5G网络切片管理架构设计探讨

【摘 要】5G网络切片技术能够虚拟出多个不同特性的逻辑子网络，以满足5G不同场景应用的差异化需求，网络切片已成为5G网络的关键技术特征之一。而5G网络切片管理能力是实现5G网络切片的基础和保障。从5G切片关键技术入手，分析了5G网络切片管理需求，研究设计了5G网络切片管理的总体架构、信息模型、部署流程及功能框架，为5G网络切片管理系统建设提供参考。

网络切片；NFV管理与编排；NFV编排器；SDN编排器

1 引言

5G的愿景与需求是为了应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景，同时与行业深度融合，满足垂直行业终端互联的多样化需求，实现真正的万物互联，构建社会经济数字化转型的基石。

ITU为5G定义了eMBB（enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带）、mMTC（massive Machine Type Communications，海量大连接）、uRLLC（ultra-Reliable and Low Latency Communications，超高可靠低时延）三大应用场景。eMBB场景主要是传统业务的增强，典型应用包括高清视频、虚拟现实、增强现实等，这类场景对带宽要求高，交互类操作应用还对时延敏感。mMTC典型应用包括智慧城市、智能家居等。这类应用对连接密度要求较高，同时呈现行业多样性和差异化智慧城市中的抄表应用要求终端低成本、低功耗，网络支持海量连接的小数据包；视频监控不仅部署密度高，还要求终端和网络支持高速率；智能家居业务对时延要求相对不敏感，但终端可能需要适应不同家居电器工作环境的变化。uRLLC典型应用包括工业控制、无人机控制、智能驾驶等，这类场景聚焦对时延极其敏感的业务，高可靠性也是其基本要求。mMTC和uRLLC两个场景利用5G网络海量连接、高可靠和低时延的特性，与交通、医疗、电力等诸多行业深度融合，催生出各种各样改变人们社会生活方式的应用。

传统的4G核心网EPC（Evolved Packet Core，演进分组核心网）是集中式网络架构，只能服务于单一的移动终端，无法适用于多样化的物与物之间的连接。因此，网络切片技术“应运而生”，它能够让运营商在共享的硬件基础设施环境下切分出多个虚拟的端到端网络，每个网络切片从终端设备、接入网、传送网到核心网在逻辑上隔离，能适配各种应用场景的不同特征需求。网络切片技术能够虚拟出多个不同特性的5G逻辑子网络，以满足5G不同场景诸如工业控制、自动驾驶、远程医疗等各行业应用的差异化需求。

网络切片是5G网络的关键技术之一，旨在一张网络上提供定制化、相互隔离、质量可保证的端到端“专用网络”。而5G网络切片管理能力是实现5G网络切片的基础条件，因此，需要分析5G网络切片管理需求，研究设计5G网络切片管理的架构，为5G网络切片管理系统建设提供参考。

2 5G网络切片关键技术

SDN/NFV技术是实现5G网络切片的技术基础。实现灵活定制、安全隔离、质量可控的网络切片还需要以下技术进行支持：

（1）核心网子切片关键技术

5G核心网子切片关键技术包括灵活的切片组网、基于微服务的网络切片构建、切片的智能选择、切片的能力开放等关键技术。

1）切片灵活组网

根据SLA、成本、安全隔离等需求，核心网切片可以支持多种方式的灵活组网。

2）基于微服务的切片构建

服务化架构为5G网络基础架构，网络功能基于模块化拆解，解耦的网络功能可独立扩容、独立演进、按需部署。3GPP将5G核心网定义成标准的NF服务和公共服務，可通过可视化编排工具，灵活编排组装NF，形成所需的网络切片。

3）切片智能选择

5G核心网切片主要采用NSSF（Network Slice Selection Function）实现切片的选择。NSSF支持基于NSSAI（Network Slice Selection Assistance Information）、位置信息、切片容量等各种策略，智能化选择切片。基于位置信息可以实现全国、省市等大切片的部署，也可以实现工业园区、体育场馆、智慧小区等微小切片的部署。

4）切片的能力开放

通过服务化架构，5G核心网能力开放功能NEF（Network Exposure Function）可直接或者通过能力开放平台向外部应用提供网络服务，满足外部对网络服务能力的要求。

（2）无线网子切片关键技术

1）统一空口，支持切片

无线网基于统一的空口框架，采用灵活的帧结构设计。针对不同的切片需求，首先无线网为每个切片进行专用无线资源RB的分配和映射，形成切片间资源隔离，再进行帧格式、调度优先级等参数的配置，从而保证切片空口侧的性能需求。

2）灵活切分和部署

根据不同的业务场景以及资源情况，可以对无线网进行CU/DU功能的灵活切分和部署。eMBB场景对带宽要求比较高，对应时延要求差异较大，CU集中部署的位置需要根据业务时延要求来确定；mMTC场景对时延和带宽都无要求，可以尽量进行集中部署；uRLLC场景对时延要求极其苛刻，一般都采用共部署的方式，以降低传输时延。

（3）传送网子切片关键技术

1）基于SDN的传送网子切片

SDN实现了控制面和转发面的解耦，使得物理网络具有了开放、可编程的特性。控制面完成网络拓扑和资源统一管理、网络抽象、路径计算、策略管理等功能。基于层次化的SDN控制器，实现物理网络和切片网络的端到端统一控制和管理。

2）支持多种切片隔离技术

FlexE技术通过将一个或多个捆绑后的物理端口划分为多个逻辑端口实现切片，可实现带宽的灵活调整及逻辑端口之间的隔离。此外，还可以通过传统的VLAN、VPN等虚拟化技术，结合QoS、隧道技术等，实现网络软切片。

3 5G网络切片管理需求分析

5G网络切片管理需要承接CSMF（Communication Service Management Function，通信服务管理功能）的需求，串联起NSMF（Network Slice Management Function，网络切片管理功能）、NSSMF（Network Slice Subnet Management Function，网络切片子网管理功能）、虚拟化核心网、灵活调度的传送网、无线接入网以及相应的网管系统，为不同切片需求方（如垂直行业客户、虚拟运营商和企业用户等）提供安全隔离、灵活可控的专用逻辑网络。因此，5G网络切片管理需要支持以下能力：

（1）可视化切片编排设计

可视化切片编排设计是实现网络切片的重要基础。通过丰富的切片模板和服务组件，可以直接使用已有的切片模板进行参数调整生成新的切片；也可以通过增加、删除服务组件，生成新的切片模板，实现快速自定义的网络切片设计。可以通过切片模拟测试环境，对切片模板进行预部署，并提供丰富的切片自动化测试工具，形成从编排设计到正式部署上线的完整设计与测试能力验证。

（2）自动化切片部署

通过CSMF、NSMF、NSSMF和MANO（Manage-ment and Orchestrator，管理和编排）实现5G网络端到端切片的订购、编排、部署的自动化。其中租户或企业通过CSMF订购网络切片，并提交相关的需求，比如在线用户数、网络带宽、时延等要求。NSMF负责将CSMF的需求转化成切片需要的SLA，并分解到各个子切片的需求。NSSMF负责子网的编排和部署，其中虚拟化网络服务功能转化为网络服务NS模板，通过MANO进行部署。

（3）智慧化切片运营

从切片数据采集、监控分析，到网络切片调整实现闭环自动化，满足切片网络弹性调整、故障自愈，提高网络运维效率。能够提供业务->网络切片->网络子网切片->网元功能->资源的逐层关联监控，支持各层之间的协同，保障切片端到端的服务质量，并能提供切片拓扑、切片健康状况及SLA指标，满足运营商和客户的需求。

4 5G网络切片管理架构设计

4.1 5G网络切片管理总体架构

为了满足5G网络切片管理需求，5G网络切片管理总体架构需要实现端到端的切片管理能力，包括核心网子切片管理功能、传送网子切片管理功能、无线网子切片管理功能，如图1所示：

通信服务管理功能CSMF承接前端客户的网络切片业务需求，并将业务需求转换为网络需求；网络切片管理功能NSMF负责管理和编排网络切片实例NSI，协同各个子切片的编排与协同；网络切片子网管理功能NSSMF负责管理和编排切片子网实例NSSI。其中，核心网切片子网由MANO（包括NFVO、VNFM、VIM）及EMS共同完成核心网元的切片、部署与配置；传送网切片子网由SDN-O、传送网网管完成编排、部署与网络配置；无线网切片子网由无线EMS和MANO（在CU/DU分离并支持虚拟化部署的情况下）实现配置与部署。

4.2 5G网络切片信息模型

3GPP定义的切片信息模型如图2所示。

图2中左边为5G网络切片的管理模型，包括CSMF、NSMF、NSSMF、NFVO、VNFM、EM等管理功能；右边为5G网络切片被管对象信息模型，包括3GPP定义的Communication Service、Network Slice、Network Slice Subnet对象，也包括ETSI NFV定义的Network Service、Virtual Network Function、Physical Network Function对象。3GPP域和ETSI NFV域的映射关系如下：

（1）3GPP域中的管理对象网络切片、网络子切片，最终关联映射为ETSI NFV域的1～N个网络服务NS。一个网络切片模板NST或者网络子切片模板NSST最终可映射为1～N个网络服务模板NSD，一个网络切片实例NSI或者网络子切片实例NSSI最终部署为1～N个网络服务实例NS。

（2）3GPP域中的管理对象网络功能，最终关联映射为ETSI NFV域的VNF或者PNF。

（3）3GPP域的NSSMF与ETSI NFV域的NFVO交互，完成切片模板NST/NSST以及切片实例NSI/NSSI分别与NSD和NS的映射转换。

（4）3GPP域中NF的网络管理由EM负责，ETSI NFV域中VNF/PNF的网络管理也由EM负责。

用户需求从CSMF受理入口，经NSMF、NSSMF逐层分解并下发。NSSMF首先将网络服务的部署需求下发到NFVO完成网络服务部署，再将业务配置数据下发给EMS进行业务配置。切片部署开通完成后，NFVO将资源层的管理数据上报NSSMF，EMS将NF业务层的管理数据上报NSSMF，即由NSSMF负责子切片的整体运维管理。NSMF负责多个切片的端到端运维管理。

NSMF负责切片的生命周期管理和运维。切片是一个完整的逻辑网络，能提供业务需要的特定网络特性（面向业务描述），而网络服务是一组物理的或者是虚拟的NF集合，包含连接关系（面向网络描述）、切片或者子切片可以映射成一个网络服务实例。

4.3 5G网络切片部署流程

5G网络切片编排包含CN/RAN/TN三个子域的端到端协同，切片基本部署流程示例如图3所示。

流程说明如下：

（1）CSMF收到用户订购的通讯服务请求后，将用户需求转换为对切片的需求，选择相应的切片模型，并向NSMF下发切片SLA要求。

（2）NSMF將对切片的需求转换为CN/TN/RAN的1～N个子切片需求，下发给各个CN/TN/RAN NSSMF，指示需要预创建子切片。

（3）各个NSSMF将子切片需求转换为对NS（网络服务）的需求，下发给各自的NFVO/SDN-O。

（4）各个NFVO/SDN-O根据NS的需求进行资源预估，检查部署资源是否足够，并向NSSMF返回检查结果。

（5）NSMF向各个NSSMF发起实例化子切片的请求。

（6）各个NSSMF进行实例化部署：TN SDN-O的NS实例化会创建切片间或者切片内的传送网连接。CN NFVO和RAN NFVO的NS实例化过程中，NFVO通过VNFM、VIM交互完成NS内所有VNF的实例化。

（7）NSSMF在NS实例化结束后，触发子切片，对应配置数据下发给EM。

（8）EM将配置数据下发给管理的VNF，完成VNF配置数据的创建。

（9）NSSMF向NSMF返回子切片的创建结果。

（10）NSMF向CSMF返回切片的创建结果。

（11）CSMF向用户返回通信服务订购的结果。

其中，MANO部署相关的流程接口已经有相应的行业和企业标准，下一步需要细化制定CSMF、NSMF、NSSMF之间的接口标准，推动切片管理功能对接与落地。

4.4 5G网络切片管理功能框架

网络切片管理功能NSMF是实现5G端到端切片管理的根本保证，图4是网络切片管理功能框架。

主要功能包括：

（1）网络切片SLA管理：主要承接CSMF的需求，并将网络切片的需求拆分成對各个子切片的SLA要求。

（2）切片能力开放：将网络切片实例运维监控能力开放给切片租户，提供客户自服务能力。

（3）切片设计：提供切片模板设计，并对设计的切片模板进行验证测试，提高切片部署运营的成效。

（4）切片编排：根据切片模板编排并生成所需的网络切片实例，并对切片的全生命周期进行管理，包括切片的部署、弹性扩缩容、切片实例终止等。同时，要实现与子切片管理功能的适配与协同，负责将各个子切片的部署需求下发到子切片管理功能，跟踪各个子切片的部署过程及异常过程处理。

（5）切片运营：提供网络切片告警、性能的监控分析以及面向智慧运营的大数据分析能力。同时提供切片策略配置功能，满足网络切片自动化弹性调整、故障自愈等要求。

5 结束语

3GPP R15定义了切片管理的基本框架，但切片管理的详细功能需求、接口标准尚在制定中，总体而言，5G切片管理域的标准进展要慢于网络侧的标准进展。因此，为了推动5G网络切片管理支撑系统建设部署，一方面，可以充分利用运营商已有的SDN/NFV方面的支撑手段和实践经验，确保核心网子切片、传送网子切片能够满足未来5G切片管理需要；另一方面，需要加强网络切片设计、编排及管理方面的标准制定及技术研究，满足5G网络切片端到端服务提供与切片运维。

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