0 引言

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

1 切片管理系統

    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中面向移動寬帶業務QoS方案難以滿足5G業務對網絡性能的嚴苛需求，迫切需要網絡具備可以面向不同場景的用戶需求按需定制的能力。5G系統引入網絡切片技術，通過對網絡資源的統一管理，為不同業務分配相互隔離，并能夠滿足業務需求的資源，滿足不同業務的不同網絡性能需求。為了實現網絡切片技術，5G通過引入軟件定義網絡(Software Defined Network，SDN)與網絡功能虛擬化(Network Functions Virtualization，NFV)技術實現計算、存儲與網絡資源的統一管理。

1.1 端到端切片管理架構

    網絡切片的目的在于根據不同業務迥然不同的業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、承載網和核心網各自為政，缺乏全局的資源調配，網絡切片勢必難以達到其應有的效果。因此，5G對網絡切片采用橫跨無線接入網、承載網和核心網的端到端切片管理架構，實現對各類資源及QoS的端到端管理。5G網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同管理的方案。其中，縱向維度的無線接入網、承載網和核心網各自完成針對其自身的管理功能；網絡切片管理功能則在橫向維度上協調各個部分的子切片，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)、網絡切片管理功能(Network Slice Management Function，NSMF)、網絡切片子網管理功能(Network Slice Subnet Management Function，NSSMF)。

1.2 切片管理參數

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

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

    表1展示了網絡切片管理所需參數及將其分解至子切片的一種分解方式。

1.3 端到端切片創建

    圖2為端到端切片創建的基本流程^[3]，步驟如下：

    (1)用戶提出業務應用需求；

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

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

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

    (5)CSMF對部署的切片進行可用性驗證，結束切片創建流程。

1.4 切片運營架構

    5G網絡切片基于網絡切片即服務（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、數據分析、網絡可用性保障等能力，如圖3所示。基于切片管理門戶構建面向切片用戶(服務提供商、行業和家庭用戶)的切片管理能力。

1.5 當前存在的挑戰

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

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

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

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

    針對上述切片管理中的挑戰，可以嘗試在網絡中引入智能分析系統，通過對網絡狀態實施性的監控和分析，并基于網絡的開放能力將相關信息開放給切片管理系統，基于網絡運行的實時數據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能力開放系統架構和典型應用

    5G標準架構中引入了網絡開放功能(Network Exposure Function，NEF)，NEF通過服務化接口(Service-Based Interface，SBI)與網絡功能單元(Network Function，NF)交互。網絡能力開放的目的是向第三方應用開發者提供所需的網絡能力，包括及時準確的用戶狀態信息、定制化的網絡功能參數、基于動態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絡服務的要求。

2.1 5G能力開放系統架構

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

    網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務按照服務協議對網絡能力進行安全的調用；

    (2)開放層/平臺層：網絡能力開放層北向與應用層互通，南向與能力連接，支持網絡能力的安全開放。對內（網絡）進行網絡能力的數據提取、分析、匯聚和業務發布，對外針對不同業務進行網絡能力的封裝和按需編排，并提供調用的統一API接口和網關；

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

2.2 能力開放典型應用場景

    5G網絡能力開放支持外部開放和內部開放^[4]。對于內部開放而言，5G各功能實體NF通過NEF向其他各NF開放能力和事件，完成內部NF信息的交互，同時通過統一數據存儲（UDR）完成不同NF相關信息的存儲訪問；對于外部開放而言，分為監控能力、參數配置能力、策略/計費能力和分析報告等開放能力。監測能力用于監測5G系統中UE的具體事件，并通過NEF將監控信息向外部開放，參數配置能力允許外部方應用提供可用于5G系統中UE的信息，策略/計費能力用于根據外部方的應用請求來執行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系統生成的分析信息。

3 基于能力開放系統的5G切片管理

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

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

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

    (3)網絡能力按需開放：通過NEF向行業客戶開放安全、可控的業務與數據接口；

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

3.1 基于能力開放的切片管理架構

    5G切片管理中，網絡能力開放系統為切片管理與優化提供系統運行數據，供運營商對切片網絡進行全局管理優化的同時，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據，包括切片運行情況、業務數據反饋信息及切片分析系統反饋的分析信息等。

    圖6描述了一種基于能力開放的切片管理架構。各個子切片內地網管系統及數據分析系統將本切片內的網絡運行數據進行匯總分析，并通過能力開放子系統將相關網絡運行數據向網絡內其他網元共享。上述架構能夠提供包括切片配置、網絡切片數據采集、切片資源重配置在內的網絡切片管理自循環，實現網絡切片管理的自動化。

3.2 切片管理的能力開放需求

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

    在用戶創建切片時，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、切片業務信息、接入用戶信息、業務信息、QoS指標(速率、端到端時延)、安全性要求等。

    切片監控能力則要求能力開放系統能夠向切片管理系統提供切片運行狀態、切片用戶信息、服務質量等信息。能夠實時監控網絡運行狀態，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整，更好地滿足用戶需求，提升業務感受；對于網絡發生的故障，能力開放系統也能向切片管理系統進行報告。

3.3 切片參數配置自循環

    在圖6中，借助能力開放系統，整個切片管理系統構成了一個完整的閉環，能夠實現切片參數配置的自循環。在該架構中，能力開放子系統作為數據交互的核心，在切片管理過程中發揮了重要的作用：

    (1)接收用戶通過管理入口或直接調用API發來的切片設計參數信息，并將該信息發送給切片編排管理子系統進行切片的創建與管理；

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

    (3)網絡內的數據分析系統通過對運行數據的分析，可以根據相關策略計算切片的優化策略，并通過切片管理子系統實現局部的切片資源優化；

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

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

    圖7展示了在5G網絡切片管理中可以采用的3種自循環結構，這3種結構通過反饋機制實現了切片管理參數的優化管理。

    (1)子切片參數優化自循環：子切片參數自循環通過分析子切片內的實時運行數據，計算局部最優的自切片運行參數。該循環及時性強，能夠實時感知網絡狀態，迅速做出決策，能夠快速提升網絡切片SLA；但是該循環缺乏全局性，無法實現整個切片的參數優化，容易產生資源的浪費。

    (2)切片參數優化自循環：針對子切片的資源利用率不足的問題，切片參數優化自循環可以依據長期的網絡運行數據對切片參數進行優化，能夠持久地提升網絡切片的用戶體驗。該自循環通過全局參數優化，保證整體網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；但是該循環的反饋速度慢，不利于應對突發的網絡狀況。

    (3)參數模板優化自循環：在創建網絡切片時，通常以參數模板的形式傳遞創建切片的性能指標要求。然而，固定的參數配置格式、種類繁多的參數組合方式無疑為用戶創建切片增加了困難。而通過對網絡內使用的切片參數進行分析，獲取不同類型切片的參數的最優組合方案，并作為模板提供給用戶，則可以使切片的創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

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

4 結論

    網絡切片技術作為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勢，相互結合，通過能力開放系統為5G切片的管理提供了增強的解決方案。

參考文獻

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

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[5] IMT 2020(5G)推進組.基于AI的智能網絡切片管理和協同[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，華為.5G網絡切片使能智能電網[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新中心，北京102209)