5G网络切片管理系统及运营商行业实践探讨

侯乐，徐雷，贾宝军

中国联合网络通信有限公司研究院，北京100176

引 言

2019年6月工信部向运营商正式颁发5G 牌照，宣布5G 商用时代的到来[1]。面对千行百业的差异化网络需求，国内运营商都在规划并建设基于独立组网架构（SA）的5G 网络，以充分满足增强型移动带宽（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）、超高可靠性低时延（URLLC）、车联网（V2X）四类业务场景[2]。网络切片作为5G SA 组网模式下的关键性技术之一，备受产业界的关注[3-6]。

网络切片是可以根据每个客户的需求进行差异化处理的一个概念。通过切片，运营商可以将客户视为属于不同的租户类型，每个租户可以对应不同的服务请求，这些服务请求根据服务等级协议（SLA）管理每个租户有资格使用的切片类型和业务[7]。

网络切片为行业客户提供了更为全面的网络方案。传统专网模式具有建设与运维成本高、开通时间长等痛点问题，无法为客户提供高效便捷的网络服务；基于公网的互联网模式，虽然实现了高效便捷的网络连接，但无法提供高可靠性以及具有差异化的网络服务，难以满足行业需求。5G 网络切片技术兼具了传统专网和互联网模式的优点，有利于实现网络配置效率和资源成本之间的相互平衡。网络切片融合了现今几乎大部分主流技术成果，如云计算、SDN、NFV、容器等技术。网络切片是以网络能力资源池化为核心的网络产品的重构，是资源合理高效使用的必然结果。通过网络切片，在同一网络基础设施上按照不同的业务场景和业务模型，利用虚拟化技术，进行网络功能的裁剪定制、网络资源的管理编排，形成多个独立的虚拟网络，为不同的行业应用场景提供“相互隔离”的网络环境。网络切片所具备的这种可以灵活按需定制网络特点，充分满足了不同客户对网络能力的不同需求。

1 5G 网络切片挑战的分析

本文从技术角度与业务角度两个维度，分析当前阶段运营商在5G 网络切片落地工作中所面临的相关挑战。

1.1 技术挑战

从技术角度方面，5G 网络切片在落地过程中面临如下挑战。

（1）网络切片运营管理平台需要进行标准化。当前运营商希望自主研发网络切片运营管理平台，并与设备厂商提供的无线网、承载网、核心网子切片管理系统进行对接。不同厂商的系统之间存在天然差异性，运营商面临着需要对切片运营管理平台的功能与接口进行标准化的挑战。

（2）网络切片落地需要明确的模板，网络切片模板是支撑网络切片快速部署的关键内容。模板的创建与运营商网络设备能力息息相关。运营商为了满足切片部署紧迫需求，需要评估各自网络能力，明确制定网络切片模板。

（3）跨专业线的拉通需要更多适配，端到端网络切片落地需要接入网、承载网、核心网各专业线紧密配合，目前各专业线内部切片如何标识、各专业线之间的切片标识如何映射等问题亟待解决。

1.2 业务挑战

从业务角度方面，5G 网络切片在商用化过程中面临下列挑战。

图1 5G 端到端网络切片逻辑架构图Fig.1 5G end-to-end network slice logic architecture

（1）商业模式具有不确定性，5G 网络切片具有多种商业模式设想，如直接面向公众用户提供切片服务、面向行业客户提供切片服务、与行业客户合作为其用户提供切片服务等。目前运营商仍然需要充分确定各自网络切片的商业模式，才能有效开展相关业务。

（2）产品形态不清晰，运营商往往希望将差异化的网络能力包装成标准化的切片产品进行推广，然而行业客户往往需求定制化切片服务。如何做到标准化切片产品与定制化的切片产品之间平衡，形成清晰的产品形态是运营商网络切片商用化面临的挑战。

（3）计费方式的多样性，目前没有明确的计费模式，行业客户往往希望计费方式能够足够灵活，如根据使用量计费、使用时间计费、使用次数计费等。目前多量纲的计费方式为运营商切片业务的开展带来了更多的挑战，需要更加深入的探索。

2 5G 网络切片管理系统

2.1 系统架构

5G 端到端网络切片具备将网络资源灵活分配，网络能力按需组合，基于一个5G 网络虚拟出多个具备不同特性逻辑子网的能力。每个端到端切片由终端、核心网子切片、无线网子切片、传输网子切片组合而成，并通过网络切片管理系统进行统一编排与管理。

网络切片管理系统是5G 网络切片的大脑，为了实现5G 网络切片端到端管理，3GPP 定义了三层架构模式，包括通信服务管理功能（Communication Service Management Function，CSMF）、网络切片管理功能（Network Slice Management Function，NSMF）和网络切片子网管理功能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF）[8]。

CSMF 是通信服务管理功能，与运营商网络的业务支撑系统（BSS 域）对接。租户通过CSMF 向运营商订购切片，并提交相关的SLA 需求（比如在线用户数、平均用户速率、时延需求等）。CSMF 将用户的通信服务需求转换为对NSMF 的网络切片需求，并转发给NSMF。CSMF 管理对象为通信服务，每个通信服务由1 个或者多个网络切片功能完成。

NSMF 是网络切片管理功能，负责切片的编排、部署和维护，与运营商的运营支撑系统（OSS域）对接，同时对接CSMF 和NSSMF。NSMF 接收从CSMF 下发的网络切片部署请求，将网络切片的端到端SLA 需求分解为网络子切片的SLA 需求，向NSSMF 下发网络子切片部署请求。NSMF 管理对象为网络切片，每个网络切片可以由0 个或者1 个或者多个网络切片子网组成。

NSSMF 为网络切片子网管理功能，负责子切片的编排、部署和维护。NSSMF 可以按照专业领域分为无线网RAN-NSSMF、承载网BN-NSSMF、核心网CN-NSSMF。各专业领域的NSSMF 统一接收从NSMF 下发的网络切片子网部署需求，将网络切片子网的SLA 需求映射为网络服务的QoS 需求，并下发给各自的网关系统， NSSMF 管理对象为网络切片子网，每个网络切片子网可以是一个基础的子切片，也可以是多个基础子切片组合成的子切片，每个子切片可以包含1 个或者多个网络功能。

5G 网络切片管理系统通过CSMF、NSMF、NSSMF 与管理编排器（MANO）和网元管理系统（EMS）的交互实现端到端的切片编排与管理，包括切片设计、切片生命周期管理、切片配置与激活及SLA 的监控与保障。

目前，NSSMF 与各设备厂商的网管系统通常以紧耦合的方式进行合设。国内运营商则希望通过自主研发的方式实现CSMF 和NSMF。

本文结合运营商与设备厂商在网络切片管理系统的合作建设进展，提出一种网络切片管理系统，该系统由CSMF 与NSMF 两部分组成，功能架构如图2 所示。

2.2 功能分析

2.2.1 CSMF 功能分析

图2 5G 网络切片管理系统功能架构图Fig.2 Functional architecture of 5G network slice management system

CSMF 作为受理客户切片业务的入口，北向为客户提供切片订购功能；东侧对接信息化系统完成业务受理、计费和批价；南侧对接NSMF 实现切片功能以及切片成员策略管理。

CSMF 主要功能包括：

（1）订单管理

切片运营平台提供全方位的订单管理能力，包括切片商品订购、切片成员管理功能、订单管理等功能。

（2）商品管理

切片运营平台提供丰富的商品管理能力，包括切片商品创建、发布、查询、删除、资源管理、评估等功能。

（3）切片服务模板管理

切片运营平台实现通信服务功能目录，用于管理服务模板，支持模板的新增、查看、复制、删除、发布、禁用等操作。

（4）业务查询

切片运营平台提供多维度的业务查询服务，支持切片实时查询、用户实时查询、用户使用记录查询、统计信息查询等功能。

（5）客户管理

切片运营平台支持客户管理及成员管理，可实现企业客户信息的管理功能。

（6）能力开放

通过能力开放的运营平台，赋能合作伙伴，完成商业能力的接入、编排、发布与监控。

（7）切片成员策略管理

切片运营平台支持为切片成员制定策略，并将制定好的策略下发给NSMF。

（8）切片模板管理

切片运营平台支持切片模板查询、编辑下发等功能。

2.2.2 NSMF 功能分析

NSMF 北向与CSMF 对接，接受由CSMF 下发的网络切片SLA 需求并负责相应网络切片实例的创建及生命周期管理；南向与各专业领域切片子网管理功能对接，完成网络切片子网生命周期管理的能力创建和管理。

NSMF 主要功能包括：

（1）切片模板管理

该功能实现对网络切片模板（NST）的管理功能，包括NST 模板的上载、启用、禁用、更新、查询、删除以及变更通知等功能。

（2）切片模板设计

该功能可通过在线或者离线的方式，在图形化界面对网络切片模板进行创建、修改、删除和查询等操作。切片模板设计内容包含了网络切片模板基本信息（比如：标识、网络切片类型等）；网络切片SLA 参数模型(比如：覆盖区域、时延、容量、移动性、可靠性等)，参数符合NSI NRM 定义[9]。

（3）切片生命周期管理

端到端网络切片实例的生命周期管理是NSMF最主要的功能，NSMF 要支持网络切片实例完整生命周期流程中各功能要求。切片生命周期管理功能包含了网络切片的创建、激活、去激活、更新、终止等功能实体。

（4）NSSMF 接入管理

通过该功能实现NSMF 对无线、传输和核心网领域NSSMF 接入管理，支持每个领域多个NSSMF接入NSMF，并支持NSSMF 的增、删、查、改操作。

（5）切片资源管理

NSMF 可以实现根据S-NASSI、NSI ID、NSSI ID 对网络切片、网络切片实例和网络切片子网实例的相关资源信息进行采集与查询。

（6）切片性能管理

切片性能管理包含性能数据采集、性能指标生成、性能指标查询及性能指标告警等功能。

（7）切片故障管理

NSMF 告警监控范围为与网络切片和网络切片实例相关的：网元告警、网络切片实例的告警、虚拟资源告警、物理资源告警、NSMF 自身告警、NSSMF 告警。

图3 网络切片实例生命周期管理流程示意图[7]Fig.3 Flow chart of network slice instance life cycle management

（8）切片策略管理

NSMF 对网络切片SLA 保障策略和网络切片故障自愈策略进行管理，支持策略的创建、更新、激活、去激活、查询和删除等操作。

（9）切片SLA 管理

SLA 管理主要是将 CSMF 根据客户业务需求发送给 NSMF 的 SLA 参数进行管理，用于切片实例的创建，并根据需要向 NSSMF 中的子切片实例进行 SLA 参数分解或传送。

（10）网络切片数据开放

NSMF 向认证的第三方开放网络切片及网络切片实例相关的资源、告警和性能数据。

2.3 典型业务流程

以某视频直播行业客户为例，探讨通过网络切片管理系统进行网络切片自动化创建过程。

（1）视频直播行业客户通过CSMF 平台进行切片产品订购，获得切片资源。CSMF 平台根据订购的切片产品，生成相对应的切片模板发送给NSMF。NSMF 则将切片模板拆分成无线网、承载网、核心网各子域的切片子网模板，下发给各子域的网管系统，完成切片资源的实例化创建。

（2）视频直播行业客户将获得的切片资源，发放给他们的付费VIP 用户，并在切片管理平台中对付费用户终端应用的标识进行用户签约。运营商也可以通过CSMF 向行业客户开放API 接口支持行业客户以自服务方式进行用户签约。

图4 基于切片管理系统的业务开通流程Fig.4 Business opening process based on slice management system

（3）视频直播行业客户的VIP 用户与普通注册用户，在使用直播APP 观看视频，VIP 用户流量进入已经实例化的专享切片通道中，使其享受到高带宽低时延的视频加速体验；普通注册用户进入5G 网络默认切片通道中，网络服务质量无法得到保障。

3 运营商网络切片实践

随着5G 牌照的正式发放，国内运营商加快5G SA 建设的步伐，中国移动计划在2020年5G 全面商用时实现网络的切片化，并实现端到端的网络能 力[10]。中国电信计划在2020年正式启动面向SA 的网络升级，具备基于SA 网络切片的5G 差异化网络能力[11]。中国联通计划在2020年具备基于SA 的网络切片服务能力[12]。

万物互联的5G 时代，行业客户对网络的需求越来越高，既要具备专网的隔离性，又需要差异化服务。目前国内运营商面向5G 网络切片无论是在白皮书发布、峰会展示还是试点应用都做了大量的工作，为5G 网络切片系统选型、部署及商用积累经验。

3.1 白皮书发布

国内运营商通过联合产业界合作伙伴共同发布白皮书的方式，推动网络切片生态建设。网络切片白皮书可以直观的反应运营商的相关行业化实践经验，为5G 网络切片的部署与商用提供有效参考，同时面向广阔的垂直行业市场领域挖掘潜在客户。表1对近年来国内运营商发布的切片相关白皮书进行梳理。中国移动发布的白皮书涉及智能电网、多媒体网络、切片SLA 保障等多个方面；中国电信发布的白皮书更加侧重智能电网领域；中国联通发布的白皮书则围绕切片关键技术要求以及典型业务场景进行阐述。

3.2 峰会展示

表2 梳理了运营商对网络切片业务的相关峰会展示情况，近年来移动、电信、联通三大运营商都将网络切片作为5G 创新业务展示的重点。通过峰会展示的方式，一方面可以提高相关企业对网络切片的认知，起到宣传作用；另一方面，利于探索网络切片的应用场景、商业模式和产品形态。

表1 运营商网络切片相关白皮书Table 1 White paper on network slicing of operators

从展示内容看，运营商初期关注点主要集中在4K/8K 高清视频、VR/AR 直播互动、公交视频监控等高带宽需求的场景；同时也包含了远程手术、云游戏等低时延网络需求的场景和工业控制、智能电网控制等大连接网络需求的场景。

3.3 业务试点

目前运营商面向垂直行业重点领域进行网络切片试点验证，仍然处于实验网及定制化小规模阶段。

表3 梳理了运营商网络切片试点应用情况，主要集中在智慧园区、高清视频、智慧电网、云游戏、智慧医疗等诸多领域。

表2 运营商网络切片相关峰会展示Table 2 Presentation of relevant Summit on network slicing of operators

表3 运营商网络切片试点应用Table 3 Pilot application of network slicing for operators

一方面，运营商通过网络切片业务试点，希望探索可以复制的通用化行业解决方案。如面向云游戏场景，行业客户希望运营商提供足够灵活的切片业务，比如提供基于特定用户群的切片级业务保障、基于特定应用的切片级业务保障、基于特定区域的切片级业务保障等。

另一方面，通过业务试点为网络切片商业模式、产品形态、计费模式的设计提供参考。

3.4 行业实践趋势分析

随着运营商5G 网络切片相关实践的开展，目前趋势如下：

（1） 5G 网络切片的落地遵循5G 技术标准演进路线，应该首先会面向eMBB(增强移动宽带)业务提供端到端的SLA 保障。用户通常会根据自身行业特点需要多种类型的5G 切片以满足不同应用层场景需求，比如控制类业务的网络需要具备低时延、高可靠、高同步精度的能力；采集业务的网络需要具备高密度接入、低功耗的能力；交互类业务的网络需要具备高传输速率的能力。目前国内运营商已将5G 端到端切片系统的选型与部署等工作提上日程，前期会以eMBB 切片先行探索切片运营。

（2）近年来国内运营商通过拓展切片相关业务，孵化行业应用，为5G 网络切片的技术落地与商业模式积累宝贵经验。运营商借助行业龙头和解决方案提供商深度理解行业场景，更好地切入高壁垒、碎片化的行业市场。运营商面向垂直行业重点领域进行网络切片试点验证，目前主要集中在智慧园区、高清视频、智慧电网、云游戏、智慧医疗等诸多领域。

（3）国内运营商通过峰会展示、发布切片白皮书等形式，推动网络切片生态建设，面向广阔的垂直行业市场领域挖掘潜在客户，带动自身5G 网络切片市场高速发展。

4 结论与展望

5G 切片的上线与运营离不开切片管理系统。目前国内运营商普遍希望通过加强自身技术实力，以自主研发的方式打造统一的面向行业客户的CSMF系统，通过切片商品订单管理、商品管理等功能实现切片产品化。同时国内运营商面向无线网、传输网、核心网各专业领域，集约化打造NSMF 系统，将整个切片的SLA 分解为切片子网的SLA，实现端到端网络切片编排。

5G 网络切片业务的核心竞争力体现在是否能满足行业客户对网络差异化的诉求。近年来运营商在网络切片的相关实践中，一方面通过发布白皮书与各类通信峰会展示的方式，描绘5G 网络切片愿景与行业化解决方案，培育产业生态；另一方面通过试点应用针对性的为行业客户提供差异化保障的网络环境，同时积累实战经验，为5G 网络切片正式商用做好准备。

随着5G 网络切片技术和相关产业的逐步成熟，运营商仍然希望通过与行业客户的进一步深化合作，不断丰富5G 网络切片应用场景，促成新的商业模式和生态环境。

利益冲突声明

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