5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)與應(yīng)用

張晶，李芳

（中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

網(wǎng)絡(luò)切片作為5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，一直以來備受業(yè)界廣泛關(guān)注。端到端網(wǎng)絡(luò)切片涉及無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)以及切片管理器多個領(lǐng)域，隨著國際國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，設(shè)備支持網(wǎng)絡(luò)切片的技術(shù)要求逐步明確和統(tǒng)一。IMT-2020（5G）推進(jìn)組在2020年下半年開展了端到端網(wǎng)絡(luò)切片的一階段測試，結(jié)果表明端到端網(wǎng)絡(luò)切片在功能上基本可用，但如何在5G規(guī)模商用階段做到好用，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的自動化部署和運維，并有效保障千行百業(yè)的差異化要求，仍需進(jìn)一步推動相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作，并對相關(guān)問題進(jìn)行研究。本文從5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展、關(guān)鍵技術(shù)及當(dāng)前面臨的主要問題三個方面進(jìn)行研究與分析。

1 5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

1.1 國際標(biāo)準(zhǔn)

端到端網(wǎng)絡(luò)切片涉及無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)和切片管理器四部分。切片管理器又可細(xì)分為端到端切片管理器和無線網(wǎng)子切片管理器、承載網(wǎng)子切片管理器和核心網(wǎng)子切片管理器。當(dāng)前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)組織定義端到端網(wǎng)絡(luò)切片的功能要求、管理架構(gòu)和跨域的管理接口信息模型。其中無線網(wǎng)子切片、核心網(wǎng)子切片的業(yè)務(wù)功能及管理功能在3GPP SA2和SA5定義，而承載網(wǎng)子切片的業(yè)務(wù)功能及管控功能及信息模型在ITU-T和IETF定義。這些標(biāo)準(zhǔn)組織重點關(guān)注的是各自領(lǐng)域內(nèi)的功能定義，不涉及領(lǐng)域間的互通。

目前，各標(biāo)準(zhǔn)組織仍分別針對各領(lǐng)域進(jìn)行深入的技術(shù)研究和探索，3GPP RAN正在研究基于切片的快速選網(wǎng)和用戶移動時切片的業(yè)務(wù)連續(xù)性方案；ITU-T在網(wǎng)絡(luò)切片管控方面，組織對現(xiàn)有SDN管控架構(gòu)、操作架構(gòu)和相關(guān)信息模型標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，以支持虛擬網(wǎng)絡(luò)（VN）的管控和運維[1]；IETF主要討論傳送網(wǎng)絡(luò)切片的定義、北向接口模型及其應(yīng)用[2]；3GPP SA2正在制定網(wǎng)絡(luò)切片控制（比如網(wǎng)絡(luò)切片支持的用戶數(shù)、會話數(shù)等）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

我國5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)商用，為加快網(wǎng)絡(luò)切片為千行百業(yè)提供差異化的服務(wù)，中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）成立了“5G網(wǎng)絡(luò)端到端切片特設(shè)項目組”，總體規(guī)劃5G網(wǎng)絡(luò)端到端切片標(biāo)準(zhǔn)體系框架，梳理現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)情況，組織開展共性標(biāo)準(zhǔn)研究。目前，該項目組已完成端到端網(wǎng)絡(luò)切片的總體技術(shù)要求、基于SPN和IP承載網(wǎng)絡(luò)的端到端切片對接技術(shù)要求三項行標(biāo)報批，打破了標(biāo)準(zhǔn)分層分域獨立制訂的歷史，實現(xiàn)了真正的跨域協(xié)同，為5G SA網(wǎng)絡(luò)提供最小商用集合的標(biāo)準(zhǔn)能力。5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片框架示意圖如圖1所示[3]。后續(xù)該特設(shè)項目組將協(xié)同TC5（無線通信技術(shù)委員會）、TC3（網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)能力技術(shù)委員會）、TC6（傳送網(wǎng)與接入網(wǎng)技術(shù)委員會）和TC7（網(wǎng)絡(luò)管理和運維支撐技術(shù)委員會）繼續(xù)對切片管理器以及子域切片管理器功能和接口規(guī)范進(jìn)行定義。

圖1 5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片框架示意圖

2 5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片關(guān)鍵技術(shù)

2.1 終端

終端作為切片服務(wù)的入口和起點，需具備接入網(wǎng)絡(luò)切片的基本能力。目前，單終端均具備支持單切片的能力。但是為了支持不同移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用或垂直行業(yè)對業(yè)務(wù)質(zhì)量及隔離性的要求，終端應(yīng)支持多個網(wǎng)絡(luò)切片，將不同的業(yè)務(wù)選擇到不同的網(wǎng)絡(luò)切片上去承載。目前，3GPP已引入URSP的概念和機(jī)制，用于輔助終端進(jìn)行切片選擇。UE注冊時，核心網(wǎng)的策略控制功能PCF將URSP策略下發(fā)給UE，UE本地保存URSP策略，UE進(jìn)行PDU會話時，根據(jù)URSP策略將不同業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)流激活到不同的網(wǎng)絡(luò)切片上，從而實現(xiàn)業(yè)務(wù)分流和隔離。3GPP定義的URSP策略支持四種分流方式：基于DNN、基于IP三元組、基于FQDN和基于APP ID，可分別提供會話粒度、IP地址粒度、域名地址粒度、APP應(yīng)用粒度的網(wǎng)絡(luò)資源保障。

2.2 無線網(wǎng)

無線網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的方案主要有：

（1）基于QoS優(yōu)先級機(jī)制

不同切片的用戶設(shè)置不同的QoS優(yōu)先級，資源沖突時，優(yōu)先調(diào)度QoS優(yōu)先級高的切片用戶業(yè)務(wù)[4]。

（2）基于RB預(yù)留機(jī)制

根據(jù)業(yè)務(wù)需求劃分切片組，給切片組提供RB預(yù)留資源，可分為最大預(yù)留RB百分比A和最小預(yù)留RB百分比B。B為切片組專用資源，非切片組的業(yè)務(wù)不可使用；A和B間的RB資源為非專用資源，非切片組的業(yè)務(wù)可以使用，但優(yōu)先給切片組使用。

（3）基于載波隔離機(jī)制

根據(jù)業(yè)務(wù)需求劃分不同的切片組，不同切片組通過不同的載波承載，不同的切片用戶接入不同的載波，達(dá)到隔離的目的。當(dāng)用戶已經(jīng)在一個載波接入切片業(yè)務(wù)時，由于位置移動發(fā)起切換，將會由于另一個載波不支持用戶接入的切片而切換失敗。

（4）基于用戶數(shù)保障機(jī)制

設(shè)置切片組的用戶數(shù)，當(dāng)接入該切片組的用戶數(shù)達(dá)到設(shè)置的用戶數(shù)閾值時，新發(fā)起接入的用戶將接入失敗，提示資源不可用。

2.3 承載網(wǎng)

承載網(wǎng)支持按需為客戶提供L1VPN、L2VPN或L3VPN業(yè)務(wù)。面向5G網(wǎng)絡(luò)切片需求，承載網(wǎng)主要提供基于L3VPN的網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)，并根據(jù)SLA需求提供定制化的資源隔離、按需帶寬配置、確定性時延和抖動和差異化的可靠性服務(wù)。

（1）網(wǎng)絡(luò)資源隔離

運營商可根據(jù)客戶需求和業(yè)務(wù)策略提供合適的承載切片資源的隔離配置。切片分組網(wǎng)絡(luò)（SPN）和IP RAN均可提供基于靈活以太網(wǎng)（FlexE）或城域傳送網(wǎng)絡(luò)（MTN）接口[5]的硬隔離和基于MPLS（-TP）或段路由（SR）隧道、L3VPN和QoS的軟隔離通道。SPN還可提供涵蓋每端設(shè)備內(nèi)部和接口的端到端MTN通道硬隔離特性，適用于有高安全和高隔離要求的行業(yè)客戶。

（2）按需帶寬配置

承載網(wǎng)絡(luò)子切片應(yīng)適應(yīng)客戶業(yè)務(wù)發(fā)展來按需配置和在線調(diào)整帶寬。對基于分組隧道的L3VPN業(yè)務(wù)，普遍支持帶寬的靈活在線調(diào)整功能；對采用TDM時隙配置的MTN通道，應(yīng)支持端到端帶寬的在線無損調(diào)整，從而保證客戶業(yè)務(wù)的高可靠性。

（3）確定性時延和抖動

IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)的時延性能與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、節(jié)點數(shù)量、鏈路長短和流量負(fù)荷狀態(tài)密切相關(guān)。由于5G承載網(wǎng)是為無線網(wǎng)和核心網(wǎng)之間提供物理網(wǎng)絡(luò)連接和業(yè)務(wù)邏輯連接，對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)和金融科技公司等對確定性低時延有明確指標(biāo)要求的行業(yè)，推薦采用硬隔離的網(wǎng)絡(luò)切片來保證帶寬和低時延性能。此外需加強(qiáng)基于分組網(wǎng)絡(luò)的確定性承載技術(shù)方案研究和試點應(yīng)用，在業(yè)務(wù)流量動態(tài)突發(fā)模式下，提供有指標(biāo)上限的時延和抖動性能。

（4）差異化可靠性

不同網(wǎng)絡(luò)切片場景對業(yè)務(wù)可靠性的需求差異較大，從99.9%到99.9999%不等。IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)采用QoS優(yōu)先級調(diào)度和盡力而為的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，很難滿足99.99 9%及以上的高可靠性要求。5G承載網(wǎng)絡(luò)支持小于50 ms的電信級網(wǎng)絡(luò)保護(hù)技術(shù)和抗多點故障的秒級動態(tài)路由恢復(fù)技術(shù)，需要綜合配置多種網(wǎng)絡(luò)保護(hù)、設(shè)備和關(guān)鍵板卡的冗余保護(hù)方案來實現(xiàn)超高可靠性保障。

2.4 核心網(wǎng)

核心網(wǎng)支持分布式云化和服務(wù)化的架構(gòu)，可靈活提供多種切片組網(wǎng)方式。按從低到高的隔離度和差異性，分為完全共享、部分共享、切片獨享三種方式[6]。

（1）完全共享

對于隔離性要求不高的場景，一整套核心網(wǎng)網(wǎng)元被多個網(wǎng)絡(luò)切片實例共享，通過QoS調(diào)度實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)切片間的差異化。

（2）部分共享

對于隔離性要求中等的場景，比如對信令面數(shù)據(jù)不敏感，但要求用戶面數(shù)據(jù)需要保護(hù)的，或者根據(jù)切片用戶的實際部署需求，需要用戶面網(wǎng)元就近部署滿足數(shù)據(jù)不出園區(qū)或低時延需求，這些場景可以通過共享核心網(wǎng)信令面網(wǎng)元，獨享用戶面網(wǎng)元UPF的方式來實現(xiàn)。

（3）完全獨立切片

對于隔離性要求較高的場景，切片用戶可完全獨享全部核心網(wǎng)網(wǎng)元。對于更加嚴(yán)苛的需求，甚至?xí)蠛诵木W(wǎng)網(wǎng)元所使用的物理資源也完全獨占。

2.5 切片管理器

切片管理器分為跨域切片管理器NSMF和子域切片管理器NSSMF。NSMF是因網(wǎng)絡(luò)切片引入的獨立網(wǎng)元實體，跨域管理網(wǎng)絡(luò)切片整體功能，子域的切片管理器NSSMF僅負(fù)責(zé)本域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)切片管理的能力，通常在設(shè)備廠商已有的管理系統(tǒng)上做增強(qiáng)實現(xiàn)。目前TC7正在進(jìn)行NSMF和AN-NSSMF接口、NSMF和CN-NSSMF接口標(biāo)準(zhǔn)化的制定，NSMF和TN-NSSMF接口的標(biāo)準(zhǔn)化制定在切片特設(shè)項目組。上述三個管理面接口規(guī)范的制定，實現(xiàn)了管理面接口的統(tǒng)一，支持端到端切片的統(tǒng)一管理，向網(wǎng)絡(luò)切片的自動化部署邁出了堅實的一步。

3 5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片面臨的主要問題

3.1 終端切片選擇能力

單終端支持多網(wǎng)絡(luò)切片一直是業(yè)界關(guān)注的重點。終端內(nèi)部的體系架構(gòu)可分為芯片、操作系統(tǒng)和上層應(yīng)用APP，3GPP定義的URSP策略支持4種分流方式，分別為基于APP ID、基于FQDN、基于IP三元組和基于DNN。目前，終端支持上述URSP分流方式分別面臨不同的困難，其中APP ID、FQDN和IP三元組屬于應(yīng)用本身自帶的屬性，操作系統(tǒng)可直接管理和使用，但底層芯片和操作系統(tǒng)間缺少交互接口，導(dǎo)致芯片無法以此建立切片連接；DNN是外部賦予業(yè)務(wù)應(yīng)用的屬性特征，原生操作系統(tǒng)把數(shù)據(jù)連接抽象為網(wǎng)絡(luò)能力和APN（如Internet、IMS），并不支持DNN與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的直接關(guān)聯(lián)。

業(yè)界正在探索終端支持URSP的方案，主要分為：基于應(yīng)用實現(xiàn)和基于芯片實現(xiàn)兩種方式，分別由應(yīng)用/芯片實現(xiàn)業(yè)務(wù)屬性和網(wǎng)絡(luò)切片的匹配。無論哪種方案，都需要芯片、操作系統(tǒng)和上層應(yīng)用進(jìn)行明確分工，有效配合。

3.2 網(wǎng)絡(luò)切片SLA指標(biāo)的分解與保障

網(wǎng)絡(luò)切片SLA是運營商與網(wǎng)絡(luò)切片客戶協(xié)商簽署的服務(wù)等級協(xié)議，需要將端到端指標(biāo)要求轉(zhuǎn)換為各子網(wǎng)切片設(shè)計和資源配置相關(guān)的參數(shù)，其中端到端時延和可靠性等性能指標(biāo)需要無線網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)協(xié)同保障并提供端到端監(jiān)測分析報告，才能滿足網(wǎng)絡(luò)切片客戶的SLA要求。

由于不同網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用場景存在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍（園區(qū)網(wǎng)、城域網(wǎng)還是跨區(qū)域骨干網(wǎng)）、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)流量流向等多方面的差異性，因此端到端的時延等SLA性能指標(biāo)如何科學(xué)有效地分解到無線網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)成為實操難題。由于目前業(yè)界尚未實現(xiàn)端到端指標(biāo)的自動化分解，在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建模仿真之前，仍需根據(jù)經(jīng)驗值在各域進(jìn)行預(yù)配置。SLA保障的另一個難點是端到端網(wǎng)絡(luò)切片的性能監(jiān)控能力，目前各子域的性能指標(biāo)只能在跨域切片管理器上簡單呈現(xiàn)，缺乏跨無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)的端到端性能的實時監(jiān)測分析機(jī)制。因此，端到端網(wǎng)絡(luò)切片性能指標(biāo)的自動化分解和性能監(jiān)控能力是未來的重點研究方向。

綜上，為了推動網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)不僅實現(xiàn)功能好用，并且要實現(xiàn)SLA保障，需站在端到端的視角，加強(qiáng)無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)各領(lǐng)域的協(xié)同，達(dá)到根據(jù)網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用方案和設(shè)備能力自動進(jìn)行SLA指標(biāo)分解和端到端性能監(jiān)測，從而實現(xiàn)SLA保障，滿足網(wǎng)絡(luò)切片客戶的業(yè)務(wù)要求。

3.3 網(wǎng)絡(luò)切片的跨域動態(tài)編排和配置

為了支撐5G+垂直行業(yè)的應(yīng)用推廣，5G行業(yè)終端、無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)、NSMF和運營支撐系統(tǒng)（OSS）需協(xié)同實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的資源編排和端到端配置，才能為行業(yè)客戶按需提供定制化的5G虛擬專網(wǎng)服務(wù)，并提供差異化和確定性的SLA保障。由于網(wǎng)絡(luò)切片的設(shè)計與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能力緊密相關(guān)，不同廠商的設(shè)備能力不同，目前網(wǎng)絡(luò)切片的模板設(shè)計和資源編排還不能實現(xiàn)動態(tài)和自動化，仍需人工進(jìn)行預(yù)規(guī)劃和靜態(tài)配置[7]。此外，運營商的NSMF和OSS與各子域NSSMF之間要支持標(biāo)準(zhǔn)化的管控接口和信息模型，才能實現(xiàn)跨子域和異廠家管控系統(tǒng)之間的配置互通和數(shù)據(jù)采集。因此需要加快推動NSMF與AN-NSSMF、TNNSSMF、CN-NSSMF的功能要求和管控接口標(biāo)準(zhǔn)研制，并且滿足行業(yè)虛擬專網(wǎng)在業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)兩個層面的管控運維功能要求，才能高效支撐5G+垂直行業(yè)的規(guī)模應(yīng)用。

4 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)切片作為5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵特性之一，一直以來受到業(yè)界廣泛關(guān)注。標(biāo)準(zhǔn)方面，國際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP、IETF、ITU等分別致力于網(wǎng)絡(luò)切片在終端、無線、核心網(wǎng)、切片管理以及承載方面標(biāo)準(zhǔn)的制定，將領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)做深做實，但在端到端網(wǎng)絡(luò)切片方面尚有缺失；國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)組織CCSA針對中國5G的發(fā)展現(xiàn)狀，從需求和實際部署出發(fā)，定義了端到端網(wǎng)絡(luò)切片的整體架構(gòu)，并對各域互通提出要求；IMT-2020（5G）推進(jìn)組針對端到端網(wǎng)絡(luò)切片的能力進(jìn)行了測試，推動了設(shè)備能力的進(jìn)一步成熟。雖然端到端網(wǎng)絡(luò)切片距離商用仍有關(guān)鍵技術(shù)需繼續(xù)驗證和推進(jìn)，但相信在業(yè)界各方的共同努力下，這些問題會得到圓滿解決。