5G核心網(wǎng)切片運(yùn)維管理關(guān)鍵技術(shù)研究

楊 旭，沈昱佳，唐文強(qiáng)

（中國移動通信集團(tuán)云南有限公司，云南 昆明 650228）

1 網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計

根據(jù)第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）標(biāo)準(zhǔn)，核心網(wǎng)應(yīng)具備子網(wǎng)切片故障管理、性能管理以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等功能。設(shè)計網(wǎng)絡(luò)切片時，應(yīng)注意以下問題。首先，應(yīng)具備從虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（Virtual Network Feature，VNF）采集網(wǎng)元告警、配置以及性能等信息的能力；其次，應(yīng)具備支持故障自愈閉環(huán)保障的能力；最后，具備從網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)子網(wǎng)切片運(yùn)維管理的效果[1]。

網(wǎng)絡(luò)切片包中VNF彼此協(xié)同工作構(gòu)成完整邏輯網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計階段通過靈活結(jié)合VNF及邏輯連接適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)切片要求。各區(qū)塊應(yīng)涵蓋簽約用戶接入網(wǎng)室內(nèi)基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）、射頻拉遠(yuǎn)頭（Remote Radio Head，RRH），以此確保整體網(wǎng)絡(luò)的邏輯完整性。

以虛擬機(jī)器為調(diào)度單元，實現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)切片互不干涉。具體運(yùn)營中，網(wǎng)絡(luò)切片在邏輯上是孤立的，具有各自的生命周期。針對不同網(wǎng)段進(jìn)行用戶界面和接入BBU設(shè)計，在不同虛擬機(jī)中運(yùn)行自行分配的虛擬資源，將不同切片實例數(shù)據(jù)平面和基站完全隔離[2-4]。5G網(wǎng)絡(luò)切片的核心是針對不同網(wǎng)絡(luò)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(xù)運(yùn)維管理提供良好基礎(chǔ)。同時，核心網(wǎng)絡(luò)用戶面中應(yīng)靈活配置VNF，通過對網(wǎng)絡(luò)切片計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源動態(tài)調(diào)整，提高虛擬機(jī)性能。

2 5G核心網(wǎng)切片運(yùn)維管理

5G核心網(wǎng)切片運(yùn)維管理由NFVO實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署和資源合理分配，支持服務(wù)級別協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）監(jiān)控，進(jìn)而實現(xiàn)對閉環(huán)故障的處理與維護(hù)[5]。

2.1 5G核心網(wǎng)切片運(yùn)維管理結(jié)構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)切片本質(zhì)是利用虛擬邏輯網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于垂直行業(yè)，從而達(dá)到商業(yè)創(chuàng)新和工業(yè)升級的目的。端到端切片是在5G端到端的基礎(chǔ)上通過靈活配置基礎(chǔ)物理網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)需要整合網(wǎng)絡(luò)各種功能，建立多個具有多元功能特征的邏輯網(wǎng)。5G核心網(wǎng)切片整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G核心網(wǎng)切片整體架構(gòu)

通過端到端切片管理系統(tǒng)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(chǔ)設(shè)施層、網(wǎng)絡(luò)切片層以及網(wǎng)絡(luò)管理層。

2.1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

5G網(wǎng)絡(luò)切片模式下，基礎(chǔ)設(shè)施層主要負(fù)責(zé)射頻硬件和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）云網(wǎng)控制。此基礎(chǔ)上，采用SDN技術(shù)實現(xiàn)虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能、物理網(wǎng)絡(luò)功能（Physical Network Function，PNF）、虛擬網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（Virtual Local Area Network，VLNA）等實時重構(gòu)和虛擬化業(yè)務(wù)。同時，為了減少網(wǎng)絡(luò)切片回程鏈路堵塞，基礎(chǔ)設(shè)施層接入系統(tǒng)采用集中化處理結(jié)構(gòu)，并且BBU對網(wǎng)絡(luò)基帶信號進(jìn)行統(tǒng)一處理[6]。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)切片層

網(wǎng)絡(luò)切片層運(yùn)行在基礎(chǔ)設(shè)施層上，通過基于VMware Workstation虛擬機(jī)或Docker容器的半虛擬化技術(shù)，將基礎(chǔ)設(shè)施層的物理資源虛擬化為網(wǎng)絡(luò)切片層可用的計算、存儲網(wǎng)絡(luò)虛擬資源。虛擬資源庫進(jìn)而根據(jù)不同切片類型和服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）要求，通過在虛擬機(jī)上運(yùn)行與之匹配的VNF，可以實現(xiàn)IP多媒體子系統(tǒng)（IP Multimedia Subsystem，IMS）等功能，最終使每個網(wǎng)絡(luò)切片都能組成一個邏輯完整的端到端網(wǎng)絡(luò)，涵蓋核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)以及接入網(wǎng)。

增強(qiáng)移動寬帶( enhanced Mobile Broadband，eMBB)切片具有帶寬高、數(shù)據(jù)量大、網(wǎng)絡(luò)密度大以及網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高等特性，系統(tǒng)需保證該切片下用戶的高吞吐量與數(shù)據(jù)傳輸速率。海量機(jī)器類通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）切片要求網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大且網(wǎng)絡(luò)密度高，重點支持物聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)。低時延高可靠通信（ultra Reliable Low Latency Communications，uRLLC）切片需要毫秒級的網(wǎng)絡(luò)時延，確保用戶移動性較強(qiáng)[7]。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)切片管理層

網(wǎng)絡(luò)切片管理可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求創(chuàng)建、激活、刪除以及修改網(wǎng)絡(luò)切片，能夠承載網(wǎng)絡(luò)切片虛擬資源彈性擴(kuò)展，解決通信系統(tǒng)中的潮汐效應(yīng)，底層基礎(chǔ)架構(gòu)發(fā)生故障時可以及時進(jìn)行容災(zāi)備份。網(wǎng)絡(luò)切片編排器負(fù)責(zé)優(yōu)化虛擬資源的分配，提升資源的利用率。其中，運(yùn)營支撐系統(tǒng)（Operation support system，OSS）與業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)（Business Support System，BSS）主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)切片操作與維護(hù)。BSS服務(wù)于運(yùn)營商業(yè)務(wù)，可以提供第三方服務(wù)，而OSS則負(fù)責(zé)BSS技術(shù)支持與管理。BSS系統(tǒng)不但能為運(yùn)營商提供自身業(yè)務(wù)支持，而且能幫助用戶制定符合需求的網(wǎng)絡(luò)切片實例。網(wǎng)絡(luò)切片運(yùn)維中支持快速創(chuàng)建、修改和刪除切片，能夠定義和更新網(wǎng)絡(luò)切片，識別用戶服務(wù)需求，并將其關(guān)聯(lián)到對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片或刪除已經(jīng)簽約的網(wǎng)絡(luò)切片[8-10]。

2.2 切片部署

核心網(wǎng)主要通過微服務(wù)技術(shù)完成可伸縮切片組網(wǎng)，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(jù)SLA、成本、安全隔離以及網(wǎng)絡(luò)要求實現(xiàn)靈活組網(wǎng)，如圖2所示。

圖2 核心網(wǎng)切片參考組網(wǎng)

協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PPU） session 1#指遠(yuǎn)程醫(yī)療、電力監(jiān)控等領(lǐng)域中既不能共享控制面，又不能共享用戶面網(wǎng)元，具有較高安全性和較低成本敏感性。PDU session 2#是局部網(wǎng)絡(luò)單元共用，使用者與其他控制面上網(wǎng)絡(luò)單元并不共用，隔離要求較低，節(jié)省費(fèi)用，并且終端需要同時訪問多個區(qū)塊，適用于輔助駕駛、車載娛樂等領(lǐng)域。PDU session 3#采用控制面網(wǎng)絡(luò)單元共享，不能共享用戶面網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)切片典型組網(wǎng)方式中，采用網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能（Network Slice Selection Function，NSSF）和網(wǎng)元數(shù)據(jù)存儲函數(shù)(NF Repository function，NFRF)，業(yè)務(wù)管理功能（Service Management Function，SMF）、用戶端口功能（User Port Function，UPF）等網(wǎng)元能夠根據(jù)切片時延、帶寬、安全等不同性能要求，對切片進(jìn)行獨(dú)立部署。5G核心網(wǎng)采用微服務(wù)技術(shù)，可以快速地建立網(wǎng)絡(luò)切片。各項業(yè)務(wù)都能獨(dú)立進(jìn)行登記、查找和更新，方便滿足不同行業(yè)個性化要求。

2.3 切片保障

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)總體布局和部署趨勢，合理設(shè)置基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)切片，優(yōu)化設(shè)計試驗服務(wù)，提供驗證功能。目前，網(wǎng)絡(luò)切片部署計劃中存在著終端到終端之間不協(xié)同、標(biāo)準(zhǔn)不完善等問題，通過不斷探索提出一種合理規(guī)劃方案，使切片粒徑和彈性保持良好平衡，從而降低切片數(shù)目。雖然大規(guī)模生產(chǎn)可以改善差別化服務(wù)，優(yōu)化業(yè)務(wù)靈活性，但是增加了總體結(jié)構(gòu)的復(fù)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(shù)目、減輕網(wǎng)絡(luò)壓力，利用統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行科學(xué)管理，通過豐富網(wǎng)絡(luò)資源滿足企業(yè)多樣化業(yè)務(wù)發(fā)展需求。

3 結(jié) 論

以5G核心網(wǎng)切片運(yùn)維管理關(guān)鍵技術(shù)為研究方向，為促進(jìn)我國5G核心網(wǎng)切片運(yùn)維管理提供理論指導(dǎo)與幫助。在具體實踐中，要注重合理應(yīng)用5G核心網(wǎng)切片運(yùn)維管理關(guān)鍵技術(shù)，對切片設(shè)計、切片部署以及切片自動化運(yùn)維進(jìn)行合理設(shè)計。同時，為適應(yīng)不同的客戶需求，必須不斷優(yōu)化核心網(wǎng)切片運(yùn)維管理方案，促使核心網(wǎng)切片運(yùn)維管理實現(xiàn)智慧化、自動化發(fā)展。