0 引言

    切片技術是5G網(wǎng)絡的重要特性，該技術可實現(xiàn)將一個物理網(wǎng)絡切割成多個虛擬的端到端的網(wǎng)絡，每個虛擬網(wǎng)絡之間(包括接入、傳輸和核心網(wǎng))邏輯獨立，任何一個虛擬網(wǎng)絡發(fā)生故障都不會影響到其他的虛擬網(wǎng)絡。網(wǎng)絡切片技術優(yōu)勢在于運營商基于業(yè)務場景的需要，自主定義切片對應的網(wǎng)絡特性，包括延遲、速率、連接密度、頻譜效率、流量容量和網(wǎng)絡效率等，通過網(wǎng)絡配置的靈活性保證用戶體驗。同時，單個切片更改和添加在網(wǎng)絡管理層面具有獨立性，無需考慮對網(wǎng)絡其他部分的影響。當前3GPP標準定義的網(wǎng)絡切片管理是基于業(yè)務需要的單向管理系統(tǒng)，本文提出一種基于網(wǎng)絡能力開放的5G切片管理方法，通過網(wǎng)絡開放能力反饋切片管理所需網(wǎng)絡參數(shù)和運行狀態(tài)，更好地實現(xiàn)切片管理的靈活性和時效性。

1 切片管理系統(tǒng)

    5G移動通信涵蓋增強型移動寬帶(eMMB)、高可靠低時延通信(uRLLC)和海量機器通信(mMTC)三類典型場景^[1]。不同場景對網(wǎng)絡性能的需求迥異，單純沿用類似于3G/4G中面向移動寬帶業(yè)務QoS方案難以滿足5G業(yè)務對網(wǎng)絡性能的嚴苛需求，迫切需要網(wǎng)絡具備可以面向不同場景的用戶需求按需定制的能力。5G系統(tǒng)引入網(wǎng)絡切片技術，通過對網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一管理，為不同業(yè)務分配相互隔離，并能夠滿足業(yè)務需求的資源，滿足不同業(yè)務的不同網(wǎng)絡性能需求。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡切片技術，5G通過引入軟件定義網(wǎng)絡(Software Defined Network，SDN)與網(wǎng)絡功能虛擬化(Network Functions Virtualization，NFV)技術實現(xiàn)計算、存儲與網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一管理。

1.1 端到端切片管理架構

    網(wǎng)絡切片的目的在于根據(jù)不同業(yè)務迥然不同的業(yè)務需求靈活地進行資源分配。在資源分配的過程中，如果無線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)各自為政，缺乏全局的資源調(diào)配，網(wǎng)絡切片勢必難以達到其應有的效果。因此，5G對網(wǎng)絡切片采用橫跨無線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)的端到端切片管理架構，實現(xiàn)對各類資源及QoS的端到端管理。5G網(wǎng)絡的端到端切片管理架構如圖1所示。

    該管理架構采用橫縱兩個維度協(xié)同管理的方案。其中，縱向維度的無線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)各自完成針對其自身的管理功能；網(wǎng)絡切片管理功能則在橫向維度上協(xié)調(diào)各個部分的子切片，完成端到端切片的構建。主要功能組件包括：通信服務管理模塊(Communication Service Management Function，CSMF)、網(wǎng)絡切片管理功能(Network Slice Management Function，NSMF)、網(wǎng)絡切片子網(wǎng)管理功能(Network Slice Subnet Management Function，NSSMF)。

1.2 切片管理參數(shù)

    5G網(wǎng)絡切片分配的資源情況與網(wǎng)絡切片類型以及其所提供的服務密切相關，網(wǎng)絡切片管理過程中需要通過參數(shù)表明切片性能指標，以指導切片資源分配的過程。

    網(wǎng)絡切片必須滿足其上運行業(yè)務的服務等級(Service Level Agreement，SLA)的要求，該要求可以通過網(wǎng)絡參數(shù)進行描述。單個切片的管理參數(shù)分為三類：描述切片服務質量的QoS參數(shù)、描述切片服務能力的容量參數(shù)和描述其所支持業(yè)務類型的業(yè)務參數(shù)^[2]。切片管理過程中，切片管理系統(tǒng)需要將切片參數(shù)依據(jù)實際需求分解至各個子網(wǎng)。

    表1展示了網(wǎng)絡切片管理所需參數(shù)及將其分解至子切片的一種分解方式。

1.3 端到端切片創(chuàng)建

    圖2為端到端切片創(chuàng)建的基本流程^[3]，步驟如下：

    (1)用戶提出業(yè)務應用需求；

    (2)CSMF進行用戶需求進行轉化，獲取業(yè)務需求對應的網(wǎng)絡切片需求，并將得到的網(wǎng)絡切片需求下發(fā)給CSMF；

    (3)NSMF根據(jù)CSMF分解得到的網(wǎng)絡切片需求進行網(wǎng)絡切片實例的創(chuàng)建，向各子切片分解網(wǎng)絡子切片需求，并將網(wǎng)絡子切片需求向各個子網(wǎng)的NSSMF下發(fā)；

    (4)各子網(wǎng)的NSSMF將其收到的網(wǎng)絡子切片需求轉換為對網(wǎng)絡功能的需求，并調(diào)用MANO和EMS完成子切片的管理編排和參數(shù)配置；

    (5)CSMF對部署的切片進行可用性驗證，結束切片創(chuàng)建流程。

1.4 切片運營架構

    5G網(wǎng)絡切片基于網(wǎng)絡切片即服務（Network Slice as a Service，NSaaS）的形式進行運營，能夠提供包括切片定制部署、計費、數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡可用性保障等能力，如圖3所示?；谇衅芾黹T戶構建面向切片用戶(服務提供商、行業(yè)和家庭用戶)的切片管理能力。

1.5 當前存在的挑戰(zhàn)

    網(wǎng)絡切片作為5G的重要特性，受到了業(yè)界的極大關注，盡管3GPP、ETSI、CCSA等標準化組織已針對5G網(wǎng)絡切片開展了大量研究，但在切片管理上還存在諸多挑戰(zhàn)。

    (1)管理運維難度大：網(wǎng)絡切片按需定制、實時部署、靈活保障的特性在為網(wǎng)絡帶來巨大靈活性的同時，也帶來了網(wǎng)絡管理的復雜性。端到端切片除了要求網(wǎng)絡實現(xiàn)端到端的切片管理，更是要求網(wǎng)絡能夠支持從物理層到應用層的跨層關聯(lián)管理能力，使得網(wǎng)絡管理與運維更為復雜。

    (2)配置參數(shù)選擇困難：網(wǎng)絡切片配置包含QoS相關參數(shù)（時延、帶寬、抖動等）、容量參數(shù)（用戶數(shù)等）、業(yè)務相關參數(shù)（覆蓋、安全性等）等多種參數(shù)，而租戶對于切片的要求通常是基于業(yè)務場景的需求描述，這就要求切片管理系統(tǒng)能夠準確理解切片租戶的需求，并合理分解為SLA參數(shù)，以保證用戶能獲得良好的體驗。

    (3)切片管理的盲目性：切片管理系統(tǒng)基于租戶要求創(chuàng)建對應的切片實例，用戶上線之后，無法在負荷狀態(tài)下對該切片運行實時監(jiān)控和調(diào)整，存在管理上的盲目性。

    針對上述切片管理中的挑戰(zhàn)，可以嘗試在網(wǎng)絡中引入智能分析系統(tǒng)，通過對網(wǎng)絡狀態(tài)實施性的監(jiān)控和分析，并基于網(wǎng)絡的開放能力將相關信息開放給切片管理系統(tǒng)，基于網(wǎng)絡運行的實時數(shù)據(jù)分析做出更合理的切片管理決策，達到提升切片管理的時效性和針對性的目的。

2 5G能力開放系統(tǒng)架構和典型應用

    5G標準架構中引入了網(wǎng)絡開放功能(Network Exposure Function，NEF)，NEF通過服務化接口(Service-Based Interface，SBI)與網(wǎng)絡功能單元(Network Function，NF)交互。網(wǎng)絡能力開放的目的是向第三方應用開發(fā)者提供所需的網(wǎng)絡能力，包括及時準確的用戶狀態(tài)信息、定制化的網(wǎng)絡功能參數(shù)、基于動態(tài)DPI的靈活QoS策略、個性化切片和流量路徑管理等，從而更加精細化和智能化地滿足外部對網(wǎng)絡服務的要求。

2.1 5G能力開放系統(tǒng)架構

    3GPP定義的5G網(wǎng)絡能力開放架構如圖4所示，能力開放架構包括應用層、網(wǎng)絡能力開放、其他網(wǎng)絡功能等組成部分^[1]。

    網(wǎng)絡能力開放的邏輯架構如圖5所示，包括3個層次：應用層、開放層/平臺層、能力層。

    (1)應用層：第三方平臺位于最高層，是能力開放的需求方。運營商或與運營商簽約的第三方業(yè)務按照服務協(xié)議對網(wǎng)絡能力進行安全的調(diào)用；

    (2)開放層/平臺層：網(wǎng)絡能力開放層北向與應用層互通，南向與能力連接，支持網(wǎng)絡能力的安全開放。對內(nèi)（網(wǎng)絡）進行網(wǎng)絡能力的數(shù)據(jù)提取、分析、匯聚和業(yè)務發(fā)布，對外針對不同業(yè)務進行網(wǎng)絡能力的封裝和按需編排，并提供調(diào)用的統(tǒng)一API接口和網(wǎng)關；

    (3)能力層：提取網(wǎng)絡中的各種可開放能力，通過能力開放層對外開放和發(fā)布，接受能力開放層的管理和調(diào)用。

2.2 能力開放典型應用場景

    5G網(wǎng)絡能力開放支持外部開放和內(nèi)部開放^[4]。對于內(nèi)部開放而言，5G各功能實體NF通過NEF向其他各NF開放能力和事件，完成內(nèi)部NF信息的交互，同時通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲（UDR）完成不同NF相關信息的存儲訪問；對于外部開放而言，分為監(jiān)控能力、參數(shù)配置能力、策略/計費能力和分析報告等開放能力。監(jiān)測能力用于監(jiān)測5G系統(tǒng)中UE的具體事件，并通過NEF將監(jiān)控信息向外部開放，參數(shù)配置能力允許外部方應用提供可用于5G系統(tǒng)中UE的信息，策略/計費能力用于根據(jù)外部方的應用請求來執(zhí)行UE的QoS和計費策略，分析報告功能允許外部方獲取或訂閱/取消訂閱5G系統(tǒng)生成的分析信息。

3 基于能力開放系統(tǒng)的5G切片管理

    作為達成“網(wǎng)絡與應用結合”的關鍵技術手段，5G能力開放與5G網(wǎng)絡切片的結合在諸多方面為5G網(wǎng)絡在垂直行業(yè)的應用帶來了諸多便利^[5-6]：

    (1)管理運維自動化：借助NEF提供的網(wǎng)絡實時運行信息，提高網(wǎng)絡切片在切片設計、部署使能、重配置、故障檢測與修復方面的自動化程度；

    (2)網(wǎng)絡能力可編排：將網(wǎng)絡能力原子化，使網(wǎng)絡能力能夠靈活地嵌入行業(yè)業(yè)務流程，滿足不同用戶的多樣化需求；

    (3)網(wǎng)絡能力按需開放：通過NEF向行業(yè)客戶開放安全、可控的業(yè)務與數(shù)據(jù)接口；

    (4)行業(yè)集成：根據(jù)行業(yè)客戶的需求，將行業(yè)用戶提供的某些基礎網(wǎng)絡能力集成到網(wǎng)絡中，從而嵌入到終端用戶業(yè)務流程中。

3.1 基于能力開放的切片管理架構

    5G切片管理中，網(wǎng)絡能力開放系統(tǒng)為切片管理與優(yōu)化提供系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，供運營商對切片網(wǎng)絡進行全局管理優(yōu)化的同時，還可以為切片租戶提供可供用戶進行切片訂購信息更新的數(shù)據(jù)，包括切片運行情況、業(yè)務數(shù)據(jù)反饋信息及切片分析系統(tǒng)反饋的分析信息等。

    圖6描述了一種基于能力開放的切片管理架構。各個子切片內(nèi)地網(wǎng)管系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將本切片內(nèi)的網(wǎng)絡運行數(shù)據(jù)進行匯總分析，并通過能力開放子系統(tǒng)將相關網(wǎng)絡運行數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡內(nèi)其他網(wǎng)元共享。上述架構能夠提供包括切片配置、網(wǎng)絡切片數(shù)據(jù)采集、切片資源重配置在內(nèi)的網(wǎng)絡切片管理自循環(huán)，實現(xiàn)網(wǎng)絡切片管理的自動化。

3.2 切片管理的能力開放需求

    通過對網(wǎng)絡切片能力進行抽象，可以開放切片訂購、切片創(chuàng)建、切片簽約以及切片監(jiān)控等開放能力API，供第三方通過能力調(diào)用的方式完成切片快速定義、創(chuàng)建以及面向終端用戶的切片動態(tài)簽約與應用。

    在用戶創(chuàng)建切片時，需要提供一定的交互方式以保證用戶可以指定其所需的切片信息，如切片類型信息、切片業(yè)務信息、接入用戶信息、業(yè)務信息、QoS指標(速率、端到端時延)、安全性要求等。

    切片監(jiān)控能力則要求能力開放系統(tǒng)能夠向切片管理系統(tǒng)提供切片運行狀態(tài)、切片用戶信息、服務質量等信息。能夠實時監(jiān)控網(wǎng)絡運行狀態(tài)，進行自適應的生命周期管理(如擴縮容)和負載均衡；能夠實時感知用戶的QoS和QoE，進行針對性的配置調(diào)整，更好地滿足用戶需求，提升業(yè)務感受；對于網(wǎng)絡發(fā)生的故障，能力開放系統(tǒng)也能向切片管理系統(tǒng)進行報告。

3.3 切片參數(shù)配置自循環(huán)

    在圖6中，借助能力開放系統(tǒng)，整個切片管理系統(tǒng)構成了一個完整的閉環(huán)，能夠實現(xiàn)切片參數(shù)配置的自循環(huán)。在該架構中，能力開放子系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)交互的核心，在切片管理過程中發(fā)揮了重要的作用：

    (1)接收用戶通過管理入口或直接調(diào)用API發(fā)來的切片設計參數(shù)信息，并將該信息發(fā)送給切片編排管理子系統(tǒng)進行切片的創(chuàng)建與管理；

    (2)該子系統(tǒng)還要接收切片網(wǎng)絡的實時運行信息，將這些信息進行匯總，通過切片管理入口或能力開放API將切片運行狀態(tài)信息實時告知切片租戶，以保證租戶依據(jù)切片實時運行狀況進行調(diào)整；

    (3)網(wǎng)絡內(nèi)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)通過對運行數(shù)據(jù)的分析，可以根據(jù)相關策略計算切片的優(yōu)化策略，并通過切片管理子系統(tǒng)實現(xiàn)局部的切片資源優(yōu)化；

    (4)針對切片運行過程出現(xiàn)的故障，網(wǎng)絡能力開放子系統(tǒng)應當能將相關的故障信息經(jīng)由切片管理入口或能力開放API實現(xiàn)故障的及時通告；

    (5)針對可恢復的故障，能力開放子系統(tǒng)可依據(jù)相關策略配置情況將故障信息發(fā)送給網(wǎng)絡自愈策略模塊，實現(xiàn)網(wǎng)絡錯誤信息的自動糾錯。

    圖7展示了在5G網(wǎng)絡切片管理中可以采用的3種自循環(huán)結構，這3種結構通過反饋機制實現(xiàn)了切片管理參數(shù)的優(yōu)化管理。

    (1)子切片參數(shù)優(yōu)化自循環(huán)：子切片參數(shù)自循環(huán)通過分析子切片內(nèi)的實時運行數(shù)據(jù)，計算局部最優(yōu)的自切片運行參數(shù)。該循環(huán)及時性強，能夠實時感知網(wǎng)絡狀態(tài)，迅速做出決策，能夠快速提升網(wǎng)絡切片SLA；但是該循環(huán)缺乏全局性，無法實現(xiàn)整個切片的參數(shù)優(yōu)化，容易產(chǎn)生資源的浪費。

    (2)切片參數(shù)優(yōu)化自循環(huán)：針對子切片的資源利用率不足的問題，切片參數(shù)優(yōu)化自循環(huán)可以依據(jù)長期的網(wǎng)絡運行數(shù)據(jù)對切片參數(shù)進行優(yōu)化，能夠持久地提升網(wǎng)絡切片的用戶體驗。該自循環(huán)通過全局參數(shù)優(yōu)化，保證整體網(wǎng)絡資源利用率達到較高的水平，能夠做到資源利用率與SLA水平的平衡；但是該循環(huán)的反饋速度慢，不利于應對突發(fā)的網(wǎng)絡狀況。

    (3)參數(shù)模板優(yōu)化自循環(huán)：在創(chuàng)建網(wǎng)絡切片時，通常以參數(shù)模板的形式傳遞創(chuàng)建切片的性能指標要求。然而，固定的參數(shù)配置格式、種類繁多的參數(shù)組合方式無疑為用戶創(chuàng)建切片增加了困難。而通過對網(wǎng)絡內(nèi)使用的切片參數(shù)進行分析，獲取不同類型切片的參數(shù)的最優(yōu)組合方案，并作為模板提供給用戶，則可以使切片的創(chuàng)建過程對用戶更為友好。

3.4 基于能力開放的切片管理舉例

    以智能電網(wǎng)為例，對5G網(wǎng)絡能力開放與網(wǎng)絡切片的結合進行闡釋。智能電網(wǎng)需要在復雜網(wǎng)絡中通過對網(wǎng)絡切片的閉環(huán)優(yōu)化實現(xiàn)用戶體驗與網(wǎng)絡資源利用率的最優(yōu)。智能電網(wǎng)采取的切片優(yōu)化策略分為兩種：近端閉環(huán)與遠端閉環(huán)。近端閉環(huán)通過獲取網(wǎng)絡局部狀態(tài)信息，實時感知網(wǎng)絡SLA的變化，并根據(jù)感知到的SLA變動，實時/準實時地對網(wǎng)絡部署與參數(shù)進行調(diào)整；遠端優(yōu)化則是指通過對全網(wǎng)狀態(tài)信息的長期運行數(shù)據(jù)的收集與分析，綜合考慮網(wǎng)絡運行效率及SLA感知的結果，采用非實時的方式計算網(wǎng)絡優(yōu)化的方向，繼而實現(xiàn)周期性的網(wǎng)絡自動化調(diào)整。上述兩種優(yōu)化方案都要求網(wǎng)絡具備向相關監(jiān)測與分析模塊提交網(wǎng)絡運行數(shù)據(jù)的能力。

4 結論

    網(wǎng)絡切片技術作為5G最熱點技術和必選技術之一，需要從管理的靈活性和時效性上進一步加強。本文從5G網(wǎng)絡切片管理的短板和局限性方面著手，充分利用5G能力開放的時效性強的特性和優(yōu)勢，相互結合，通過能力開放系統(tǒng)為5G切片的管理提供了增強的解決方案。

參考文獻

[1] 3GPP TS 23.501 V15.3.0.System architecture for the 5G system；stage 2(release 15)[S].2018.

[2] 3GPP TS 28.530 V16.0.0.Management and orchestration；concepts，use cases and requirements(release 16)[S].2019.

[3] 3GPP TS 28.531 V16.3.0.Management and orchestration；provisioning；(release 16)[S].2019.

[4] CCSA TC5WG12 2018B52.5G移動通信網(wǎng)絡能力開放研究[Z].2018.

[5] IMT 2020(5G)推進組.基于AI的智能網(wǎng)絡切片管理和協(xié)同[R/OL].(2019-07-xx)[2019-12-11].http：//www.caict.ac.cn/kxyj/qwfb/bps/201907/P020190718325426069227.pdf.

[6] 中國電信，國家電網(wǎng)，華為.5G網(wǎng)絡切片使能智能電網(wǎng)[Z].2019.

作者信息:

李紅祎，趙一榮，李金艷，朱雪田

(中國電信股份有限公司技術創(chuàng)新中心，北京102209)