5G核心网关键技术网络切片分析

2020-12-20万能

通信电源技术 2020年24期

关键词：服务化核心网切片

万能

（广州杰赛科技股份有限公司，广东广州 510310）

0 引言

基于网络基础，联系若干逻辑网络形成网络切片。通过各个网络切片获取网络信息，由于各个切片彼此绝缘，故切片发生问题时不会干扰其他切片的通信过程。因此，设计切片的不同功能，在HD视频或终端机上应用不同切片，有效扩大了网络切片的应用范围。

1 5G核心网的网络架构

1.1 两种5G核心网架构呈现方式

5G核心网采取控制转发的形式成功分离架构，在移动性与会话管理中选择独立方式，除了对用户方面承载定义，会话还凭借QoS参数达到了设计标准。在不同的用户面，同步网元产生大量会话，管理网元时考虑若干控制面的特征，分别掌握本地分流与远端流量。5G的核心网架构借参考点方式和服务化架构方式两种方式体现。后者采取API方式传输开放性信令，传统的信令包括大量消息，利用API能力对类似封装数据科学调用，进而访问网元。服务化架构不再使用隧道模式，参考HTTP协议交换传输信令[1-3]。

1.2 两种5G核心网络状态模型

5G网络架构成功借鉴了IT系统服务化与微服务化的执行经验，以模块化方法与网络功能实行解耦与融合，从而达到独立扩容和按需设定的目的。控制面以服务化接口交互所有NF，这部分NF对相同服务有效调用，降低了NF接口的耦合度。根据实际要求设定整网功能，促进不同业务场景与需求的可持续发展。5G核心网络的定义由注册管理模型与连接管理模型两种状态模型实现。

1.2.1 注册管理模型

5G核心网科学界定了两种注册管理状态，对UE与AMF注册状态合理呈现，UE通过不同接入方式管理上下文，AMF保证科学配置UE与RM上下文。在3GPP与非3GPP之间合理判断共享身份，在全球范围内具有唯一的特点。任何接入类型均与注册状态对应，3GPP与周期注册计时器有效连接，而非3GPP忽略了这项操作[4,5]。另外，3GPP与非3GPP在UE注册区域内单独形成，IDLE状态下UE采取3GPP触发非3GPP。

1.2.2 连接管理模型

5G核心网对两种连接管理状态科学界定，采取NI连接UE与AMF之间的信令。但在UE与AME空间状态下无法借助NI对信令连接，UE、N2以及N3彼此分离。AMF在空间态下对UE呼出，根据网络发送业务请求。连接态在建立AN、AMF以及N2连接后，开启了网络连接态。

2 网络切片概述

5G网络的核心技术为网络切片，主要结合业务场景对网络实现定制，在各种网络切片之间共享资源。逻辑子网包括端与端间的网络切片，在若干领域内密切联系了核心网络、无线接入网以及传送网等。5G核心网与终端共同促进了切片的可持续发展，涉及了全部的操作程序，但对切片缺少有效的管理方式。无线网切片需具备一定的技术支撑，制定科学的方案，以独立形式对网切片设计。5G核心网通过切片管理进行定制，达到自行部署的目标[6]。

5G网络通过一个物理网络的不同逻辑网络切片达到不同服务能力的需求，如大带宽、低延迟、高可靠以及高速移动等。第三代合作伙伴计划这样定义网络切片，其是为达到5G网络建设目标的一个关键技术。

网络切片科学划分物理网络，得到很多虚拟网络，任何虚拟网络均是结构化且按需定制优化的。网络切片是基于物理网络形成的虚拟网络，它为应用者提供了一个环境。一个网络切片对应独立的拓扑、虚拟网络资源及流量，5G网络的不同用户利用多个网络切片达到传输的要求。例如，一个IoT工业网络切片需要一个轻型5G核，不用切换便实现了海量连接，而移动宽带切片需要大宽带和移动性支撑。

网络切片是一个端到端的逻辑网络，每个网络切片对应独立的结构或协议。5G网络切片包括5G无线接入网络切片、5G核心网以及终端用户设备，5G RAN切片基于物理无线资源和物理硬件达到共享操作。SDN和NFV科学配置虚拟网络资源，RAN切片和核心网切片在不同服务对象间实现共享，通过相同切片得到特定服务，这里涉及切片的选择性能，通过RAN和核心网切片共同建立一个端到端的切片。

3 基于NFV/SDN的5G网络切片实现和性能

3.1 基于NFV/SDN的网络切片实现

NFV与SDN技术为搭建5G平台提供了必要条件，NFV利用软硬件达到了分离的目标，围绕5G网络组建弹性平台，网络功能模块的组件化特征对控制功能合理设计。此外，NFV对网络功能与物理实体进行解耦操作，便于在网络内任意设定网元功能，按分配标准合理运用硬件资源，提高了利用资源的效率[9,10]。NFV技术有利于增强网络切片的安全性，其隔离特点包括以下6点。一是采取科学方法对数据隔离与存储。二是对数据方位控制的过程中进行有效保护，进一步得到可靠的数据。三是在同一物理机上隔离不同虚拟机之间的资源，避免窃取虚拟机之间的数据，保证虚拟机的资源使用不受附近虚拟机的干扰。终端用户使用虚拟机时，智能访问自己的虚拟机资源，无法对其他虚拟机的资源进行访问，如此达到了虚拟安全隔离的目的。四是网络传输的安全隔离。五是利用防火墙和传输加密等方法保证不同网络平面之间的互通。六是不同租户应隔离全部配置信息，包括虚拟机规格和虚拟机网络等，这部分配置信息可能携带私有描述信息和私有文件等，如共享可能泄露信息。

SDN增加了5G网络灵活性，基于SDN的网络是5G网络切片的实现引擎。成功分离网络设备的控制与转发功能，集中处置网络设备控制面。通过控制面的统一路由策略调度，科学调节网络拓扑和转发路由，以简单运维方法处置IP网络运行过程。分离后的转发面更简单，提高了标准化水平，保证了转发效率。运营商利用开放的API，在业务编排中提供便捷的网络服务，或借助第三方应用提高网络的增值水平。

5G系统利用SDN技术得到较大的灵活性和可编程性，灵活的网络架构可以较好地部署网络切片，且通过端到端的SDN架构进行实例化。网络切片根据任何标准实现定义，并利用SDN架构实现业务实例化，NGMN定义的网络切片是互相隔离的网络资源，而SDN架构通过支持客户端协议而有效隔离资源，此外5G网络的部署和商用过程非常漫长。在4G网络不断演化且与5G网络并存的过程中，SDN技术发挥了至关重要的作用。

3.2 基于NFV/SDN的网络切片性能

网络切片技术通过NFV和SDN技术实现。NFV应用虚拟化技术，借助NFVO分配网络应用的虚拟资源并在虚拟机上实现自动部署，SDN利用控制和转发操作，在SDN控制器上聚集网络控制功能，进一步综合控制转发业务的路径，保证每种业务均与QoS保障一一对应。

3.2.1 切片实现差异化

要想在不同场景内获得最佳的用户体验，NGMN提供了业界普遍承认的场景，设置了端到端的系统功能参数。围绕SLA指标设计不同类型的业务，若借网络推进有关业务，则增加了网络投入成本，威胁业务的顺利发展，若采取相同的基础设施承载业务，那么各种业务容易被QoS差异性影响。这部分问题通过5G网络切片技术化解，网络切片借终端订阅模式达到运营商的业务要求，将终端结合切片，联系SLA指标的时延性和可靠性等，科学组合公共切片与个性切片的业务功能，将差异化服务分别提供给客户。

3.2.2 切片降低网络复杂度

在2G/3G/4G系统中，不同网络功能产生强烈的依赖性，不同类型的通信业务均无法离开固定的网元，这样就造成网元出现重复，提高了网络的复杂度。5G时代网络切片技术利用NFVO集中部署网络功能，有利于每个网络切片获得对应的服务类型。切片间相互独立，如此提高了TTM部署的便捷性，有利于运营商简化网络操作程序。