網(wǎng)絡(luò)切片將成5G理想架構(gòu) 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(luò)的應(yīng)用也越來越豐富，為滿足眾多應(yīng)用的差異化需求，在5G技術(shù)的研究過程中，網(wǎng)絡(luò)切片是討論最多的技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)切片概念允許在每個網(wǎng)絡(luò)切片中容易地配置和重用網(wǎng)絡(luò)元件及功能以滿足特定的應(yīng)用要求，因此眾多業(yè)界人士均認為網(wǎng)絡(luò)切片是5G時代的理想網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

　　網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以讓運營商在一個硬件基礎(chǔ)設(shè)施中切分出多個虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)切片在設(shè)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(wù)并滿足用戶的不同需求。

　　對每一個網(wǎng)絡(luò)切片而言，網(wǎng)絡(luò)帶寬、服務(wù)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(luò)切片技術(shù)的優(yōu)勢使其在5G網(wǎng)絡(luò)中占有重要位置。

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

　　3GPP網(wǎng)絡(luò)切片標準進展

　　從2015年開始，3GPP啟動了5G相關(guān)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(guān)標準的制定，網(wǎng)絡(luò)切片作為5G的重要技術(shù)，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(luò)管理均對網(wǎng)絡(luò)切片制定了專門的課題。

　　SA1在TS22.261中把網(wǎng)絡(luò)切片作為5G的基礎(chǔ)能力進行了需求分析，認為網(wǎng)絡(luò)切片可以為運營商提供定制化的網(wǎng)絡(luò)，可以通過網(wǎng)絡(luò)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(wù)于公共安全和MVNO等群組用戶，使網(wǎng)絡(luò)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(luò)架構(gòu)研究中提出了三大備選網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(jié)論(詳見TS23.501規(guī)范的5.15章)。

　　• 網(wǎng)絡(luò)切片是包含接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的邏輯網(wǎng)絡(luò)，通過切片的形式提供相關(guān)的通信業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)能力。網(wǎng)絡(luò)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(luò)切片選擇輔助信息(NSSAI)來選擇和組建切片相關(guān)的實例，每一條網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息對應(yīng)一個網(wǎng)絡(luò)切片，包含業(yè)務(wù)的類型及業(yè)務(wù)類型的差異因子。這個網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息可以是預(yù)配置的也可以是終端附著后從網(wǎng)絡(luò)獲取的。具備切片功能的網(wǎng)絡(luò)可以依據(jù)終端提供的網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)切片管理。

　　• 由核心網(wǎng)而不是無線側(cè)來選擇為用戶服務(wù)的核心網(wǎng)切片實例，用戶被允許接入哪些網(wǎng)絡(luò)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(luò)運營商提供網(wǎng)絡(luò)切片選擇策略(NSSP)來實現(xiàn)，這個策略包含切片選擇相關(guān)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(luò)切片的管理以及與傳輸?shù)年P(guān)聯(lián)等問題也在做進一步的確認和研究。

　　在網(wǎng)絡(luò)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(luò)，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(luò)切片調(diào)度和管理的研究報告TR28.801即將完成。

　　NGMN網(wǎng)絡(luò)切片標準進展

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

　　如圖2所示，將網(wǎng)絡(luò)切片定義為包含業(yè)務(wù)實例層、網(wǎng)絡(luò)切片實例層和資源層的綜合概念。業(yè)務(wù)實例層標識這個切片支持的業(yè)務(wù)，可以由網(wǎng)絡(luò)運營商或第三方提供;網(wǎng)絡(luò)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(luò)切片概念

　　白皮書指出，為實現(xiàn)上述靈活的架構(gòu)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(fù)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(fù)雜度。

　　GSMA網(wǎng)絡(luò)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(luò)切片的相關(guān)研究及工業(yè)化應(yīng)用。2017年GSMA專門成立了NEST項目組從事支持車輛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)切片相關(guān)研究，該工作組從2017年3月開始相關(guān)的研究工作，預(yù)計一年時間內(nèi)深化完成5G移動網(wǎng)絡(luò)如何更好地服務(wù)于車輛工業(yè)相關(guān)應(yīng)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(luò)切片參數(shù)定義等工作。

　　國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(yīng)的測試，測試在2016年第三季度完成。

　　第一階段各廠商設(shè)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(wù)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(wù)能力驗證等內(nèi)容，預(yù)計2017年6月底凍結(jié)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(yīng)用面臨重重挑戰(zhàn)從前面的分析中可以看出，目前有關(guān)網(wǎng)絡(luò)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(guān)心技術(shù)研究的進展，更關(guān)心切片的部署、管理和應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)切片在達到商業(yè)部署的要求之前，有如下問題要重點關(guān)注和解決。

　　切片劃分的粒度和靈活性切片之所以被大家關(guān)注，因為可以通過網(wǎng)絡(luò)細分的方式滿足多種業(yè)務(wù)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(fù)雜問題。切片粒度過大容易導(dǎo)致靈活性不夠，不能很好地滿足差異化服務(wù)的要求;切片粒度過細會極大地提升管理和部署復(fù)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(luò)資源的利用率。

　　切片的最大優(yōu)勢在于業(yè)務(wù)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(gòu)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(luò)管理方面的成本與風(fēng)險，畢竟穩(wěn)定性與可靠性也是網(wǎng)絡(luò)重要的考量指標，并且新業(yè)務(wù)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(luò)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(cè)的切片，只有端到端的切片和網(wǎng)絡(luò)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(cè)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?；诂F(xiàn)有的核心網(wǎng)切片功能并不能很好地滿足典型業(yè)務(wù)場景的差異化需求，缺失了無線側(cè)的網(wǎng)絡(luò)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(cè)切片功能什么時候完成給端到端切片應(yīng)用帶來了技術(shù)上的不確定性。

　　切片虛擬化管理SDN/NFV是切片技術(shù)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(guān)的研究工作。受限于SA2及RAN架構(gòu)研究的進展，目前SA5在切片管理方面還沒有給出明確的結(jié)論。另外，虛擬化的管理如何提高響應(yīng)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(yīng)用，目前明確提出的有eMBB、uRLLC和mMTC三大業(yè)務(wù)場景。考慮到對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的兼容性，能不能把4G網(wǎng)絡(luò)作為5G的一個特殊切片來管理和接納?

　　如果技術(shù)上可行，將可以避免考慮4G與5G之間復(fù)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(yīng)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(fù)雜應(yīng)用場景的需求?；诓煌瑧?yīng)用對網(wǎng)絡(luò)需求的不同，網(wǎng)絡(luò)切片在5G的架構(gòu)下應(yīng)運而生，好的應(yīng)用和好的商業(yè)模式是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的原動力。

　　希望在5G部署時，網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用和用戶的豐富網(wǎng)絡(luò)。為此，切片在誕生之初要更好地關(guān)注應(yīng)用需求，在技術(shù)規(guī)范制定時要聯(lián)合行業(yè)內(nèi)的典型應(yīng)用，在部署時更要和應(yīng)用聯(lián)合部署。

　　目前，GSMA已經(jīng)開展了相應(yīng)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(shù)制定到網(wǎng)絡(luò)試驗再到運營都少不了應(yīng)用企業(yè)的參與，只有這樣才能開發(fā)好切片應(yīng)用的市場。

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