5G网络切片技术发展现状与展望

【摘  要】5G即将商用，网络切片具备哪些服务客户的网络能力和管理能力备受关注，为此主要介绍网络切片的端到端的技术方案现状，包括网络域和管理域。网络域层面，介绍了终端、无线网络、承载网络和核心网络对网络切片的支持技术，管理域层面，介绍了网络切片管理系统的工作机制。最后，也展望了3GPP对网络切片技术的增强研究和后续演进。

【关键词】网络切片;端到端;网络切片管理;SLA

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.007        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）10-0038-05

引用格式：邢燕霞. 5G网络切片技术发展现状与展望[J]. 移动通信， 2020，44（10）： 38-42.

0   引言

根据3GPP定义，网络切片是提供特定网络能力和网络特征的逻辑网络，网络切片既是网络又是业务，它有三大核心特征：从满足客户需求的角度看，网络切片具有可定制、可隔离的特征;从网络运营管理的角度看，网络切片具有可编排的特征，运营灵活性大大提升。

随着5G网络的部署和切片业务即将商用，网络切片具备哪些技术手段、网络切片对业务的支持程度、运营商5G网络切片管理体系如何支撑切片业务开展等是业界普遍关注的问题，下文将从网络域和管理域两个方面介绍网络切片的技术实现方案。

1   网络切片网络域技术方案

从网络角度看，网络切片是端到端的，如图1所示，即5G网络上必须从核心网络、接入网以及承载网以及终端方面进行端到端的技术保障。下面分别介绍各部分所采用的技术方案。

1.1  核心网络网络切片技术

核心网网络切片在规范上和产品实现上都相对完善，主要技术包括网络切片的选择、切片会话管理、切片漫游等[1]。UE注册时，网络切片的选择是指为UE选择合适的AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理功能）;在用户发起业务请求时，网络切片选择过程是指为UE选择合适的SMF（Session Management Function，会话管理功能）和UPF（User Plane Function，用户面功能），从而进行流量的疏导。当用户首次注册时[2]，基站根据用户携带的S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information，单一网络切片选择辅助信息）为用户选择AMF，如果用户没有携带任何S-NSSAI，则基站为用户选择默认的AMF。如果选定的AMF可以为UE提供切片服務，则由这个AMF提供后续服务。如果选定的AMF不能为UE提供切片服务，还将进行AMF重选，AMF依据从NSSF（Network Slice Selection Function，网络切片选择功能）和NRF（Network Repository Function，网络存储功能）获取的信息，将注册消息直接发给目的AMF处理或通过基站将NAS消息转发到目标AMF，并为UE分配临时标识发送给UE，后续基站根据用户携带的临时标识为UE选择服务的AMF。当UE发起业务请求时，AMF根据本地配置的策略或通过查询NRF选择合适的SMF。然后SMF将根据发起会话的DNN（Data Network Name）、S-NSSAI、UE位置、UPF的负荷等因素选择合适的UPF，并依据PCF（Policy Control Function，策略控制功能）提供的会话策略进行UPF的配置，UPF和基站之间建立用户面连接，后续流量由此UPF疏导。

核心网还支持切片的漫游，当UE漫游到拜访网络时，如果UE使用标准的S-NSSAI，则在拜访网络中使用相同的S-NSSAI。如果UE使用非标准的S-NSSAI，拜访网络会依据漫游协议将UE签约的S-NSSAI映射为拜访网络的S-NSSAI。核心网络通过上述机制，可以确保将不同的业务疏导到不同的网络切片，实现差异化的业务保障。

1.2  无线网网络切片技术

无线网络支持网络切片的规范相对核心网要简单一些，3GPP规范了无线网络对网络切片的感知、网络切片的选择、用户级的QoS保障机制等，目前没有定义无线网络如何针对网络切片进行资源调度和资源预留。无线侧对网络切片的感知是在UE发起与基站之间的连接时实现的，如果UE预配置了S-NSSAI，那么UE在RRCSetupComplete消息中携带S-NSSAI，基站后续依据UE请求的S-NSSAI等信息在AMF Pool中选择一个AMF，选定AMF后可以进行NAS通信，实现UE网络切片的接入和后续的会话。

从标准的角度，目前无线侧对切片业务支持主要基于QoS机制来保障网络切片服务。从高层到底层，QoS的映射机制基本过程是这样：PDU Session建立的时候会讲会话与切片标识S-NSSAI进行关联，基于这个关联，向下层逐层进行映射。在PDU Session建立后，其内部可以根据不同业务的IP包过滤规则，将IP流映射到不同的QoS Flow，在SDAP（Service Data Adaptation Protocol）层将不同的QoS Flow再映射为不同的DRB（Data Radio Bearers），不同的DRB在空口的处理机制不同，包括进行不同的MAC层调度，以及预留不同的PRB（Physical Resource Block，物理资源块）资源等，从而实现不同切片的业务保障。目前，标准上没有定义针对网络切片的资源调度和资源预留标准，但设备厂商可以基于各自的私有方案，进行针对网络切片业务的高优先级处理和资源预留。

1.3  承载网网络切片技术

承载网络对网络切片的支持分为两类方案，一类是软切片、一类是硬切片。软切片主要指VPN技术，例如MPLS VPN。在业务隔离方面，不同切片之间MPLS VPN路由隔离，但是转发面需要共享资源和链路，不同切片业务之间只能实现逻辑隔离。QoS保障方面，采用IP网络的QoS机制，边缘节点基于DSCP进行QoS调度，中间节点基于MPLS EXP进行QoS调度。网络中的设备节点需要支持流量整形监控、流分类、优先级映射、队列调度等QoS机制。硬切片主要指IP网络的Flex E（Flexible Ethernet，灵活以太网）技术和光网络的ODUk（Optical Channel Data Unit，光通路数据单元）技术。硬切片技术主要通过资源的独占来保障切片的服务质量和业务隔离，FlexE技术可以将以太网端口分为多个独立子信道，每个子信道具有独立的时隙和MAC，提供以太网层面的物理隔离。Flex E技术需要设备升级才能支持，目前设备支持度较低。基于ODUk粒度的光层切片技术提供物理级硬管道隔离。总之，承载网为包括移动网在内的各种网络和应用提供服务，具备多种软硬切片能力，实际采用哪种技术方案将根据客户定制需求和商业模式确定。

1.4  终端网络切片技术

当用签约多个网络切片服务时，终端需要支持多切片，确保不同业务使用不同切片。终端注册到网络和发起PDU会话的时候，可以基于预配置携带网络切片标识，网络根据用户请求的切片标识和用户签约的网络切片来决策终端本次使用的网络切片。规范规定，终端最多可以支持八个网络切片并发，终端上的应用与网络切片的对应关系取决于URSP策略（UE Route Selection Policy，UE路由选择策略）。URSP是一组针对UE的路由选择策略集合[3]，其中包括NSSP（Network Slice Selection Policy，网络切片选择策略），UE依据NSSP将终端上的应用与S-NSSAI进行匹配;DNN选择策略，UE依据这个策略将应用与DNN进行匹配;PDU会话类型策略，UE据此将应用与PDU会话类型（“IPv4”或“IPv6”或“IPv4v6”）进行匹配;无缝卸载策略，UE依据这个策略将应用与非3GPP接入类型（例如不接入5GC的Wi-Fi）进行匹配等多种路由选择策略。当终端注册到网络时，URSP由PCF经由AMF发送给UE，后续UE根据URSP提供的策略决定某个应用使用的S-NSSAI、DNN、接入类型、会话和业务连续性模式等。当终端预配置的网络切片和URSP提供的策略有冲突时，遵从网络下发的URSP策略。当UE依据URSP决定终端上应用使用哪个切片时，将携带网络切片标识接入5G网络，基站为UE选择网络切片。

2   网络切片管理域技术方案

上文主要介绍了网络切片在网络中域技术实现，是基于网络切片已经创建、用户已经签约的前提下，网络切片对业务的保障机制。下文主要介绍网络切片的管理体系的构成以及各部分的职责，其中包含网络切片创建基本流程。

结合3GPP和ETSI的规范，网络切片的逻辑管理架构如图2所示[4]，其中CSMF（Communication Service Management Function，通信服務管理功能）、NSMF（Network Slice Management Function，网络切片管理功能）以及NSSMF（Network Slice Subnet Management，Function网络切片子网管理功能）由3GPP组织定义，NFVO（NFV Orchestrator，NFV编排器）和VNFM（VNF Manager，VNF管理器）和VIM（Virtualised Infrastructure Manager，虚拟化设施管理器）等是ETSI组织定义的。这些系统共同完成网络切片的全生命周期管理，下文分别介绍各个模块的主要功能。

2.1  CSMF功能

从3GPP标准定义看，CSMF有两部分功能[5]，一个是面向客户的功能，一个是面向网络资源的功能。面向客户的功能主要包括SLA（Service Level Agreement，服务等级协议）。

参数输入和翻译、业务分类、计费以及能力开放等功能。SLA输入和翻译功能即面向客户提供SLA的定制功能，将SLA翻译为网络设计和网络配置相关的参数，以便NSMF执行;业务分类功能主要是面向客户需求，提供若干网络切片模板，这些模板依据3GPP定义serviceProfile进行描述[6];计费方面主要是面向客户的计费功能，网络切片是一种新的产品形态，其计费模式也在探索中，根据业务合作模式的不同，可以有多种方式，例如依据资源占用情况收费、依据使用流量收费、依据合作分成的模式计费等;能力开放功能是面向客户开放网络切片的监控能力，包括向客户提供切片资源使用情况、关键SLA的动态统计、在线用户数量统计等功能，便于客户直观了解网络切片运行状态。面向资源管理的功能主要包括CSI（Communication Service Instance，通信服务实例）资源清单，包括CSI和NSI（Network Slice Instance，网络切片实例）对应关系，CSI的生成、修改、删除等生命周期管理功能;CSI的故障管理以及CSI的性能保障等与NSMF层和NSSMF层的故障管理和性能管理等功能一起用于网络切片运营管理。

2.2  NSMF功能

NSMF最主要功能是依据CSMF的要求进行网络切片的设计、SLA按域分解、网络切片模板管理等。网络切片的设计是NSMF的核心功能，NSMF根据CSMF提供的用户SLA需求和NSSMF提供的模板进行网络切片实例的设计，包括网络拓扑设计、网络路由设计以及网络容量的设计等。由于网络切片的设计与具体采用的网络设备相关，不同厂商的设备能力不同。目前，网络切片的设计功能还不能实现完全的自动化，还需要人工参与并借助一些工具完成。SLA按域分解是指将客户提出的端到端的需求进行按域分解，发送给无线NSSMF、核心网NSSMF以及承载网NSSMF。类似UE上下行速率这样的指标，需要各个子域都要进行保障，因此可以直接转给各个子域执行。类似端到端的时延这样的指标则需要进行在各个子域的指标分解，分解的策略可以基于经验值进行预配置，也可以基于传输距离、节点处理时延等进行动态计算得出。网络切片模板管理功能主要是创建、修改网络切片模板。此外，NSMF还负责网络切片实例的生命周期管理、网络切片实例的故障管理和性能管理。

2.3  NSSMF功能

按照NSMF分解下來的SLA要求，NSSMF主要负责网络切片子网的管理，按照管理领域不同，NSSMF分为无线网络NSSMF、承载网NSSMF和核心网NSSMF。目前无线网络切片标准不完善，无线NSSMF主要是对基站支持的切片相关参数（主要是S-NSSAI列表以及相应的优先级）和出口路由进行配置。当前，由于无线NSSMF功能相对简单，厂商多采用设备网管和无线NSSMF合设方案实现。承载网NSSMF主要对网络切片在承载网中保障进行配置和管理，根据业务需求和设备支持的情况，承载网NSSMF可以为网络切片指定单独的VPN、信道化子接口或Flex E时隙等。核心网NSSMF的重点功能包括网络切片子网的设计、网络切片子网生命周期管理、切片参数配置等。核心网NSSMF与NFVO交互获得NSD（Network Service Descriptor，网络服务描述符），并依据网络切片子网模板和NSD设计网络切片子网实例，然后通过NFVO、VNFM进行网元的生成和生命周期管理。核心网切片参数的配置则通过核心网NSSMF和设备网管或直接通过NSSMF实现网络切片参数的配置，配置参数包括PLMNidList、S-NSSAIList、网元ID等。其他的功能例如性能管理和故障管理功能与NSMF类似，但主要针对网络切片子网实例。

通过CSMF、NSMF和各域NSSMF以及管理编排系统的配合实现网络切片的灵活编排，和网络切片的生成、激活、变更以及终结等全生命周期管理。

3   网络切片技术标准展望

核心网方面，针对网络切片的SLA的落实，3GPP正在开展相关研究，例如对网络切片内注册用户数、同时在线用户数、并发会话数用户、用户总流量等进行控制，避免超出SLA要求，降低切片内用户的体验。目前主要的思路是通过增强现有网元的功能实现控制SLA阈值的功能，讨论较多的是通过增强PCF、NSSF、NWDAF（Network Data Analytics Function，网络数据分析功能）支持数据收集、数据统计和通知的功能来实现控制。以基于NWDAF实现注册用户数为例，运营商通过运营支撑系统在NWDAF上配置注册用户数阈值，当用户发起注册接入到AMF后，每成功注册一个用户，AMF向NWDAF上报信息，NWDAF从多个AMF收集统计注册用户数，如果到达阈值，则通知所有AMF，停止接入新的用户。此后如果新用户上线，AMF将拒绝用户接入，除非有用户下线才能允许接入新用户。这是对接入用户数进行控制的基本思路，实际应用中还应考虑多个NWDAF和多AMF的协同问题。对于并发会话数、用户流量的控制可以采用类似的机制，不同的是这些信息由SMF提供（SMF是会话管理的主要网元），到达阈值后相应的控制功能也由SMF执行。

目前无线网络切片方面是网络切片的瓶颈，3GPP正准备进行无线网络切片的增强研究，包括网络切片的快速接入、网络切片的业务连续性、无线资源调度方案以及与核心网配合实现端到端的SLA的保障等，相关研究问题正在3GPP立项研究，其成果将在R17标准体现。在管理域，3GPP正在针对GSMA提出的网络切片模板（主要为关键SLA）进行规范的映射和完善。GSMA从客户体验需求的角度定义了网络切片需要具备的功能和网络性能指标，而3GPP侧重实现层面的各种网络指标。当前，两个组织定义网络切片支持的UE数、UE上下行速率、共享级别等多个参数都得到了映射，还有一些技术参数在研讨中。此外，管理域后续的重点方向是结合大数据和人工智能技术实现网络切片的自动化管理，提供智能化的编排管理能力，提升网络切片的运营技术手段。

4   结束语

在业界高度关注和期望下，网络切片将进入落地部署阶段，端到端的网络切片已经具备商用条件。随着技术和产业的不断发展，无线网络对网络切片的保障以及终端支持多切片方面将进一步完善标准化方案。在网络切片管理方面，当前已经具备基本的切片管理手段，管理的自动化、智能化是后续研究和实践的重点。总之，网络切片还将在实际运营中不断优化、不断创新，为满足各行各业的个性化需求提供技术手段。

参考文献：

[1]   3GPP. 3GPP TS 23.501 V16.3.0： 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; System Architecture for the 5G System Stage 2; （Release 16）[S]. 2019.

[2]   3GPP. 3GPP TS 23.502. V16.3.0： 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Procedures for the 5G System Stage 2（Release 16）[S]. 2019.

[3]   3GPP. 3GPP TS 23.503 V16.2.0： 3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Services and System Aspects;Policy and Charging Control Framework for the 5G System （5GS） （Release 16）[S]. 2019.

[4]   3GPP. 3GPP TS 28.533 V16.1.0： 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Management and orchestration; Architecture framework （Release 16）[S]. 2019.

[5]   3GPP. 3GPP TR28.805 V16.1.0： 3 rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Telecommunication management; Study on management aspects of communication services （Release 16）[S]. 2019.

[6]   3GPP. 3GPP TS 28.541 V16.3.0： 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Management and orchestration;5G Network Resource Model （NRM） Stage 2 and stage 3 （Release 16）[S]. 2019.