5G网络切片技术的管理与5G组网应用分析

    田涛

    

    

    

    【摘要】? ? 本文主要围绕5G网络切片技术展开，首先介绍了5G切片技术的概述，然后简述了5G的核心网、无线网切片技术，重点对在切片技术影响下5G网络组网应用进行介绍，最后对5G组网的业务应用提出畅想。

    【关键词】? ? 5G? ? 网络切片? ?SA? ?NSA? ? 端到端? ? 网络架构

    引言：

    随着5G牌照的发放，中国通信技术正式向5G时代迈进。毫无疑问，通信技术推动了数字化转型，为中国乃至全球的GDP增长做出了巨大的贡献。向未来畅想，移动通信技术将将深入到社会的各个层面，涉及到汽车、制造、物流、能源、医疗、教育、金融等行业各个领域。伴隨着移动通信需求的爆炸式增长，各个行业不同的业务类型也带来了对网络的差别需求，比如，像金融领域的一些客户需要可靠性极高的服务，而像观看8K视频的一些客户需要超高的带宽，还有像电子竞技的一些客户需要极低的延迟。大量的数据证明，如果通过一张网承载各个行业的不同业务，会增大网络建设成本，降低运营效率。所以5G网络的工程建设中，应当考虑到功能、时延、带宽、安全性以及使用效率等多个方面，用以满足不同业务的需求。

    一、5G网络切片技术概述

    网络切片，是一种基于统一的基础设施的网络，为不同需求类型用户提供定制的差异化网络功能和服务功能。不同的切片不互相影响，彼此隔离，根据用户的需求对网络的功能进行定制，网络体系结构需要提供非常高的灵活性。

    网络切片为用户提供的是端到端的特别定制网络服务，所谓端到端就是说切片技术不仅涉及核心网，还包括了管理网、接入网、传输网、支撑网等等。特别定制则是根据需求对其进行生命周期进行管理的同时，按照不同的需求制网络切片的承载业务、连接关系、实现功能、容量与服务质量。

    在网络中完成端到端的网络切片技术服务时，关联到的各个域的技术指标、网络能力、参数数据都可以独立设置，互不影响，按照客户需求灵活调整，从而解决切片的端到端的网络带宽、服务质量、安全性等问题。

    5G网络建设中，在设计阶段，网络切片技术的设计，主要是从商业应用的设计以及切片的设计两个方面入手，针对不同的需求和特点开展设计，主要目的是在解决不同行业、不同领域对于网络能力的差异性要求，实现网络的灵活化管理配置。同时，网络切片技术也是运营商业务改革的重要体现标志之一，基于 SDN/ NFV技术，通过软件的方式，给与用户更为简单直接的按需定制服务方式，从而展开全新的业务形式。

    从网络切片的优势以及特点考虑，5G网络必须从动态的角度来解决切片问题，即实时调配、管理和优化网络切片，以满足不同应用场景的需要，如：增强型移动宽带 eMBB、超可靠低延时业务 uRLLC、海量机械类通信 mMTC等。

    为了达到端到端的网络切片的目的，不仅包括核心网的支撑，同时还包括了传输网、无线网、接入网和终端共同参与。在3GPP R15版本标准中，明确了网络切片得到NG运行侧支持的主要原则和要求，包括了切片的感知、运行侧支持资源隔离和切片资源管理、运行侧网络切片选择、切片对 QoS的支持、UE对多切片的支持和 UE的切片访问验证、切片的颗粒度、 运行对实体的选择。

    二、 5G网络切片的管理

    随着标准的演进和技术的发展，网络切片技术大量增加了网络的灵活性，但也给网络的管理带来了麻烦，实现切片端到端的管理工作需要一个高度智能化的系统平台。该平台具有拖放切片设计环境，实现了端到端布局的自动化部署，人工智能的自动运行，并贯穿整个过程，灵活分配业务需求和网络资源，满足客户快速定制和部署的需求。网络切片的管理逐渐成为人们关注的焦点。

    2.1 网络切片管理系统与其他系统的交互

    和传统的通信网络一样，5G网络系统包括接入网、传输网、核心网以及终端用户。5G系统要求对不同类型的流量负载以及不同的终端用户能够提供对多样的通信服务的最佳保障。

    5G切片管理系统要求可以直接管理传统网络部分组件的同时，对非传统领域，也能够各个管理系统协同工作。因此切片管理系统要满足和各类型管理系统交互的需求。

    当通信用户向移动、联通、电信等通信运营商发送请求，请求的通信服务会同时包含切片部分和非切片部分，切片部分直接由5G网络切片管理功能完成端到端的通信服务，而非切片部分则由3GPP其余系统支撑，并需要5G网络切片管理功能与其他系统交互协作完成端到端的通信服务。而根据5G网络切片的管理架构，这种交互方式分为三种，即：通信服务管理功能（CSMF）向3GPP其余系统转发非切片的需求，切片管理功能（NSMF）向3GPP其余系统转发非切片的需求，切片子网管理功能（NSSMF）向3GPP其余系统转发非切片的需求。

    1.通信服务管理功能（CSMF）向3GPP其余系统转发非切片的需求：通信服务管理功能（CSMF）接收到的通信服务业务分为切片和非切片的部分，可以直接通过5G系统的切片管理直接处理切片部分，非切片部分交由其余系统管理处理。根据切片管理架构，CSMF要为切片部分选择合适的切片管理功能（NSMF），然后根据需求，为非切片部分选择合适的其余系统。

    2.切片管理功能（NSMF）向3GPP其余系统转发非切片的需求：切片管理功能（NSMF）接收到的通信服务业务分为切片和非切片的部分，在为切片部分选择合适的切片子网管理功能（NSSMF）的同时，根据收到的需求将非切片部分匹配到合适的其余系统中。

    3.切片子网管理功能（NSSMF）向3GPP其余系统转发非切片的需求：切片子网管理功能（NSSMF）接收到的通信服务业务分为切片和非切片的部分，在为切片部分选择合适的NFVO的同时，根据收到的需求将非切片部分匹配到合适的其余系统中。

    三、 5G组网应用分析

    对5G的切片技术的研究，最终要服务于5G的组网与应用，在3GPP 5G网络架构标准化进程中，根据是否与4G LTE存在双连接关系，提出了NSA（Non-Standalone）与SA（standalone）两种组网方式。NSA即LTE与5G联合组网，SA则是5G独立组网。

    3.1 NSA架构

    NSA网络架构采用的是Option 3x的组网方案，核心网采用的则是EPC+的组网方案，作为5G信令接入的锚点的LTE eNB，负责提供用户面的信令及数据传输服务;作为用户面数据的锚点的5G gNB，则是负责5G网络和LTE网络之间的数据分流功能，用户终端通过双连接的方式同时接入5G网络和4G网络。NSA模式下，要求5G/4G同厂商。

    图1? ? Options 3x架构及接口

    3.2 SA架构

    图2? ? SA网络架构

    SA网络架构采用的是Option 2的组网方案，核心网采用的是全新的5GC组网方案，5G gNB和5GC的连接进行5G独立组网，用户终端通过回落或是切换等互操作到4G网络。

    四、 5G组网对应的业务分析

    目前，网络切片技术存在的主要问题表现在虚拟网络映射、动态服务功能链阶段和NFV-RA第二阶段这三个方面。5G网络片面临着四个挑战：带宽大、延迟低、连接灵活、时间同步精度高。因此，就需要在组网时充分的了解网络特征及相关业务，从而匹配相应的技术。

    5G网络是业务驱动的网络，网络特征及相关业务的主要分类入下图所示：

    图3? ? 5G网络属性及业务相关业务

    根据上述业务特性，根据5G网络发展的阶段区分，参考某运营商分析数据，预计在2019～2020年的5G发展初期主要开展VR直播、VR点播、超高清视频、个人桌面云等业务;2021～2023年的中期，开展VR游戏、VR社交、无人机巡检、远程驾驶智能电网等业务;2024年以后，开展自动驾驶、无线医疗-远程手术、智能制造-云化机器人等业务。

    5G语音业务据目前国际规范的初步规范，NAS组网方案（option3x）下语音业务考虑采用VoLTE或VoNR，CSFB做为备用方案，SA（option2）组网下，过渡方案采取始终由LTE提供语音业务，5G仅提供数据业务。第一种为EPS Fallback，即5G覆盖范围内，语音业务触发PS HO，语音和数据都回落LTE，第二种为双注册方案，5G和4G重叠覆盖，终端双天线，语音只走LTE。目标方案则为5G同时提供语音和数据业务，5G覆盖范围内，通过5G+IMS提供业务;通话过程离开5G覆盖，由PS HO保证5G和LTE的连续性。

    五、结束语

    5G网络切片技术是5G核心技术之一，其从端到端的组网设计至最终核心管理系统的交互完成了5G通信的全过程。

    在当前的5G网络应用过程中，從基本内涵和具体应用上保证网络在不同业务要求下的顺利使用是必要的。与此同时，网络切片的应用情况也会直接的影响到各种网络技术的发展。5G的发展是当前移动网络产业的重中之重，基于根据需求进行的灵活配置的网络切片技术而形成的5G网络组网方式，必将带来运营模式、技术应用、商业模式的重大变革。

    参? 考? 文? 献

    [1]乔楚.5G 网络端到端切片技术研究[J].通信技术，2018，51（9）：2092-2101.

    [2]于立华，张宏宇.未来5G 网络切片技术关键问题分析[J].中国新通信，2017，19（19）：85.

    [3]张雪贝，赫罡.高功应.5G网络切片的管理与编排研究[J].邮电设计技术，2018增刊.