0 引言

    切片技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)的重要特性，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)切割成多個(gè)虛擬的端到端的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)之間(包括接入、傳輸和核心網(wǎng))邏輯獨(dú)立，任何一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障都不會影響到其他的虛擬網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)優(yōu)勢在于運(yùn)營商基于業(yè)務(wù)場景的需要，自主定義切片對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)特性，包括延遲、速率、連接密度、頻譜效率、流量容量和網(wǎng)絡(luò)效率等，通過網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性保證用戶體驗(yàn)。同時(shí)，單個(gè)切片更改和添加在網(wǎng)絡(luò)管理層面具有獨(dú)立性，無需考慮對網(wǎng)絡(luò)其他部分的影響。當(dāng)前3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的網(wǎng)絡(luò)切片管理是基于業(yè)務(wù)需要的單向管理系統(tǒng)，本文提出一種基于網(wǎng)絡(luò)能力開放的5G切片管理方法，通過網(wǎng)絡(luò)開放能力反饋切片管理所需網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，更好地實(shí)現(xiàn)切片管理的靈活性和時(shí)效性。

1 切片管理系統(tǒng)

    5G移動通信涵蓋增強(qiáng)型移動寬帶(eMMB)、高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)和海量機(jī)器通信(mMTC)三類典型場景^[1]。不同場景對網(wǎng)絡(luò)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(wù)QoS方案難以滿足5G業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)性能的嚴(yán)苛需求，迫切需要網(wǎng)絡(luò)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(luò)切片技術(shù)，通過對網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理，為不同業(yè)務(wù)分配相互隔離，并能夠滿足業(yè)務(wù)需求的資源，滿足不同業(yè)務(wù)的不同網(wǎng)絡(luò)性能需求。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，5G通過引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network，SDN)與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Functions Virtualization，NFV)技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲與網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理。

1.1 端到端切片管理架構(gòu)

    網(wǎng)絡(luò)切片的目的在于根據(jù)不同業(yè)務(wù)迥然不同的業(yè)務(wù)需求靈活地進(jìn)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(luò)切片勢必難以達(dá)到其應(yīng)有的效果。因此，5G對網(wǎng)絡(luò)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(gòu)，實(shí)現(xiàn)對各類資源及QoS的端到端管理。5G網(wǎng)絡(luò)的端到端切片管理架構(gòu)如圖1所示。

    該管理架構(gòu)采用橫縱兩個(gè)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(luò)切片管理功能則在橫向維度上協(xié)調(diào)各個(gè)部分的子切片，完成端到端切片的構(gòu)建。主要功能組件包括：通信服務(wù)管理模塊(Communication Service Management Function，CSMF)、網(wǎng)絡(luò)切片管理功能(Network Slice Management Function，NSMF)、網(wǎng)絡(luò)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(luò)切片分配的資源情況與網(wǎng)絡(luò)切片類型以及其所提供的服務(wù)密切相關(guān)，網(wǎng)絡(luò)切片管理過程中需要通過參數(shù)表明切片性能指標(biāo)，以指導(dǎo)切片資源分配的過程。

    網(wǎng)絡(luò)切片必須滿足其上運(yùn)行業(yè)務(wù)的服務(wù)等級(Service Level Agreement，SLA)的要求，該要求可以通過網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行描述。單個(gè)切片的管理參數(shù)分為三類：描述切片服務(wù)質(zhì)量的QoS參數(shù)、描述切片服務(wù)能力的容量參數(shù)和描述其所支持業(yè)務(wù)類型的業(yè)務(wù)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(shí)際需求分解至各個(gè)子網(wǎng)。

    表1展示了網(wǎng)絡(luò)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(wù)應(yīng)用需求；

    (2)CSMF進(jìn)行用戶需求進(jìn)行轉(zhuǎn)化，獲取業(yè)務(wù)需求對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片需求，并將得到的網(wǎng)絡(luò)切片需求下發(fā)給CSMF；

    (3)NSMF根據(jù)CSMF分解得到的網(wǎng)絡(luò)切片需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例的創(chuàng)建，向各子切片分解網(wǎng)絡(luò)子切片需求，并將網(wǎng)絡(luò)子切片需求向各個(gè)子網(wǎng)的NSSMF下發(fā)；

    (4)各子網(wǎng)的NSSMF將其收到的網(wǎng)絡(luò)子切片需求轉(zhuǎn)換為對網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行可用性驗(yàn)證，結(jié)束切片創(chuàng)建流程。

1.4 切片運(yùn)營架構(gòu)

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

1.5 當(dāng)前存在的挑戰(zhàn)

    網(wǎng)絡(luò)切片作為5G的重要特性，受到了業(yè)界的極大關(guān)注，盡管3GPP、ETSI、CCSA等標(biāo)準(zhǔn)化組織已針對5G網(wǎng)絡(luò)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(yùn)維難度大：網(wǎng)絡(luò)切片按需定制、實(shí)時(shí)部署、靈活保障的特性在為網(wǎng)絡(luò)帶來巨大靈活性的同時(shí)，也帶來了網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜性。端到端切片除了要求網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)端到端的切片管理，更是要求網(wǎng)絡(luò)能夠支持從物理層到應(yīng)用層的跨層關(guān)聯(lián)管理能力，使得網(wǎng)絡(luò)管理與運(yùn)維更為復(fù)雜。

    (2)配置參數(shù)選擇困難：網(wǎng)絡(luò)切片配置包含QoS相關(guān)參數(shù)（時(shí)延、帶寬、抖動等）、容量參數(shù)（用戶數(shù)等）、業(yè)務(wù)相關(guān)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(wù)場景的需求描述，這就要求切片管理系統(tǒng)能夠準(zhǔn)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(yàn)。

    (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(yīng)的切片實(shí)例，用戶上線之后，無法在負(fù)荷狀態(tài)下對該切片運(yùn)行實(shí)時(shí)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(luò)中引入智能分析系統(tǒng)，通過對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實(shí)施性的監(jiān)控和分析，并基于網(wǎng)絡(luò)的開放能力將相關(guān)信息開放給切片管理系統(tǒng)，基于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析做出更合理的切片管理決策，達(dá)到提升切片管理的時(shí)效性和針對性的目的。

2 5G能力開放系統(tǒng)架構(gòu)和典型應(yīng)用

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

2.1 5G能力開放系統(tǒng)架構(gòu)

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

    網(wǎng)絡(luò)能力開放的邏輯架構(gòu)如圖5所示，包括3個(gè)層次：應(yīng)用層、開放層/平臺層、能力層。

    (1)應(yīng)用層：第三方平臺位于最高層，是能力開放的需求方。運(yùn)營商或與運(yùn)營商簽約的第三方業(yè)務(wù)按照服務(wù)協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)能力進(jìn)行安全的調(diào)用；

    (2)開放層/平臺層：網(wǎng)絡(luò)能力開放層北向與應(yīng)用層互通，南向與能力連接，支持網(wǎng)絡(luò)能力的安全開放。對內(nèi)（網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)能力的數(shù)據(jù)提取、分析、匯聚和業(yè)務(wù)發(fā)布，對外針對不同業(yè)務(wù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)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(guān)；

    (3)能力層：提取網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用場景

    5G網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(shí)通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲（UDR）完成不同NF相關(guān)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(jì)費(fèi)能力和分析報(bào)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(yīng)用提供可用于5G系統(tǒng)中UE的信息，策略/計(jì)費(fèi)能力用于根據(jù)外部方的應(yīng)用請求來執(zhí)行UE的QoS和計(jì)費(fèi)策略，分析報(bào)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(dá)成“網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用結(jié)合”的關(guān)鍵技術(shù)手段，5G能力開放與5G網(wǎng)絡(luò)切片的結(jié)合在諸多方面為5G網(wǎng)絡(luò)在垂直行業(yè)的應(yīng)用帶來了諸多便利^[5-6]：

    (1)管理運(yùn)維自動化：借助NEF提供的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，提高網(wǎng)絡(luò)切片在切片設(shè)計(jì)、部署使能、重配置、故障檢測與修復(fù)方面的自動化程度；

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

    (3)網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力集成到網(wǎng)絡(luò)中，從而嵌入到終端用戶業(yè)務(wù)流程中。

3.1 基于能力開放的切片管理架構(gòu)

    5G切片管理中，網(wǎng)絡(luò)能力開放系統(tǒng)為切片管理與優(yōu)化提供系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，供運(yùn)營商對切片網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全局管理優(yōu)化的同時(shí)，還可以為切片租戶提供可供用戶進(jìn)行切片訂購信息更新的數(shù)據(jù)，包括切片運(yùn)行情況、業(yè)務(wù)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(gòu)。各個(gè)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(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，并通過能力開放子系統(tǒng)將相關(guān)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù)向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他網(wǎng)元共享。上述架構(gòu)能夠提供包括切片配置、網(wǎng)絡(luò)切片數(shù)據(jù)采集、切片資源重配置在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)切片管理自循環(huán)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(luò)切片能力進(jìn)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(yīng)用。

    在用戶創(chuàng)建切片時(shí)，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(wù)信息、接入用戶信息、業(yè)務(wù)信息、QoS指標(biāo)(速率、端到端時(shí)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(yùn)行狀態(tài)、切片用戶信息、服務(wù)質(zhì)量等信息。能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行自適應(yīng)的生命周期管理(如擴(kuò)縮容)和負(fù)載均衡；能夠?qū)崟r(shí)感知用戶的QoS和QoE，進(jìn)行針對性的配置調(diào)整，更好地滿足用戶需求，提升業(yè)務(wù)感受；對于網(wǎng)絡(luò)發(fā)生的故障，能力開放系統(tǒng)也能向切片管理系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)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(gè)切片管理系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)完整的閉環(huán)，能夠?qū)崿F(xiàn)切片參數(shù)配置的自循環(huán)。在該架構(gòu)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(shè)計(jì)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(jìn)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(luò)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，將這些信息進(jìn)行匯總，通過切片管理入口或能力開放API將切片運(yùn)行狀態(tài)信息實(shí)時(shí)告知切片租戶，以保證租戶依據(jù)切片實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)整；

    (3)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)通過對運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，可以根據(jù)相關(guān)策略計(jì)算切片的優(yōu)化策略，并通過切片管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)局部的切片資源優(yōu)化；

    (4)針對切片運(yùn)行過程出現(xiàn)的故障，網(wǎng)絡(luò)能力開放子系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能將相關(guān)的故障信息經(jīng)由切片管理入口或能力開放API實(shí)現(xiàn)故障的及時(shí)通告；

    (5)針對可恢復(fù)的故障，能力開放子系統(tǒng)可依據(jù)相關(guān)策略配置情況將故障信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)自愈策略模塊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤信息的自動糾錯(cuò)。

    圖7展示了在5G網(wǎng)絡(luò)切片管理中可以采用的3種自循環(huán)結(jié)構(gòu)，這3種結(jié)構(gòu)通過反饋機(jī)制實(shí)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(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算局部最優(yōu)的自切片運(yùn)行參數(shù)。該循環(huán)及時(shí)性強(qiáng)，能夠?qū)崟r(shí)感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，迅速做出決策，能夠快速提升網(wǎng)絡(luò)切片SLA；但是該循環(huán)缺乏全局性，無法實(shí)現(xiàn)整個(gè)切片的參數(shù)優(yōu)化，容易產(chǎn)生資源的浪費(fèi)。

    (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(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù)對切片參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，能夠持久地提升網(wǎng)絡(luò)切片的用戶體驗(yàn)。該自循環(huán)通過全局參數(shù)優(yōu)化，保證整體網(wǎng)絡(luò)資源利用率達(dá)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(yīng)對突發(fā)的網(wǎng)絡(luò)狀況。

    (3)參數(shù)模板優(yōu)化自循環(huán)：在創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)切片時(shí)，通常以參數(shù)模板的形式傳遞創(chuàng)建切片的性能指標(biāo)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(luò)內(nèi)使用的切片參數(shù)進(jìn)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(luò)能力開放與網(wǎng)絡(luò)切片的結(jié)合進(jìn)行闡釋。智能電網(wǎng)需要在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中通過對網(wǎng)絡(luò)切片的閉環(huán)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)用戶體驗(yàn)與網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)端閉環(huán)。近端閉環(huán)通過獲取網(wǎng)絡(luò)局部狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)感知網(wǎng)絡(luò)SLA的變化，并根據(jù)感知到的SLA變動，實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)地對網(wǎng)絡(luò)部署與參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；遠(yuǎn)端優(yōu)化則是指通過對全網(wǎng)狀態(tài)信息的長期運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集與分析，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率及SLA感知的結(jié)果，采用非實(shí)時(shí)的方式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的方向，繼而實(shí)現(xiàn)周期性的網(wǎng)絡(luò)自動化調(diào)整。上述兩種優(yōu)化方案都要求網(wǎng)絡(luò)具備向相關(guān)監(jiān)測與分析模塊提交網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù)的能力。

4 結(jié)論

    網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)作為5G最熱點(diǎn)技術(shù)和必選技術(shù)之一，需要從管理的靈活性和時(shí)效性上進(jìn)一步加強(qiáng)。本文從5G網(wǎng)絡(luò)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(shí)效性強(qiáng)的特性和優(yōu)勢，相互結(jié)合，通過能力開放系統(tǒng)為5G切片的管理提供了增強(qiáng)的解決方案。

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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(shù)創(chuàng)新中心，北京102209)