石宇

　　中國移動通信集團設計院有限公司四川分公司，四川 成都 610045

　　摘要:本文主要探討5G核心網(wǎng)中網(wǎng)絡切片的實現(xiàn)方案。網(wǎng)絡切片是5G核心網(wǎng)的重要特征之一,可以為不同的業(yè)務提供定制化的網(wǎng)絡服務。本文首先介紹了網(wǎng)絡切片的概念、特征和實現(xiàn)原理,然后重點分析了5G核心網(wǎng)中網(wǎng)絡切片的實現(xiàn)方案,包括切片管理、切片選擇、切片Isolation等方面。最后,對網(wǎng)絡切片的關鍵技術(shù)如SDN/NFV、云化平臺進行了討論,并展望了網(wǎng)絡切片技術(shù)的發(fā)展趨勢。

　　關鍵詞:5G;核心網(wǎng);網(wǎng)絡切片;SDN;NFV

　　一、網(wǎng)絡切片概述

　　1.1 定義和特征

　　網(wǎng)絡切片是5G核心網(wǎng)的重要創(chuàng)新之一,它可以將物理網(wǎng)絡劃分為多個邏輯網(wǎng)絡切片,每個網(wǎng)絡切片都可以具備獨立的網(wǎng)絡功能。按照3GPP的定義,網(wǎng)絡切片是一種利用網(wǎng)絡資源虛擬化技術(shù),將物理網(wǎng)絡劃分成多個邏輯網(wǎng)絡的方式,每個邏輯網(wǎng)絡都具有獨立的網(wǎng)絡功能,滿足不同垂直行業(yè)的定制化需求�？傮w來說,網(wǎng)絡切片具有資源隔離性、服務定制性、可擴展性和高可靠性等優(yōu)點,可以為5G網(wǎng)絡提供差異化的定制化服務。這對于支持5G多樣化業(yè)務提出了極高的要求。

　　1.2 實現(xiàn)原理

　　5G核心網(wǎng)采用全新的基于云化和軟件定義的架構(gòu),實現(xiàn)網(wǎng)絡切片的關鍵技術(shù)包括軟件定義網(wǎng)絡(SDN)、網(wǎng)絡功能虛擬化(NFV)和云化平臺。具體實現(xiàn)原理如下:

　　(1)控制平面和數(shù)據(jù)平面分離:采用SDN架構(gòu),將控制平面和數(shù)據(jù)平面分離開來,形成中心化的控制器;

　　(2)網(wǎng)絡功能虛擬化:采用NFV技術(shù)將傳統(tǒng)網(wǎng)絡設備上的功能轉(zhuǎn)換為虛擬網(wǎng)絡功能(VNF),運行于通用服務器之上;

　　(3)資源虛擬化:使用虛擬化技術(shù)(如虛擬機和容器)實現(xiàn)底層計算、存儲和網(wǎng)絡資源的虛擬化,為VNF提供執(zhí)行環(huán)境;

　　(4)云化管理:采用云化管理平臺對網(wǎng)絡資源進行統(tǒng)一編排和管理,快速實現(xiàn)網(wǎng)絡切片;

　　(5)切片管理:開發(fā)切片管理功能,負責切片實例的創(chuàng)建、管理和刪除工作。

　　二、5G核心網(wǎng)中網(wǎng)絡切片實現(xiàn)方案

　　2.1 切片管理平面設計

　　5G核心網(wǎng)中的切片管理平面負責對網(wǎng)絡切片的生命周期進行管理,包括切片實例的創(chuàng)建、激活、更新、釋放等操作。切片管理平面由切片管理函數(shù)和網(wǎng)絡切片子網(wǎng)管理函數(shù)兩個部分組成。切片管理函數(shù)位于運營商管理域,負責切片的設計、創(chuàng)建和全生命周期管理。它與管理流程相關的網(wǎng)絡能力開放接口相連,可以創(chuàng)建修改刪除切片實例,并連接各個子網(wǎng)的管理函數(shù)。子網(wǎng)管理函數(shù)負責管理子網(wǎng)資源,將物理和虛擬資源組合成網(wǎng)絡切片子網(wǎng)實例。

　　切片管理平面設計的關鍵點包括:1)提供切片模板庫,通過模板快速創(chuàng)建切片實例;2)實現(xiàn)切片管理函數(shù)間的協(xié)調(diào),保證端到端切片管理;3)提供切片性能和故障監(jiān)控能力;4)支持切片自動擴展和縮減的策略;5)支持切片實例遷移;6)提供切片實例的防信道安全機制。

　　2.2 切片選擇機制

　　切片選擇是用戶設備接入5G核心網(wǎng)后,根據(jù)業(yè)務需求選擇合適網(wǎng)絡切片實例的過程�？紤]到不同行業(yè)用戶的差異化需求,5G核心網(wǎng)需要支持多種切片選擇機制來實現(xiàn)切片的快速選擇。

　　典型的切片選擇機制包括:1)基于訪問類的切片選擇,即基站根據(jù)用戶承載類型選擇合適的切片;2)基于用戶訂閱的切片選擇,核心網(wǎng)根據(jù)用戶的訂閱信息選擇對應切片;3)基于第三方服務的切片選擇,用戶根據(jù)第三方服務提供商的指示選擇相關切片。

　　2.3 切片隔離方案

　　由于網(wǎng)絡切片之間共享同一物理基礎設施,如何保證不同切片之間的隔離是一個關鍵問題。5G核心網(wǎng)需要從計算、存儲和網(wǎng)絡三個層面實施切片隔離。

　　計算隔離可以通過虛擬化技術(shù)實現(xiàn)切片之間vCPU和內(nèi)存的邏輯隔離。存儲隔離可以通過給每個切片分配獨立的存儲空間進行保障。網(wǎng)絡隔離一般采用區(qū)分切片的數(shù)據(jù)平面和控制平面,包括為每個切片分配獨立的VRF實例、地址空間、策略控制等。

　　另外,可以考慮通過 Davies-Bouldin index、 silhouette coefficient等指標對切片隔離性能進行評估。通過多層面的隔離技術(shù)和定量評估,可以有效保證5G網(wǎng)絡切片之間的安全隔離,避免切片間的相互干擾。

　　三、關鍵技術(shù)分析

　　3.1 SDN與網(wǎng)絡切片

　　SDN(軟件定義網(wǎng)絡)是實現(xiàn)5G網(wǎng)絡切片的基礎。SDN通過控制平面和數(shù)據(jù)平面分離,實現(xiàn)了網(wǎng)絡的軟件化和規(guī)程化,使網(wǎng)絡控制邏輯集中化,便于自動化配置。

　　SDN對實現(xiàn)網(wǎng)絡切片有以下作用:1)提供基于軟件的控制平面,通過控制器實現(xiàn)對網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一管理和編排;2)使用開放接口,實現(xiàn)控制平面和數(shù)據(jù)平面的解耦,使得網(wǎng)絡切片的控制邏輯可以靈活配置;3)可編程的控制平面,可以進行網(wǎng)絡切片的自主控制與管理。總體來說,SDN為5G核心網(wǎng)提供了實現(xiàn)網(wǎng)絡切片的可編排的基礎設施,是網(wǎng)絡切片的關鍵啟用技術(shù)。

　　3.2 NFV與網(wǎng)絡切片

　　NFV(網(wǎng)絡功能虛擬化)是使用 IT 虛擬化相關技術(shù)實現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡功能軟件化的一種網(wǎng)絡架構(gòu)方式。NFV對實現(xiàn)5G網(wǎng)絡切片至關重要。

　　NFV使得網(wǎng)絡功能可以基于標準服務器實現(xiàn)軟件化,并通過虛擬資源管理平臺,將VNF可靈活調(diào)度和組合,以構(gòu)建不同的網(wǎng)絡切片實例。NFV實現(xiàn)了5G核心網(wǎng)從專用硬件到軟件的轉(zhuǎn)變,使得網(wǎng)絡切片可以像云服務一樣快速交付。

　　NFV還可以通過網(wǎng)絡功能的在線軟件升級,實現(xiàn)切片的快速迭代,大大提高了5G核心網(wǎng)的靈活性。因此,NFV是構(gòu)建5G網(wǎng)絡切片的基本實現(xiàn)技術(shù)。

　　3.3 云化平臺與網(wǎng)絡切片

　　云化平臺為5G網(wǎng)絡切片提供虛擬化基礎設施和統(tǒng)一管理能力。主要具有以下作用:

　　1) 提供計算/存儲/網(wǎng)絡的虛擬化資源池,用于切片實例的部署。

　　2) 實現(xiàn)資源的編排管理,協(xié)調(diào)資源分配與管理不同的切片實例。

　　3) 提供切片管理門戶,實現(xiàn)切片的一站式管理和運維。

　　4) 實現(xiàn)切片自動化管理,包括部署、配置、監(jiān)控、擴展等。

　　5) 提供彈性的資源池,支持切片的彈性擴展。

　　綜上,云化平臺為 5G 網(wǎng)絡切片提供了虛擬化基礎設施和自動化管理能力,是構(gòu)建靈活可擴展的 5G 切片網(wǎng)絡的關鍵。

　　四、發(fā)展前景

　　4.1 切片資源管理優(yōu)化

　　當前資源管理主要依賴靜態(tài)部署,無法實現(xiàn)切片的動態(tài)擴縮容。后續(xù)可通過預測分析切片業(yè)務需求變化,實現(xiàn)切片的自動彈性擴縮容,并根據(jù)服務級別協(xié)議進行資源調(diào)度,實現(xiàn)更靈活高效的資源管理。

　　4.2 網(wǎng)絡切片演進路徑

　　網(wǎng)絡切片技術(shù)仍在持續(xù)演進中,未來可能的發(fā)展路徑包括:1)支持更細顆粒的微服務化切片,實現(xiàn)更高的靈活性;2) With AI可實現(xiàn)切片的智能化管理,提高運維效率;3)向RAN延伸切片的靈活調(diào)度能力;4)支持切片聯(lián)合編排部署。網(wǎng)絡切片將演進為5G和未來網(wǎng)絡的關鍵能力。

　　五、結(jié)束語

　　本文對5G核心網(wǎng)中的網(wǎng)絡切片實現(xiàn)方案進行了詳細探討,包括切片管理平面設計、切片選擇機制、資源隔離方案等內(nèi)容,并分析了SDN/NFV/云化平臺等關鍵技術(shù)。網(wǎng)絡切片是實現(xiàn)5G網(wǎng)絡彈性和智能的基石,未來還需要持續(xù)優(yōu)化切片的安全性、資源管理和技術(shù)路線圖。5G支持網(wǎng)絡切片的商用,將推動不同垂直行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

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