網(wǎng)絡切片將成5G理想架構 商用部署仍面臨多重挑戰(zhàn)

　　ICCSZ  5G時代即將到來，基于移動網(wǎng)絡的應用也越來越豐富，為滿足眾多應用的差異化需求，在5G技術的研究過程中，網(wǎng)絡切片是討論最多的技術。網(wǎng)絡切片概念允許在每個網(wǎng)絡切片中容易地配置和重用網(wǎng)絡元件及功能以滿足特定的應用要求，因此眾多業(yè)界人士均認為網(wǎng)絡切片是5G時代的理想網(wǎng)絡架構。

　　網(wǎng)絡切片技術可以讓運營商在一個硬件基礎設施中切分出多個虛擬的端到端網(wǎng)絡，每個網(wǎng)絡切片在設備、接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)以及核心網(wǎng)方面實現(xiàn)邏輯隔離，適配各種類型服務并滿足用戶的不同需求。

　　對每一個網(wǎng)絡切片而言，網(wǎng)絡帶寬、服務質(zhì)量、安全性等專屬資源都可以得到充分保證。由于切片之間相互隔離，一個切片的錯誤或故障不會影響到其他切片的通信。網(wǎng)絡切片技術的優(yōu)勢使其在5G網(wǎng)絡中占有重要位置。

　　3GPP、NGMN、GSMA的網(wǎng)絡切片標準進展在5G大框架下滿足網(wǎng)絡對不同業(yè)務靈活支持的需求，不同標準組織如3GPP、NGMN、GSMA均對網(wǎng)絡切片展開了相關研究。

　　3GPP網(wǎng)絡切片標準進展

　　從2015年開始，3GPP啟動了5G相關的標準研究和制定工作，并計劃在R14~R16 3個大版本中完成相關標準的制定，網(wǎng)絡切片作為5G的重要技術，得到了3GPP的高度重視。SA1的場景研究、SA2的框架制定和SA5的網(wǎng)絡管理均對網(wǎng)絡切片制定了專門的課題。

　　SA1在TS22.261中把網(wǎng)絡切片作為5G的基礎能力進行了需求分析，認為網(wǎng)絡切片可以為運營商提供定制化的網(wǎng)絡，可以通過網(wǎng)絡切片這種方式滿足用戶在優(yōu)先級、計費、策略控制、安全、移動性等功能方面的差異化需求，以及在時延、可靠性、速率等性能方面的差異化的需求。

　　5G切片還可以服務于公共安全和MVNO等群組用戶，使網(wǎng)絡變得更為靈活。此外SA1工作組還要求后續(xù)制定的5G系統(tǒng)標準必須滿足上述切片的要求。

　　SA2工作組在TR23.799下一代網(wǎng)絡架構研究中提出了三大備選網(wǎng)絡切片場景。

　　方案A：核心網(wǎng)的所有功能均切片，在一個核心網(wǎng)的切片實例中既包括用戶面部分，也包括控制面部分。

　　方案B：核心網(wǎng)的控制面部分共享功能不切片，作為各切片的共享部分，用戶面及不適合共享的控制面功能切片。

　　方案C：核心網(wǎng)控制面不切片而且功能共享，僅用戶面切片。

　　經(jīng)討論決定，在R15之前僅考慮方案B(方案C做為方案B的特殊場景)的切片方案，即僅考慮用戶面和控制面的部分功能切片，如圖1所示。

圖1 方案B的網(wǎng)絡切片示意

　　此外，SA2工作組圍繞切片的選擇和實現(xiàn)等功能達成如下結論(詳見TS23.501規(guī)范的5.15章)。

　　• 網(wǎng)絡切片是包含接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的邏輯網(wǎng)絡，通過切片的形式提供相關的通信業(yè)務和網(wǎng)絡能力。網(wǎng)絡切片可以按照提供特性的不同來劃分，在提供相同特性的前提下，也可以通過切片來實現(xiàn)用戶分組。

　　• 終端通過提供網(wǎng)絡切片選擇輔助信息(NSSAI)來選擇和組建切片相關的實例，每一條網(wǎng)絡切片選擇輔助信息對應一個網(wǎng)絡切片，包含業(yè)務的類型及業(yè)務類型的差異因子。這個網(wǎng)絡切片選擇輔助信息可以是預配置的也可以是終端附著后從網(wǎng)絡獲取的。具備切片功能的網(wǎng)絡可以依據(jù)終端提供的網(wǎng)絡切片選擇輔助信息來為終端選擇切片。

　　• 用戶可以通過一個無線網(wǎng)絡同時接入多個核心網(wǎng)切片，這種場景下，所有這些切片由一個公共的接入和移動性管理模塊(AMF)來管理。

　　• 每個PDU會話只能由一個網(wǎng)絡切片管理。

　　• 由核心網(wǎng)而不是無線側來選擇為用戶服務的核心網(wǎng)切片實例，用戶被允許接入哪些網(wǎng)絡切片要寫入簽約數(shù)據(jù)中。

　　• 用戶的切片選擇功能可以通過網(wǎng)絡運營商提供網(wǎng)絡切片選擇策略(NSSP)來實現(xiàn)，這個策略包含切片選擇相關的規(guī)則，協(xié)助用戶完成切片的選擇功能。

　　目前SA2工作組針對切片選擇模塊是聯(lián)合已有模塊(如AMF)部署還是單獨部署，正在做進一步的討論和研究，對網(wǎng)絡切片的管理以及與傳輸?shù)年P聯(lián)等問題也在做進一步的確認和研究。

　　在網(wǎng)絡切片的管理方面，基于SA1/SA2/NGMN等標準組織對切片在管理和配置方面的需求，SA5工作組研究了對切片的管理和調(diào)度方法，以及跨多合作方、跨多域的切片管理，自動化地實現(xiàn)并管理不同切片之間資源的隔離。

　　為迎合更靈活的切片網(wǎng)絡，SA5已經(jīng)明確SON也將在5G中發(fā)揮重要的作用。目前針對網(wǎng)絡切片調(diào)度和管理的研究報告TR28.801即將完成。

　　NGMN網(wǎng)絡切片標準進展

　　NGMN在5G白皮書里介紹了網(wǎng)絡切片的概念，認為該技術可以基于業(yè)務的需求來靈活地選擇用戶面、控制面以及無線側的模塊和資源，可以優(yōu)化網(wǎng)絡資源分配，實現(xiàn)最大成本效率，滿足多元5G新業(yè)務的需求。

　　如圖2所示，將網(wǎng)絡切片定義為包含業(yè)務實例層、網(wǎng)絡切片實例層和資源層的綜合概念。業(yè)務實例層標識這個切片支持的業(yè)務，可以由網(wǎng)絡運營商或第三方提供;網(wǎng)絡切片實例層供運營商創(chuàng)建切片實例，資源層提供共享的資源供各切片實例使用。

圖2 NGMN定義的網(wǎng)絡切片概念

　　白皮書指出，為實現(xiàn)上述靈活的架構性，必須將用戶面和控制面完全分開，并在各模塊之間建立開放的連接。白皮書同時指出，模塊以及切片的粒度如何劃分是一個復雜的問題，細的粒度能帶來更好的靈活性，但是也會極大地提升管理和部署的復雜度。

　　GSMA網(wǎng)絡切片標準進展

　　GSMA作為移動運營商廣泛參與的組織，也非常重視網(wǎng)絡切片的相關研究及工業(yè)化應用。2017年GSMA專門成立了NEST項目組從事支持車輛應用的網(wǎng)絡切片相關研究，該工作組從2017年3月開始相關的研究工作，預計一年時間內(nèi)深化完成5G移動網(wǎng)絡如何更好地服務于車輛工業(yè)相關應用的研究并形成可供汽車工業(yè)參考的切片文檔。

　　為完成這一目標，目前GSMA已經(jīng)開展了汽車工業(yè)的需求收集以及針對性的網(wǎng)絡切片參數(shù)定義等工作。

　　國內(nèi)網(wǎng)絡切片測試已進入二階段2016年上半年，IMT-2020推進組聯(lián)合各單位制定了網(wǎng)絡切片測試規(guī)范，測試采取自愿原則，測試地點為各廠商實驗室，華為、中興、愛立信、上海諾基亞貝爾、大唐電信、英特爾等單位均參與了相應的測試，測試在2016年第三季度完成。

　　第一階段各廠商設備基本還處于原型機階段，測試主要注重功能性，圍繞切片模板、切片的生命周期管理、切片選擇、切片共享、切片的多接入、切片的維護、切片的業(yè)務指標等特性共20多個用例展開測試。

　　目前正在討論第二階段的測試規(guī)范，計劃測試切片選擇、切片的編排能力、聯(lián)動擴展以及典型切片的業(yè)務能力驗證等內(nèi)容，預計2017年6月底凍結測試規(guī)范。第二階段的測試進一步增加了功能項并注重可用性，測試統(tǒng)一在中國信通院進行。

　　部署、管理和應用面臨重重挑戰(zhàn)從前面的分析中可以看出，目前有關網(wǎng)絡切片的標準還在制定及完善過程中，業(yè)界可進行的測試也還停留在實驗室階段。作為移動運營商，除了關心技術研究的進展，更關心切片的部署、管理和應用。網(wǎng)絡切片在達到商業(yè)部署的要求之前，有如下問題要重點關注和解決。

　　切片劃分的粒度和靈活性切片之所以被大家關注，因為可以通過網(wǎng)絡細分的方式滿足多種業(yè)務以及不同用戶組的需求。劃分多少切片以及切片的粒度如何是部署過程中不能回避的復雜問題。切片粒度過大容易導致靈活性不夠，不能很好地滿足差異化服務的要求;切片粒度過細會極大地提升管理和部署復雜度。另外，由于切片之間的資源不能動態(tài)共享，過細的切片粒度也會降低網(wǎng)絡資源的利用率。

　　切片的最大優(yōu)勢在于業(yè)務的靈活發(fā)布和部署，針對切片部署上的靈活性不同運營商也有不同的看法，有些運營商希望切片能非常靈活地部署，如同4G的策略控制架構一樣具有一定的實時性。還有一些運營商認為過于靈活的切片可能會提升網(wǎng)絡管理方面的成本與風險，畢竟穩(wěn)定性與可靠性也是網(wǎng)絡重要的考量指標，并且新業(yè)務的發(fā)布也不是一蹴而就的，需要大量的商業(yè)準備和分析。

　　端到端的切片實現(xiàn)NGMN在5G白皮書中提到的5G切片愿景是端到端的網(wǎng)絡切片的實現(xiàn)，不僅包含核心網(wǎng)用戶面與控制面的切片，也包含無線側的切片，只有端到端的切片和網(wǎng)絡細化才能滿足特殊場景在時延、安全性等方面的特殊要求。

　　目前無線側的切片研究停留在對核心網(wǎng)切片功能的支持上，還沒有單獨考慮無線切片的場景。基于現(xiàn)有的核心網(wǎng)切片功能并不能很好地滿足典型業(yè)務場景的差異化需求，缺失了無線側的網(wǎng)絡切片不能很好地體現(xiàn)切片的價值和優(yōu)勢，不可能得到很好地商業(yè)推動。無線側切片功能什么時候完成給端到端切片應用帶來了技術上的不確定性。

　　切片虛擬化管理SDN/NFV是切片技術實現(xiàn)的基石，切片功能要納入虛擬化的管理與調(diào)度系統(tǒng)中，3GPP SA5已經(jīng)開展了相關的研究工作。受限于SA2及RAN架構研究的進展，目前SA5在切片管理方面還沒有給出明確的結論。另外，虛擬化的管理如何提高響應速度來保證切片的靈活可靠實現(xiàn)也需要繼續(xù)進行深入研究。

　　切片的后向兼容問題在TS23.501的切片場景分析中，針對5G的三大典型應用，目前明確提出的有eMBB、uRLLC和mMTC三大業(yè)務場景。考慮到對現(xiàn)有網(wǎng)絡的兼容性，能不能把4G網(wǎng)絡作為5G的一個特殊切片來管理和接納?

　　如果技術上可行，將可以避免考慮4G與5G之間復雜的互操作問題，保護現(xiàn)有投資，并可極大方便現(xiàn)網(wǎng)用戶。

　　切片的應用5G從誕生之初就被大家寄予厚望，希望5G能滿足eMBB、uRLLC和mMTC等多種復雜應用場景的需求。基于不同應用對網(wǎng)絡需求的不同，網(wǎng)絡切片在5G的架構下應運而生，好的應用和好的商業(yè)模式是網(wǎng)絡發(fā)展的原動力。

　　希望在5G部署時，網(wǎng)絡不再是管道和數(shù)據(jù)搬運工，而是在部署之初就粘合了應用和用戶的豐富網(wǎng)絡。為此，切片在誕生之初要更好地關注應用需求，在技術規(guī)范制定時要聯(lián)合行業(yè)內(nèi)的典型應用，在部署時更要和應用聯(lián)合部署。

　　目前，GSMA已經(jīng)開展了相應的工作，針對汽車行業(yè)的切片需求和組網(wǎng)成立了專門的項目組進行了研究，目前在需求的討論中并沒有汽車生產(chǎn)或者運營企業(yè)活躍地參與。要想把切片真正用好，從技術制定到網(wǎng)絡試驗再到運營都少不了應用企業(yè)的參與，只有這樣才能開發(fā)好切片應用的市場。

　　作者：中國電信股份有限公司技術創(chuàng)新中心 李金艷 楊峰義 梅承力