5G網(wǎng)絡(luò)切片解決方案和關(guān)鍵技術(shù)

方琰崴，陳亞權(quán)，李立平，周俊超（中興通訊股份有限公司，江蘇南京 210012）

0 引言

5G網(wǎng)絡(luò)主要業(yè)務(wù)包括三大典型場景：低時延高可靠（uRLLC）、增強移動寬帶（eMBB）和大連接低功耗（mMTC），不僅面向普通用戶，而且更多面向物聯(lián)網(wǎng)和多樣化工業(yè)應(yīng)用，但電信運營商并不需為每個服務(wù)建設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)，而是利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，按需分配網(wǎng)絡(luò)資源。在5G網(wǎng)絡(luò)中，切片已經(jīng)成為面向垂直行業(yè)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)形式，能夠在統(tǒng)一物理設(shè)施中實現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)并提供多級隔離與安全，降低運營商建網(wǎng)成本，滿足垂直行業(yè)多種場景按需、敏捷建立網(wǎng)絡(luò)的需求。

1 5G網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)解決方案架構(gòu)

在3GPP 協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)切片是提供特定網(wǎng)絡(luò)能力和網(wǎng)絡(luò)特性的邏輯網(wǎng)絡(luò)。5G 網(wǎng)絡(luò)按網(wǎng)絡(luò)資源靈活分配切片，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)能力按需組合切片，以實現(xiàn)基于一個5G 網(wǎng)絡(luò)生成多個具備不同特性的邏輯子網(wǎng)的目的。如圖1 所示，每個端到端切片均由核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)子切片組合而成，并通過端到端切片管理系統(tǒng)，下發(fā)不同業(yè)務(wù)的服務(wù)等級（SLA——Service-Level Agreement）需求，進行統(tǒng)一定制和管理。

圖1 5G端到端的網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

5G 終端種類豐富，有功能豐富的高端終端，如智能手機、車載終端、VR 終端等，也有低成本、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)終端，如智能抄表終端、智能井蓋傳感器、智能路燈開關(guān)等。終端也需要支持切片，要求1 個用戶終端（UE——User Equipment）能夠同時支持1～8 個網(wǎng)絡(luò)切片，并可以配置接入的切片類型集合網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息（Configured NSSAI——Network Slice Selection Assistance Information），也可以從網(wǎng)絡(luò)側(cè)獲取Configured NSSAI。在登記時，UE 可以從網(wǎng)絡(luò)側(cè)獲取允許接入的切片集合Allowed NSSAI。

切片系統(tǒng)需要提供從網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施（NFVI——Network Function Virtualization Infrastructure）、虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（VNF——Virtual Network Function）到管理層的多級安全隔離。在NFVI 可以提供基于獨立硬件的高安全性的隔離以及基于NFVI 租戶支持的vCPU、vNet、vStorage 虛擬資源的隔離。在VNF 應(yīng)用層支持邏輯隔離，如根據(jù)切片標識配置該切片所支持的用戶數(shù)量。在管理層，支持根據(jù)切片ID 分權(quán)分域，給不同租戶提供故障、配置、計費、性能和安全（FCAPS）的隔離。

2 5G網(wǎng)絡(luò)端到端切片關(guān)鍵技術(shù)

2.1 微服務(wù)化和能力開放

面向服務(wù)的5G 云原生（Cloud Native）采用靈活的模塊化架構(gòu)，通過對5G 的網(wǎng)絡(luò)功能（NF——Network Function）進行模塊化和微服務(wù)化設(shè)計，建立微服務(wù)組件庫。這種靈活的模塊化架構(gòu)既支持3GPP 標準定義的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)（NFS——Network Function Service），又可以提供負載均衡（LB——Load balance）、HTTP、IPsec 等增強的公共服務(wù)組件。根據(jù)切片的SLA 需求，選擇合適的NFS，像搭積木一樣組合成各種類型切片需要的NF，再把NF 組合成對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片，如eMBB等。

通過網(wǎng)絡(luò)開放功能（NEF——Network Exposure Function），5G 提供對外部開放切片的能力。應(yīng)用可以獲取UE 的狀態(tài)、位置等信息，可以設(shè)置UE 選擇切片的策略；也可以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)，支持定制化的網(wǎng)絡(luò)功能參數(shù)、基于動態(tài)DPI 的靈活QoS 策略、個性化切片和流量路徑管理，從而更加精細化和智能化地滿足垂直行業(yè)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)切片的要求。

2.2 智能選擇和調(diào)度

在統(tǒng)一用戶管理平臺（UDM——Unified Data Management）中，5G 網(wǎng)絡(luò)為不同UE 簽約不同的切片。在5G 網(wǎng)絡(luò)中，引入了網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能（NSSF——Network Slice Selection Function），在整個PLMN 中獨立部署。NSSF 可以通過UE 請求的NSSAI 和簽約的NSSAI、位置區(qū)域、切片容量、切片當前負荷等信息進行切片的靈活選擇，比如基于位置信息可以實現(xiàn)大區(qū)、省市等大切片的部署，也可以實現(xiàn)如體育比賽、演唱會、智慧小區(qū)等小微切片的部署。

在無線網(wǎng)，基于統(tǒng)一的空口框架，NSSF 采用靈活的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對不同的切片需求，NSSF可以采用不同的資源配置/調(diào)度方式。無線側(cè)的切片能力更多地體現(xiàn)在不同的參數(shù)配置和調(diào)度上。NSSF 可以為不同的切片配置不同的上下行保障資源、上下行最大資源和用戶數(shù)等。無線網(wǎng)根據(jù)配置的資源和用戶數(shù)對不同的切片進行調(diào)度，并進行調(diào)度優(yōu)先級的映射。同時，根據(jù)不同切片業(yè)務(wù)的要求，還可以對協(xié)議棧進行不同的配置，例如mMTC需要廣覆蓋、節(jié)能，移動性小，就可以在物理層編碼做優(yōu)化。在切片的選擇和調(diào)度、配置過程中，無線網(wǎng)需要支持對核心網(wǎng)切片的選擇，支持與5G 核心網(wǎng)的接入和移動管理功能（AMF——Access and Mobility Management Function）交換切片信息，支持選擇初始AMF，并支持目標AMF的重定向。

通過策略控制功能（PCF——Policy Control Function），NSSF 可以為UE 不同的APP 定制切片選擇策略（NSSP——Network Slice Selection Policy），并下發(fā)給UE，如微信對應(yīng)到eMBB，抄表應(yīng)用對應(yīng)到mMTC，車聯(lián) 網(wǎng)（V2X——Vehicle to everything）應(yīng) 用 對 應(yīng) 到uRLLC。5G終端根據(jù)PCF下發(fā)的NSSP，為不同的APP應(yīng)用選擇不同切片。

2.3 典型共享類型

在5G 網(wǎng)絡(luò)中，如圖2 所示，可以把不同應(yīng)用模型分為GROUP A、B、C 等多種共享類型進行靈活組網(wǎng)。GROUP A 代表了媒體面和控制面網(wǎng)元在各切片之間都不共享的場景，典型的應(yīng)用有工業(yè)控制、遠程醫(yī)療、智能電網(wǎng)等，這類場景對隔離度要求比較高；GROUP B 代表了部分控制面網(wǎng)元共享，而媒體面和其他控制面網(wǎng)元不共享的場景，典型的應(yīng)用有智慧城市、輔助駕駛的同時更新下載地圖，這類場景終端需要同時接入多個切片，對隔離要求相對低；GROUP C 代表了控制面網(wǎng)元共享，而所有的媒體面網(wǎng)元不共享的場景，典型的應(yīng)用有家庭娛樂、上網(wǎng)、視頻娛樂、智能抄表等，這類場景對切片隔離要求低且對成本敏感。

圖2 切片的典型共享模型

2.4 切片對傳輸網(wǎng)的要求

傳統(tǒng)的傳送網(wǎng)絡(luò)可以分為客戶/租戶層、業(yè)務(wù)層和物理網(wǎng)絡(luò)層，L2VPN 或L3VPN 業(yè)務(wù)可以直接部署在物理網(wǎng)絡(luò)上形成業(yè)務(wù)層，從而傳輸上層客戶/租戶服務(wù)。在該體系結(jié)構(gòu)中，業(yè)務(wù)層上的各種業(yè)務(wù)共享物理網(wǎng)絡(luò)資源，由于沒有隔離機制，存在資源競爭問題，因此如需要根據(jù)不同的服務(wù)場景來隔離不同的客戶/租戶，則在管理和控制方面存在一定的難度。該體系結(jié)構(gòu)不能很好地管理和控制未來的5G業(yè)務(wù)傳輸，因此傳送網(wǎng)絡(luò)需要引入新的分層技術(shù)和分層結(jié)構(gòu)。

與傳統(tǒng)的無切片網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，5G 核心網(wǎng)在物理網(wǎng)絡(luò)層和業(yè)務(wù)層之間新建了一個虛擬網(wǎng)絡(luò)層vNet，每個物理網(wǎng)絡(luò)分為多個vNet，每個vNet 都具有與物理網(wǎng)絡(luò)相似的特性，包括獨立的管理平面、控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面，并且可以獨立支持各種業(yè)務(wù)。

SDN 將控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面解耦，使物理網(wǎng)絡(luò)是開放的和可編程的，并且支持未來的新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和服務(wù)?？刂破矫婧娃D(zhuǎn)發(fā)平面都需要針對切片技術(shù)進行相應(yīng)的改造。

在5G 網(wǎng)絡(luò)的控制平面，一般采取基于SDN 的切片體系結(jié)構(gòu)，由物理網(wǎng)絡(luò)的公共控制功能、vNet 管理程序、vNet 控制器等組成。控制平面可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲和資源的統(tǒng)一管理、網(wǎng)絡(luò)抽象、路徑計算、策略管理等功能，可以將物理轉(zhuǎn)發(fā)資源抽象為虛擬設(shè)備節(jié)點和虛擬網(wǎng)絡(luò)連接，并根據(jù)策略管理這些虛擬資源，形成獨立的邏輯切片vNet。

在5G網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)平面，需要針對切片的不同類型進行隔離，有軟隔離和硬隔離2 種隔離技術(shù)。軟隔離是基于統(tǒng)計復用的第二層或更高層技術(shù)，例如基于SR/IP/MPLS 的隧道技術(shù)和基于VPN/VLAN 的虛擬化技術(shù)。硬隔離是基于物理剛性管道的Layer1 或光層切片技術(shù)，例如FlexE、OTN 和WDM 波分復用技術(shù)。其中，F(xiàn)lexE 技術(shù)支持基于物理層的轉(zhuǎn)發(fā)，并提供嚴格的管道隔離及靈活分配帶寬。引入FlexE 交換、OAM和保護等3項關(guān)鍵技術(shù)，可以成功地將FlexE 擴展為網(wǎng)絡(luò)級技術(shù)，即FlexE 隧道技術(shù)?；贔lexE 交換機的FlexE 通道可以在分片網(wǎng)絡(luò)中的NE 之間形成新的vLink，以重構(gòu)分片網(wǎng)絡(luò)拓撲。

3 切片的自動化運維管理

5G 端到端切片涉及到接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)等多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，因此切片的部署、運維管理和安全隔離都面臨著巨大的挑戰(zhàn)，需要解決諸多關(guān)鍵問題。

在5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計初期，電信運營商需要根據(jù)不同行業(yè)用戶需求進行定制化的網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計，快速滿足多種應(yīng)用場景和多樣化的客戶需求。在部署了如圖3所示的切片運維和管理系統(tǒng)后，運營商的維護人員可通過基于模板修改、拖拽式可視化設(shè)計，實現(xiàn)所見即所得的切片設(shè)計，并根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)、訂購以及SLA要求，自動完成網(wǎng)絡(luò)切片的部署，實現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)的快速交付。

圖3 切片運維和管理系統(tǒng)

切片的生成包括訂購、編排、部署和激活，這個過程需要采用全自動化技術(shù)，系統(tǒng)根據(jù)客戶訂購的SLA需求，自動選擇合適的預置子切片部署模板，分別加載到無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)中，并根據(jù)預置模板自動拆分網(wǎng)絡(luò)時延、帶寬和用戶容量，按照拆分的SLA 需求，自動部署切片的VNF/PNF，并自動進行切片的配置激活。

端到端的網(wǎng)絡(luò)切片集成了多個網(wǎng)絡(luò)子切片，需要保障切片的SLA以滿足垂直行業(yè)應(yīng)用的需求。因此在切片的運行過程中，需要搜集并監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)切片的SLA，以確保網(wǎng)絡(luò)切片的性能。E2E切片SLA 監(jiān)控和策略閉環(huán)控制是一個復雜的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，涉及切片SLA數(shù)據(jù)的收集、策略決策、策略執(zhí)行和反饋等關(guān)鍵過程，還需要逐步引入自動化閉環(huán)保障、根因分析、ZSM（Zero touch Service and Management）、AI 等技術(shù)，實現(xiàn)切片運維的智能化和自動化。

4 5G網(wǎng)絡(luò)切片分步部署策略

5G 網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)的引入需要考慮標準技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成熟度，把握好節(jié)奏。根據(jù)切片的部署要求，電信運營商可以分兩階段部署。

第1 階段，初期聚焦于典型的eMBB 切片，快速推出5G業(yè)務(wù)，如高清視頻、AR、VR、3D等業(yè)務(wù)，并適當配合核心網(wǎng)用戶面下沉部署，滿足部分超低時延業(yè)務(wù)需求。同時，對切片的編排部署進行簡化。核心網(wǎng)子切片采用云化技術(shù)部署，提供網(wǎng)絡(luò)子切片管理功能（NSSMF——Network Slice Subnet Management Function），進行子切片的編排和部署；無線網(wǎng)和傳輸網(wǎng)子切片通過配置，進行切片的資源調(diào)度和隔離。

第2 階段，在eMBB 的基礎(chǔ)上，逐步引入uRLLC、mMTC 等類型的切片，支持E2E 編排，逐步實現(xiàn)5G 目標網(wǎng)絡(luò)。無線網(wǎng)支持DU/CU 分離以及CU 的云化部署。傳輸網(wǎng)支持基于FlexE 的硬切片vNet，提供超低時延轉(zhuǎn)發(fā)。在這個階段，5G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)支持無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)端到端的切片編排管理，結(jié)合自動化和AI等技術(shù)，逐步實現(xiàn)切片的自動開通和智能保障。

5 切片的前瞻技術(shù)和發(fā)展趨勢

網(wǎng)絡(luò)切片是5G 的關(guān)鍵功能，3GPP、ETSI、BBF 等標準組織將一步完善切片的功能和技術(shù)，主要的研究方向包括：

a）切片與VoNR/IMS 的結(jié)合：研究UE 如何通過單個或多個切片接入IMS，IMS 如何通過服務(wù)化架構(gòu)（SBA——Service-based Architecture）接口訪問5G 用戶的策略信息和簽約信息，IMS如何動態(tài)設(shè)置UE 選擇切片的策略。

b）在4G 與5G 之間切換時，如何選擇合適的切片。

c）控制切片之間的互斥關(guān)系，避免UE 同時接入具有互斥關(guān)系的切片。

d）區(qū)分切片的優(yōu)先級，對于高優(yōu)先級的切片資源優(yōu)先保障。當資源緊張時，進行策略調(diào)度，保障高優(yōu)先級切片資源可用。

e）結(jié)合自動化、AI 等技術(shù)實現(xiàn)切片的自動部署、配置以及Zero Touch的運維。

切片的驅(qū)動力源于垂直行業(yè)，因此，切片與垂直行業(yè)深度融合、共生發(fā)展，建立切片生態(tài)圈，是未來切片技術(shù)的發(fā)展方向，這能夠催生諸多全新的5G業(yè)務(wù)模式，比如，在工業(yè)4.0 中，需要支持non-public 切片與PLMN 切片間的移動性管理，實現(xiàn)限定切片的無線區(qū)域覆蓋，在端到端資產(chǎn)跟蹤和管理中，涉及跨工廠零件生產(chǎn)、物流配送和協(xié)同組裝這3個過程，物料從生產(chǎn)零件的工廠non-public 切片，移動到PLMN 大切片，再到負責組裝工廠non-public 切片，整個過程中需要保持通信業(yè)務(wù)跟蹤的連續(xù)性、UE 位置監(jiān)控的獨立性、多切片間跟蹤時間的一致性以及UE 狀態(tài)信息上報的持續(xù)性；在智能電網(wǎng)中，提供API供第三方監(jiān)控自己切片的UE 狀態(tài)（如位置、生命周期、登記狀態(tài)等）和切片的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息（用于監(jiān)測UE與網(wǎng)絡(luò)的通信情況）。

6 結(jié)束語

切片是5G的創(chuàng)新技術(shù)，將催生新的商業(yè)模式。電信運營商需要進一步完善切片級的運營技術(shù)，如在線訂購、切片計費等，以支持切片即服務(wù)（NSaaS——Network Slice as a Service），提供切片商城、切片集市等切片的批發(fā)和在線銷售。在這些新的商業(yè)模式下，電信運營商可以建設(shè)分級數(shù)據(jù)中心，既可直接面向企業(yè)銷售切片，也可以批量銷售給有實力的合作伙伴比如虛擬運營商，由合作伙伴再面向行業(yè)用戶零售切片。作為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、演進和商業(yè)模式創(chuàng)造的核心力量，電信運營商必然能進一步推進5G 創(chuàng)新，打造成熟的5G 行業(yè)生態(tài)圈。