5G核心網關鍵技術網絡切片分析

萬 能

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

基于網絡基礎，聯系若干邏輯網絡形成網絡切片。通過各個網絡切片獲取網絡信息，由于各個切片彼此絕緣，故切片發生問題時不會干擾其他切片的通信過程。因此，設計切片的不同功能，在HD視頻或終端機上應用不同切片，有效擴大了網絡切片的應用范圍。

1 5G核心網的網絡架構

1.1 兩種5G核心網架構呈現方式

5G核心網采取控制轉發的形式成功分離架構，在移動性與會話管理中選擇獨立方式，除了對用戶方面承載定義，會話還憑借QoS參數達到了設計標準。在不同的用戶面，同步網元產生大量會話，管理網元時考慮若干控制面的特征，分別掌握本地分流與遠端流量。5G的核心網架構借參考點方式和服務化架構方式兩種方式體現。后者采取API方式傳輸開放性信令，傳統的信令包括大量消息，利用API能力對類似封裝數據科學調用，進而訪問網元。服務化架構不再使用隧道模式，參考HTTP協議交換傳輸信令[1-3]。

1.2 兩種5G核心網絡狀態模型

5G網絡架構成功借鑒了IT系統服務化與微服務化的執行經驗，以模塊化方法與網絡功能實行解耦與融合，從而達到獨立擴容和按需設定的目的。控制面以服務化接口交互所有NF，這部分NF對相同服務有效調用，降低了NF接口的耦合度。根據實際要求設定整網功能，促進不同業務場景與需求的可持續發展。5G核心網絡的定義由注冊管理模型與連接管理模型兩種狀態模型實現。

1.2.1 注冊管理模型

5G核心網科學界定了兩種注冊管理狀態，對UE與AMF注冊狀態合理呈現，UE通過不同接入方式管理上下文，AMF保證科學配置UE與RM上下文。在3GPP與非3GPP之間合理判斷共享身份，在全球范圍內具有唯一的特點。任何接入類型均與注冊狀態對應，3GPP與周期注冊計時器有效連接，而非3GPP忽略了這項操作[4,5]。另外，3GPP與非3GPP在UE注冊區域內單獨形成，IDLE狀態下UE采取3GPP觸發非3GPP。

1.2.2 連接管理模型

5G核心網對兩種連接管理狀態科學界定，采取NI連接UE與AMF之間的信令。但在UE與AME空間狀態下無法借助NI對信令連接，UE、N2以及N3彼此分離。AMF在空間態下對UE呼出，根據網絡發送業務請求。連接態在建立AN、AMF以及N2連接后，開啟了網絡連接態。

2 網絡切片概述

5G網絡的核心技術為網絡切片，主要結合業務場景對網絡實現定制，在各種網絡切片之間共享資源。邏輯子網包括端與端間的網絡切片，在若干領域內密切聯系了核心網絡、無線接入網以及傳送網等。5G核心網與終端共同促進了切片的可持續發展，涉及了全部的操作程序，但對切片缺少有效的管理方式。無線網切片需具備一定的技術支撐，制定科學的方案，以獨立形式對網切片設計。5G核心網通過切片管理進行定制，達到自行部署的目標[6]。

5G網絡通過一個物理網絡的不同邏輯網絡切片達到不同服務能力的需求，如大帶寬、低延遲、高可靠以及高速移動等。第三代合作伙伴計劃這樣定義網絡切片，其是為達到5G網絡建設目標的一個關鍵技術。

網絡切片科學劃分物理網絡，得到很多虛擬網絡，任何虛擬網絡均是結構化且按需定制優化的。網絡切片是基于物理網絡形成的虛擬網絡，它為應用者提供了一個環境。一個網絡切片對應獨立的拓撲、虛擬網絡資源及流量，5G網絡的不同用戶利用多個網絡切片達到傳輸的要求。例如，一個IoT工業網絡切片需要一個輕型5G核，不用切換便實現了海量連接，而移動寬帶切片需要大寬帶和移動性支撐。

網絡切片是一個端到端的邏輯網絡，每個網絡切片對應獨立的結構或協議。5G網絡切片包括5G無線接入網絡切片、5G核心網以及終端用戶設備，5G RAN切片基于物理無線資源和物理硬件達到共享操作。SDN和NFV科學配置虛擬網絡資源，RAN切片和核心網切片在不同服務對象間實現共享，通過相同切片得到特定服務，這里涉及切片的選擇性能，通過RAN和核心網切片共同建立一個端到端的切片。

3 基于NFV/SDN的5G網絡切片實現和性能

3.1 基于NFV/SDN的網絡切片實現

NFV與SDN技術為搭建5G平臺提供了必要條件，NFV利用軟硬件達到了分離的目標，圍繞5G網絡組建彈性平臺，網絡功能模塊的組件化特征對控制功能合理設計。此外，NFV對網絡功能與物理實體進行解耦操作，便于在網絡內任意設定網元功能，按分配標準合理運用硬件資源，提高了利用資源的效率[9,10]。NFV技術有利于增強網絡切片的安全性，其隔離特點包括以下6點。一是采取科學方法對數據隔離與存儲。二是對數據方位控制的過程中進行有效保護，進一步得到可靠的數據。三是在同一物理機上隔離不同虛擬機之間的資源，避免竊取虛擬機之間的數據，保證虛擬機的資源使用不受附近虛擬機的干擾。終端用戶使用虛擬機時，智能訪問自己的虛擬機資源，無法對其他虛擬機的資源進行訪問，如此達到了虛擬安全隔離的目的。四是網絡傳輸的安全隔離。五是利用防火墻和傳輸加密等方法保證不同網絡平面之間的互通。六是不同租戶應隔離全部配置信息，包括虛擬機規格和虛擬機網絡等，這部分配置信息可能攜帶私有描述信息和私有文件等，如共享可能泄露信息。

SDN增加了5G網絡靈活性，基于SDN的網絡是5G網絡切片的實現引擎。成功分離網絡設備的控制與轉發功能，集中處置網絡設備控制面。通過控制面的統一路由策略調度，科學調節網絡拓撲和轉發路由，以簡單運維方法處置IP網絡運行過程。分離后的轉發面更簡單，提高了標準化水平，保證了轉發效率。運營商利用開放的API，在業務編排中提供便捷的網絡服務，或借助第三方應用提高網絡的增值水平。

5G系統利用SDN技術得到較大的靈活性和可編程性，靈活的網絡架構可以較好地部署網絡切片，且通過端到端的SDN架構進行實例化。網絡切片根據任何標準實現定義，并利用SDN架構實現業務實例化，NGMN定義的網絡切片是互相隔離的網絡資源，而SDN架構通過支持客戶端協議而有效隔離資源，此外5G網絡的部署和商用過程非常漫長。在4G網絡不斷演化且與5G網絡并存的過程中，SDN技術發揮了至關重要的作用。

3.2 基于NFV/SDN的網絡切片性能

網絡切片技術通過NFV和SDN技術實現。NFV應用虛擬化技術，借助NFVO分配網絡應用的虛擬資源并在虛擬機上實現自動部署，SDN利用控制和轉發操作，在SDN控制器上聚集網絡控制功能，進一步綜合控制轉發業務的路徑，保證每種業務均與QoS保障一一對應。

3.2.1 切片實現差異化

要想在不同場景內獲得最佳的用戶體驗，NGMN提供了業界普遍承認的場景，設置了端到端的系統功能參數。圍繞SLA指標設計不同類型的業務，若借網絡推進有關業務，則增加了網絡投入成本，威脅業務的順利發展，若采取相同的基礎設施承載業務，那么各種業務容易被QoS差異性影響。這部分問題通過5G網絡切片技術化解，網絡切片借終端訂閱模式達到運營商的業務要求，將終端結合切片，聯系SLA指標的時延性和可靠性等，科學組合公共切片與個性切片的業務功能，將差異化服務分別提供給客戶。

3.2.2 切片降低網絡復雜度

在2G/3G/4G系統中，不同網絡功能產生強烈的依賴性，不同類型的通信業務均無法離開固定的網元，這樣就造成網元出現重復，提高了網絡的復雜度。5G時代網絡切片技術利用NFVO集中部署網絡功能，有利于每個網絡切片獲得對應的服務類型。切片間相互獨立，如此提高了TTM部署的便捷性，有利于運營商簡化網絡操作程序。

4 結 論

在信息通信行業，5G網絡切片發揮了至關重要的作用，也是5G網絡的核心特點。核心網的虛擬化與服務化，加之靈活的組網切片等，使網絡切片按對應的簽約特點和位置信息科學配置，運營商借網絡切片服務的經營方式，達到行業用戶提出的業務定制化要求，但在部署中要保持切片的平衡顆粒度與靈活性。