5G網(wǎng)絡(luò)切片管理架構(gòu)設(shè)計探討

【摘 要】5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能夠虛擬出多個不同特性的邏輯子網(wǎng)絡(luò)，以滿足5G不同場景應(yīng)用的差異化需求，網(wǎng)絡(luò)切片已成為5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)特征之一。而5G網(wǎng)絡(luò)切片管理能力是實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)切片的基礎(chǔ)和保障。從5G切片關(guān)鍵技術(shù)入手，分析了5G網(wǎng)絡(luò)切片管理需求，研究設(shè)計了5G網(wǎng)絡(luò)切片管理的總體架構(gòu)、信息模型、部署流程及功能框架，為5G網(wǎng)絡(luò)切片管理系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

網(wǎng)絡(luò)切片；NFV管理與編排；NFV編排器；SDN編排器

1 引言

5G的愿景與需求是為了應(yīng)對未來爆炸性的移動數(shù)據(jù)流量增長、海量的設(shè)備連接、不斷涌現(xiàn)的各類新業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景，同時與行業(yè)深度融合，滿足垂直行業(yè)終端互聯(lián)的多樣化需求，實現(xiàn)真正的萬物互聯(lián)，構(gòu)建社會經(jīng)濟(jì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基石。

ITU為5G定義了eMBB（enhanced Mobile Broadband，增強(qiáng)移動寬帶）、mMTC（massive Machine Type Communications，海量大連接）、uRLLC（ultra-Reliable and Low Latency Communications，超高可靠低時延）三大應(yīng)用場景。eMBB場景主要是傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的增強(qiáng)，典型應(yīng)用包括高清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實等，這類場景對帶寬要求高，交互類操作應(yīng)用還對時延敏感。mMTC典型應(yīng)用包括智慧城市、智能家居等。這類應(yīng)用對連接密度要求較高，同時呈現(xiàn)行業(yè)多樣性和差異化智慧城市中的抄表應(yīng)用要求終端低成本、低功耗，網(wǎng)絡(luò)支持海量連接的小數(shù)據(jù)包；視頻監(jiān)控不僅部署密度高，還要求終端和網(wǎng)絡(luò)支持高速率；智能家居業(yè)務(wù)對時延要求相對不敏感，但終端可能需要適應(yīng)不同家居電器工作環(huán)境的變化。uRLLC典型應(yīng)用包括工業(yè)控制、無人機(jī)控制、智能駕駛等，這類場景聚焦對時延極其敏感的業(yè)務(wù)，高可靠性也是其基本要求。mMTC和uRLLC兩個場景利用5G網(wǎng)絡(luò)海量連接、高可靠和低時延的特性，與交通、醫(yī)療、電力等諸多行業(yè)深度融合，催生出各種各樣改變?nèi)藗兩鐣罘绞降膽?yīng)用。

傳統(tǒng)的4G核心網(wǎng)EPC（Evolved Packet Core，演進(jìn)分組核心網(wǎng)）是集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，只能服務(wù)于單一的移動終端，無法適用于多樣化的物與物之間的連接。因此，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)“應(yīng)運而生”，它能夠讓運營商在共享的硬件基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境下切分出多個虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)切片從終端設(shè)備、接入網(wǎng)、傳送網(wǎng)到核心網(wǎng)在邏輯上隔離，能適配各種應(yīng)用場景的不同特征需求。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能夠虛擬出多個不同特性的5G邏輯子網(wǎng)絡(luò)，以滿足5G不同場景諸如工業(yè)控制、自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療等各行業(yè)應(yīng)用的差異化需求。

網(wǎng)絡(luò)切片是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，旨在一張網(wǎng)絡(luò)上提供定制化、相互隔離、質(zhì)量可保證的端到端“專用網(wǎng)絡(luò)”。而5G網(wǎng)絡(luò)切片管理能力是實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)切片的基礎(chǔ)條件，因此，需要分析5G網(wǎng)絡(luò)切片管理需求，研究設(shè)計5G網(wǎng)絡(luò)切片管理的架構(gòu)，為5G網(wǎng)絡(luò)切片管理系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

2 5G網(wǎng)絡(luò)切片關(guān)鍵技術(shù)

SDN/NFV技術(shù)是實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)切片的技術(shù)基礎(chǔ)。實現(xiàn)靈活定制、安全隔離、質(zhì)量可控的網(wǎng)絡(luò)切片還需要以下技術(shù)進(jìn)行支持：

（1）核心網(wǎng)子切片關(guān)鍵技術(shù)

5G核心網(wǎng)子切片關(guān)鍵技術(shù)包括靈活的切片組網(wǎng)、基于微服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片構(gòu)建、切片的智能選擇、切片的能力開放等關(guān)鍵技術(shù)。

1）切片靈活組網(wǎng)

根據(jù)SLA、成本、安全隔離等需求，核心網(wǎng)切片可以支持多種方式的靈活組網(wǎng)。

2）基于微服務(wù)的切片構(gòu)建

服務(wù)化架構(gòu)為5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)功能基于模塊化拆解，解耦的網(wǎng)絡(luò)功能可獨立擴(kuò)容、獨立演進(jìn)、按需部署。3GPP將5G核心網(wǎng)定義成標(biāo)準(zhǔn)的NF服務(wù)和公共服務(wù)，可通過可視化編排工具，靈活編排組裝NF，形成所需的網(wǎng)絡(luò)切片。

3）切片智能選擇

5G核心網(wǎng)切片主要采用NSSF（Network Slice Selection Function）實現(xiàn)切片的選擇。NSSF支持基于NSSAI（Network Slice Selection Assistance Information）、位置信息、切片容量等各種策略，智能化選擇切片。基于位置信息可以實現(xiàn)全國、省市等大切片的部署，也可以實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)、體育場館、智慧小區(qū)等微小切片的部署。

4）切片的能力開放

通過服務(wù)化架構(gòu)，5G核心網(wǎng)能力開放功能NEF（Network Exposure Function）可直接或者通過能力開放平臺向外部應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，滿足外部對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的要求。

（2）無線網(wǎng)子切片關(guān)鍵技術(shù)

1）統(tǒng)一空口，支持切片

無線網(wǎng)基于統(tǒng)一的空口框架，采用靈活的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對不同的切片需求，首先無線網(wǎng)為每個切片進(jìn)行專用無線資源RB的分配和映射，形成切片間資源隔離，再進(jìn)行幀格式、調(diào)度優(yōu)先級等參數(shù)的配置，從而保證切片空口側(cè)的性能需求。

2）靈活切分和部署

根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景以及資源情況，可以對無線網(wǎng)進(jìn)行CU/DU功能的靈活切分和部署。eMBB場景對帶寬要求比較高，對應(yīng)時延要求差異較大，CU集中部署的位置需要根據(jù)業(yè)務(wù)時延要求來確定；mMTC場景對時延和帶寬都無要求，可以盡量進(jìn)行集中部署；uRLLC場景對時延要求極其苛刻，一般都采用共部署的方式，以降低傳輸時延。

（3）傳送網(wǎng)子切片關(guān)鍵技術(shù)

1）基于SDN的傳送網(wǎng)子切片

SDN實現(xiàn)了控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面的解耦，使得物理網(wǎng)絡(luò)具有了開放、可編程的特性。控制面完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜唾Y源統(tǒng)一管理、網(wǎng)絡(luò)抽象、路徑計算、策略管理等功能。基于層次化的SDN控制器，實現(xiàn)物理網(wǎng)絡(luò)和切片網(wǎng)絡(luò)的端到端統(tǒng)一控制和管理。

2）支持多種切片隔離技術(shù)

FlexE技術(shù)通過將一個或多個捆綁后的物理端口劃分為多個邏輯端口實現(xiàn)切片，可實現(xiàn)帶寬的靈活調(diào)整及邏輯端口之間的隔離。此外，還可以通過傳統(tǒng)的VLAN、VPN等虛擬化技術(shù)，結(jié)合QoS、隧道技術(shù)等，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)軟切片。

3 5G網(wǎng)絡(luò)切片管理需求分析

5G網(wǎng)絡(luò)切片管理需要承接CSMF（Communication Service Management Function，通信服務(wù)管理功能）的需求，串聯(lián)起NSMF（Network Slice Management Function，網(wǎng)絡(luò)切片管理功能）、NSSMF（Network Slice Subnet Management Function，網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理功能）、虛擬化核心網(wǎng)、靈活調(diào)度的傳送網(wǎng)、無線接入網(wǎng)以及相應(yīng)的網(wǎng)管系統(tǒng)，為不同切片需求方（如垂直行業(yè)客戶、虛擬運營商和企業(yè)用戶等）提供安全隔離、靈活可控的專用邏輯網(wǎng)絡(luò)。因此，5G網(wǎng)絡(luò)切片管理需要支持以下能力：

（1）可視化切片編排設(shè)計

可視化切片編排設(shè)計是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的重要基礎(chǔ)。通過豐富的切片模板和服務(wù)組件，可以直接使用已有的切片模板進(jìn)行參數(shù)調(diào)整生成新的切片；也可以通過增加、刪除服務(wù)組件，生成新的切片模板，實現(xiàn)快速自定義的網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計?？梢酝ㄟ^切片模擬測試環(huán)境，對切片模板進(jìn)行預(yù)部署，并提供豐富的切片自動化測試工具，形成從編排設(shè)計到正式部署上線的完整設(shè)計與測試能力驗證。

（2）自動化切片部署

通過CSMF、NSMF、NSSMF和MANO（Manage-ment and Orchestrator，管理和編排）實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)端到端切片的訂購、編排、部署的自動化。其中租戶或企業(yè)通過CSMF訂購網(wǎng)絡(luò)切片，并提交相關(guān)的需求，比如在線用戶數(shù)、網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延等要求。NSMF負(fù)責(zé)將CSMF的需求轉(zhuǎn)化成切片需要的SLA，并分解到各個子切片的需求。NSSMF負(fù)責(zé)子網(wǎng)的編排和部署，其中虛擬化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)NS模板，通過MANO進(jìn)行部署。

（3）智慧化切片運營

從切片數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控分析，到網(wǎng)絡(luò)切片調(diào)整實現(xiàn)閉環(huán)自動化，滿足切片網(wǎng)絡(luò)彈性調(diào)整、故障自愈，提高網(wǎng)絡(luò)運維效率。能夠提供業(yè)務(wù)->網(wǎng)絡(luò)切片->網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)切片->網(wǎng)元功能->資源的逐層關(guān)聯(lián)監(jiān)控，支持各層之間的協(xié)同，保障切片端到端的服務(wù)質(zhì)量，并能提供切片拓?fù)?、切片健康狀況及SLA指標(biāo)，滿足運營商和客戶的需求。

4 5G網(wǎng)絡(luò)切片管理架構(gòu)設(shè)計

4.1 5G網(wǎng)絡(luò)切片管理總體架構(gòu)

為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)切片管理需求，5G網(wǎng)絡(luò)切片管理總體架構(gòu)需要實現(xiàn)端到端的切片管理能力，包括核心網(wǎng)子切片管理功能、傳送網(wǎng)子切片管理功能、無線網(wǎng)子切片管理功能，如圖1所示：

通信服務(wù)管理功能CSMF承接前端客戶的網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)需求，并將業(yè)務(wù)需求轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)需求；網(wǎng)絡(luò)切片管理功能NSMF負(fù)責(zé)管理和編排網(wǎng)絡(luò)切片實例NSI，協(xié)同各個子切片的編排與協(xié)同；網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理功能NSSMF負(fù)責(zé)管理和編排切片子網(wǎng)實例NSSI。其中，核心網(wǎng)切片子網(wǎng)由MANO（包括NFVO、VNFM、VIM）及EMS共同完成核心網(wǎng)元的切片、部署與配置；傳送網(wǎng)切片子網(wǎng)由SDN-O、傳送網(wǎng)網(wǎng)管完成編排、部署與網(wǎng)絡(luò)配置；無線網(wǎng)切片子網(wǎng)由無線EMS和MANO（在CU/DU分離并支持虛擬化部署的情況下）實現(xiàn)配置與部署。

4.2 5G網(wǎng)絡(luò)切片信息模型

3GPP定義的切片信息模型如圖2所示。

圖2中左邊為5G網(wǎng)絡(luò)切片的管理模型，包括CSMF、NSMF、NSSMF、NFVO、VNFM、EM等管理功能；右邊為5G網(wǎng)絡(luò)切片被管對象信息模型，包括3GPP定義的Communication Service、Network Slice、Network Slice Subnet對象，也包括ETSI NFV定義的Network Service、Virtual Network Function、Physical Network Function對象。3GPP域和ETSI NFV域的映射關(guān)系如下：

（1）3GPP域中的管理對象網(wǎng)絡(luò)切片、網(wǎng)絡(luò)子切片，最終關(guān)聯(lián)映射為ETSI NFV域的1～N個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)NS。一個網(wǎng)絡(luò)切片模板NST或者網(wǎng)絡(luò)子切片模板NSST最終可映射為1～N個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模板NSD，一個網(wǎng)絡(luò)切片實例NSI或者網(wǎng)絡(luò)子切片實例NSSI最終部署為1～N個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實例NS。

（2）3GPP域中的管理對象網(wǎng)絡(luò)功能，最終關(guān)聯(lián)映射為ETSI NFV域的VNF或者PNF。

（3）3GPP域的NSSMF與ETSI NFV域的NFVO交互，完成切片模板NST/NSST以及切片實例NSI/NSSI分別與NSD和NS的映射轉(zhuǎn)換。

（4）3GPP域中NF的網(wǎng)絡(luò)管理由EM負(fù)責(zé)，ETSI NFV域中VNF/PNF的網(wǎng)絡(luò)管理也由EM負(fù)責(zé)。

用戶需求從CSMF受理入口，經(jīng)NSMF、NSSMF逐層分解并下發(fā)。NSSMF首先將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的部署需求下發(fā)到NFVO完成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)部署，再將業(yè)務(wù)配置數(shù)據(jù)下發(fā)給EMS進(jìn)行業(yè)務(wù)配置。切片部署開通完成后，NFVO將資源層的管理數(shù)據(jù)上報NSSMF，EMS將NF業(yè)務(wù)層的管理數(shù)據(jù)上報NSSMF，即由NSSMF負(fù)責(zé)子切片的整體運維管理。NSMF負(fù)責(zé)多個切片的端到端運維管理。

NSMF負(fù)責(zé)切片的生命周期管理和運維。切片是一個完整的邏輯網(wǎng)絡(luò)，能提供業(yè)務(wù)需要的特定網(wǎng)絡(luò)特性（面向業(yè)務(wù)描述），而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是一組物理的或者是虛擬的NF集合，包含連接關(guān)系（面向網(wǎng)絡(luò)描述）、切片或者子切片可以映射成一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實例。

4.3 5G網(wǎng)絡(luò)切片部署流程

5G網(wǎng)絡(luò)切片編排包含CN/RAN/TN三個子域的端到端協(xié)同，切片基本部署流程示例如圖3所示。

流程說明如下：

（1）CSMF收到用戶訂購的通訊服務(wù)請求后，將用戶需求轉(zhuǎn)換為對切片的需求，選擇相應(yīng)的切片模型，并向NSMF下發(fā)切片SLA要求。

（2）NSMF將對切片的需求轉(zhuǎn)換為CN/TN/RAN的1～N個子切片需求，下發(fā)給各個CN/TN/RAN NSSMF，指示需要預(yù)創(chuàng)建子切片。

（3）各個NSSMF將子切片需求轉(zhuǎn)換為對NS（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)）的需求，下發(fā)給各自的NFVO/SDN-O。

（4）各個NFVO/SDN-O根據(jù)NS的需求進(jìn)行資源預(yù)估，檢查部署資源是否足夠，并向NSSMF返回檢查結(jié)果。

（5）NSMF向各個NSSMF發(fā)起實例化子切片的請求。

（6）各個NSSMF進(jìn)行實例化部署：TN SDN-O的NS實例化會創(chuàng)建切片間或者切片內(nèi)的傳送網(wǎng)連接。CN NFVO和RAN NFVO的NS實例化過程中，NFVO通過VNFM、VIM交互完成NS內(nèi)所有VNF的實例化。

（7）NSSMF在NS實例化結(jié)束后，觸發(fā)子切片，對應(yīng)配置數(shù)據(jù)下發(fā)給EM。

（8）EM將配置數(shù)據(jù)下發(fā)給管理的VNF，完成VNF配置數(shù)據(jù)的創(chuàng)建。

（9）NSSMF向NSMF返回子切片的創(chuàng)建結(jié)果。

（10）NSMF向CSMF返回切片的創(chuàng)建結(jié)果。

（11）CSMF向用戶返回通信服務(wù)訂購的結(jié)果。

其中，MANO部署相關(guān)的流程接口已經(jīng)有相應(yīng)的行業(yè)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，下一步需要細(xì)化制定CSMF、NSMF、NSSMF之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，推動切片管理功能對接與落地。

4.4 5G網(wǎng)絡(luò)切片管理功能框架

網(wǎng)絡(luò)切片管理功能NSMF是實現(xiàn)5G端到端切片管理的根本保證，圖4是網(wǎng)絡(luò)切片管理功能框架。

主要功能包括：

（1）網(wǎng)絡(luò)切片SLA管理：主要承接CSMF的需求，并將網(wǎng)絡(luò)切片的需求拆分成對各個子切片的SLA要求。

（2）切片能力開放：將網(wǎng)絡(luò)切片實例運維監(jiān)控能力開放給切片租戶，提供客戶自服務(wù)能力。

（3）切片設(shè)計：提供切片模板設(shè)計，并對設(shè)計的切片模板進(jìn)行驗證測試，提高切片部署運營的成效。

（4）切片編排：根據(jù)切片模板編排并生成所需的網(wǎng)絡(luò)切片實例，并對切片的全生命周期進(jìn)行管理，包括切片的部署、彈性擴(kuò)縮容、切片實例終止等。同時，要實現(xiàn)與子切片管理功能的適配與協(xié)同，負(fù)責(zé)將各個子切片的部署需求下發(fā)到子切片管理功能，跟蹤各個子切片的部署過程及異常過程處理。

（5）切片運營：提供網(wǎng)絡(luò)切片告警、性能的監(jiān)控分析以及面向智慧運營的大數(shù)據(jù)分析能力。同時提供切片策略配置功能，滿足網(wǎng)絡(luò)切片自動化彈性調(diào)整、故障自愈等要求。

5 結(jié)束語

3GPP R15定義了切片管理的基本框架，但切片管理的詳細(xì)功能需求、接口標(biāo)準(zhǔn)尚在制定中，總體而言，5G切片管理域的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展要慢于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展。因此，為了推動5G網(wǎng)絡(luò)切片管理支撐系統(tǒng)建設(shè)部署，一方面，可以充分利用運營商已有的SDN/NFV方面的支撐手段和實踐經(jīng)驗，確保核心網(wǎng)子切片、傳送網(wǎng)子切片能夠滿足未來5G切片管理需要；另一方面，需要加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計、編排及管理方面的標(biāo)準(zhǔn)制定及技術(shù)研究，滿足5G網(wǎng)絡(luò)切片端到端服務(wù)提供與切片運維。

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