)控能力，包括向客戶提供切片資源使用情況、關鍵SLA的動態(tài)統(tǒng)計、在線用戶數(shù)量統(tǒng)計等功能，便于客戶直觀了解網(wǎng)絡切片運行狀態(tài)。面向資源管理的功能主要包括CSI（Communication Service Instance，通信服務實例）資源清單，包括CSI和NSI（Network Slice Instance，網(wǎng)絡切片實例）對應關系，CSI的生成、修改、刪除等生命周期管理功能;CSI的故障管理以及CSI的性能保障等與NSMF層和NSSMF層的故障管理和性能管理等功能一起用于網(wǎng)絡切片運營管理。

2.2? NSMF功能

NSMF最主要功能是依據(jù)CSMF的要求進行網(wǎng)絡切片的設計、SLA按域分解、網(wǎng)絡切片模板管理等。網(wǎng)絡切片的設計是NSMF的核心功能，NSMF根據(jù)CSMF提供的用戶SLA需求和NSSMF提供的模板進行網(wǎng)絡切片實例的設計，包括網(wǎng)絡拓撲設計、網(wǎng)絡路由設計以及網(wǎng)絡容量的設計等。由于網(wǎng)絡切片的設計與具體采用的網(wǎng)絡設備相關，不同廠商的設備能力不同。目前，網(wǎng)絡切片的設計功能還不能實現(xiàn)完全的自動化，還需要人工參與并借助一些工具完成。SLA按域分解是指將客戶提出的端到端的需求進行按域分解，發(fā)送給無線NSSMF、核心網(wǎng)NSSMF以及承載網(wǎng)NSSMF。類似UE上下行速率這樣的指標，需要各個子域都要進行保障，因此可以直接轉(zhuǎn)給各個子域執(zhí)行。類似端到端的時延這樣的指標則需要進行在各個子域的指標分解，分解的策略可以基于經(jīng)驗值進行預配置，也可以基于傳輸距離、節(jié)點處理時延等進行動態(tài)計算得出。網(wǎng)絡切片模板管理功能主要是創(chuàng)建、修改網(wǎng)絡切片模板。此外，NSMF還負責網(wǎng)絡切片實例的生命周期管理、網(wǎng)絡切片實例的故障管理和性能管理。

2.3? NSSMF功能

按照NSMF分解下來的SLA要求，NSSMF主要負責網(wǎng)絡切片子網(wǎng)的管理，按照管理領域不同，NSSMF分為無線網(wǎng)絡NSSMF、承載網(wǎng)NSSMF和核心網(wǎng)NSSMF。目前無線網(wǎng)絡切片標準不完善，無線NSSMF主要是對基站支持的切片相關參數(shù)（主要是S-NSSAI列表以及相應的優(yōu)先級）和出口路由進行配置。當前，由于無線NSSMF功能相對簡單，廠商多采用設備網(wǎng)管和無線NSSMF合設方案實現(xiàn)。承載網(wǎng)NSSMF主要對網(wǎng)絡切片在承載網(wǎng)中保障進行配置和管理，根據(jù)業(yè)務需求和設備支持的情況，承載網(wǎng)NSSMF可以為網(wǎng)絡切片指定單獨的VPN、信道化子接口或Flex E時隙等。核心網(wǎng)NSSMF的重點功能包括網(wǎng)絡切片子網(wǎng)的設計、網(wǎng)絡切片子網(wǎng)生命周期管理、切片參數(shù)配置等。核心網(wǎng)NSSMF與NFVO交互獲得NSD（Network Service Descriptor，網(wǎng)絡服務描述符），并依據(jù)網(wǎng)絡切片子網(wǎng)模板和NSD設計網(wǎng)絡切片子網(wǎng)實例，然后通過NFVO、VNFM進行網(wǎng)元的生成和生命周期管理。核心網(wǎng)切片參數(shù)的配置則通過核心網(wǎng)NSSMF和設備網(wǎng)管或直接通過NSSMF實現(xiàn)網(wǎng)絡切片參數(shù)的配置，配置參數(shù)包括PLMNidList、S-NSSAIList、網(wǎng)元ID等。其他的功能例如性能管理和故障管理功能與NSMF類似，但主要針對網(wǎng)絡切片子網(wǎng)實例。

通過CSMF、NSMF和各域NSSMF以及管理編排系統(tǒng)的配合實現(xiàn)網(wǎng)絡切片的靈活編排，和網(wǎng)絡切片的生成、激活、變更以及終結(jié)等全生命周期管理。

3? ?網(wǎng)絡切片技術標準展望

核心網(wǎng)方面，針對網(wǎng)絡切片的SLA的落實，3GPP正在開展相關研究，例如對網(wǎng)絡切片內(nèi)注冊用戶數(shù)、同時在線用戶數(shù)、并發(fā)會話數(shù)用戶、用戶總流量等進行控制，避免超出SLA要求，降低切片內(nèi)用戶的體驗。目前主要的思路是通過增強現(xiàn)有網(wǎng)元的功能實現(xiàn)控制SLA閾值的功能，討論較多的是通過增強PCF、NSSF、NWDAF（Network Data Analytics Function，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分析功能）支持數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和通知的功能來實現(xiàn)控制。以基于NWDAF實現(xiàn)注冊用戶數(shù)為例，運營商通過運營支撐系統(tǒng)在NWDAF上配置注冊用戶數(shù)閾值，當用戶發(fā)起注冊接入到AMF后，每成功注冊一個用戶，AMF向NWDAF上報信息，NWDAF從多個AMF收集統(tǒng)計注冊用戶數(shù)，如果到達閾值，則通知所有AMF，停止接入新的用戶。此后如果新用戶上線，AMF將拒絕用戶接入，除非有用戶下線才能允許接入新用戶。這是對接入用戶數(shù)進行控制的基本思路，實際應用中還應考慮多個NWDAF和多AMF的協(xié)同問題。對于并發(fā)會話數(shù)、用戶流量的控制可以采用類似的機制，不同的是這些信息由SMF提供（SMF是會話管理的主要網(wǎng)元），到達閾值后相應的控制功能也由SMF執(zhí)行。

目前無線網(wǎng)絡切片方面是網(wǎng)絡切片的瓶頸，3GPP正準備進行無線網(wǎng)絡切片的增強研究，包括網(wǎng)絡切片的快速接入、網(wǎng)絡切片的業(yè)務連續(xù)性、無線資源調(diào)度方案以及與核心網(wǎng)配合實現(xiàn)端到端的SLA的保障等，相關研究問題正在3GPP立項研究，其成果將在R17標準體現(xiàn)。在管理域，3GPP正在針對GSMA提出的網(wǎng)絡切片模板（主要為關鍵SLA）進行規(guī)范的映射和完善。GSMA從客戶體驗需求的角度定義了網(wǎng)絡切片需要具備的功能和網(wǎng)絡性能指標，而3GPP側(cè)重實現(xiàn)層面的各種網(wǎng)絡指標。當前，兩個組織定義網(wǎng)絡切片支持的UE數(shù)、UE上下行速率、共享級別等多個參數(shù)都得到了映射，還有一些技術參數(shù)在研討中。此外，管理域后續(xù)的重點方向是結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能技術實現(xiàn)網(wǎng)絡切片的自動化管理，提供智能化的編排管理能力，提升網(wǎng)絡切片的運營技術手段。

4? ?結(jié)束語

在業(yè)界高度關注和期望下，網(wǎng)絡切片將進入落地部署階段，端到端的網(wǎng)絡切片已經(jīng)具備商用條件。隨著技術和產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，無線網(wǎng)絡對網(wǎng)絡切片的保障以及終端支持多切片方面將進一步完善標準化方案。在網(wǎng)絡切片管理方面，當前已經(jīng)具備基本的切片管理手段，管理的自動化、智能化是后續(xù)研究和實踐的重點?？傊W(wǎng)絡切片還將在實際運營中不斷優(yōu)化、不斷創(chuàng)新，為滿足各行各業(yè)的個性化需求提供技術手段。

參考文獻：

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