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网络切片将成5G理想架构商用部署仍面临多重挑战

发布时间:2019-08-23 06:44:55

时代即将到来,基于移动网络的应用也越来越丰富,为满足众多应用的差异化需求,在5G技术的研究过程中,网络切片是讨论最多的技术。网络切片概念允许在每个网络切片中容易地配置和重用网络元件及功能以满足特定的应用要求,因此众多业界人士均认为网络切片是5G时代的理想网络架构。

网络切片技术可以让运营商在一个硬件基础设施中切分出多个虚拟的端到端网络,每个网络切片在设备、、传输网以及核心网方面实现逻辑隔离,适配各种类型服务并满足用户的不同需求。

对每一个网络切片而言,网络带宽、服务质量、安全性等专属资源都可以得到充分保证。由于切片之间相互隔离,一个切片的错误或故障不会影响到其他切片的通信。网络切片技术的优势使其在5G网络中占有重要位置。

GPP、NGMN、GSMA的网络切片标准进展在5G大框架下满足网络对不同业务灵活支持的需求,不同标准组织如 GPP、NGMN、GSMA均对网络切片展开了相关研究。

GPP网络切片标准进展

从2015年开始, GPP启动了5G相关的标准研究和制定工作,并计划在R14~R16 个大版本中完成相关标准的制定,网络切片作为5G的重要技术,得到了 GPP的高度重视。SA1的场景研究、SA2的框架制定和SA5的网络管理均对网络切片制定了专门的课题。

SA1在TS22.261中把网络切片作为5G的基础能力进行了需求分析,认为网络切片可以为运营商提供定制化的网络,可以通过网络切片这种方式满足用户在优先级、计费、策略控制、安全、移动性等功能方面的差异化需求,以及在时延、可靠性、速率等性能方面的差异化的需求。

5G切片还可以服务于公共安全和MVNO等群组用户,使网络变得更为灵活。此外SA1工作组还要求后续制定的5G系统标准必须满足上述切片的要求。

SA2工作组在TR2 .799下一代网络架构研究中提出了三大备选网络切片场景。

方案A:核心网的所有功能均切片,在一个核心网的切片实例中既包括用户面部分,也包括控制面部分。

方案B:核心网的控制面部分共享功能不切片,作为各切片的共享部分,用户面及不适合共享的控制面功能切片。

方案C:核心网控制面不切片而且功能共享,仅用户面切片。

经讨论决定,在R15之前仅考虑方案B(方案C做为方案B的特殊场景)的切片方案,即仅考虑用户面和控制面的部分功能切片,如图1所示。

图1 方案B的网络切片示意

此外,SA2工作组围绕切片的选择和实现等功能达成如下结论(详见TS2 .501规范的5.15章)。

网络切片是包含接入网和核心网的逻辑网络,通过切片的形式提供相关的通信业务和网络能力。网络切片可以按照提供特性的不同来划分,在提供相同特性的前提下,也可以通过切片来实现用户分组。

终端通过提供网络切片选择辅助信息(NSSAI)来选择和组建切片相关的实例,每一条网络切片选择辅助信息对应一个网络切片,包含业务的类型及业务类型的差异因子。这个网络切片选择辅助信息可以是预配置的也可以是终端附着后从网络获取的。具备切片功能的网络可以依据终端提供的网络切片选择辅助信息来为终端选择切片。

用户可以通过一个无线网络同时接入多个核心网切片,这种场景下,所有这些切片由一个公共的接入和移动性管理模块(AMF)来管理。

每个PDU会话只能由一个网络切片管理。

由核心网而不是无线侧来选择为用户服务的核心网切片实例,用户被允许接入哪些网络切片要写入签约数据中。

用户的切片选择功能可以通过网络运营商提供网络切片选择策略(NSSP)来实现,这个策略包含切片选择相关的规则,协助用户完成切片的选择功能。

目前SA2工作组针对切片选择模块是联合已有模块(如AMF)部署还是单独部署,正在做进一步的讨论和研究,对网络切片的管理以及与传输的关联等问题也在做进一步的确认和研究。

在网络切片的管理方面,基于SA1/SA2/NGMN等标准组织对切片在管理和配置方面的需求,SA5工作组研究了对切片的管理和调度方法,以及跨多合作方、跨多域的切片管理,自动化地实现并管理不同切片之间资源的隔离。

为迎合更灵活的切片网络,SA5已经明确SON也将在5G中发挥重要的作用。目前针对网络切片调度和管理的研究报告TR28.801即将完成。

NGMN网络切片标准进展

NGMN在5G白皮书里介绍了网络切片的概念,认为该技术可以基于业务的需求来灵活地选择用户面、控制面以及无线侧的模块和资源,可以优化网络资源分配,实现最大成本效率,满足多元5G新业务的需求。

如图2所示,将网络切片定义为包含业务实例层、网络切片实例层和资源层的综合概念。业务实例层标识这个切片支持的业务,可以由网络运营商或第三方提供;网络切片实例层供运营商创建切片实例,资源层提供共享的资源供各切片实例使用。

图2 NGMN定义的网络切片概念

白皮书指出,为实现上述灵活的架构性,必须将用户面和控制面完全分开,并在各模块之间建立开放的连接。白皮书同时指出,模块以及切片的粒度如何划分是一个复杂的问题,细的粒度能带来更好的灵活性,但是也会极大地提升管理和部署的复杂度。

GSMA网络切片标准进展

GSMA作为移动运营商广泛参与的组织,也非常重视网络切片的相关研究及工业化应用。2017年GSMA专门成立了NEST项目组从事支持车辆应用的网络切片相关研究,该工作组从2017年 月开始相关的研究工作,预计一年时间内深化完成5G移动网络如何更好地服务于车辆工业相关应用的研究并形成可供汽车工业参考的切片文档。

为完成这一目标,目前GSMA已经开展了汽车工业的需求收集以及针对性的网络切片参数定义等工作。

国内网络切片测试已进入二阶段2016年上半年,IMT-2020推进组联合各单位制定了网络切片测试规范,测试采取自愿原则,测试地点为各厂商实验室,华为、中兴、、上海诺基亚贝尔、大唐电信、英特尔等单位均参与了相应的测试,测试在2016年第三季度完成。

第一阶段各厂商设备基本还处于原型机阶段,测试主要注重功能性,围绕切片模板、切片的生命周期管理、切片选择、切片共享、切片的多接入、切片的维护、切片的业务指标等特性共20多个用例展开测试。

目前正在讨论第二阶段的测试规范,计划测试切片选择、切片的编排能力、联动扩展以及典型切片的业务能力验证等内容,预计2017年6月底冻结测试规范。第二阶段的测试进一步增加了功能项并注重可用性,测试统一在中国信通院进行。

部署、管理和应用面临重重挑战从前面的分析中可以看出,目前有关网络切片的标准还在制定及完善过程中,业界可进行的测试也还停留在实验室阶段。作为移动运营商,除了关心技术研究的进展,更关心切片的部署、管理和应用。网络切片在达到商业部署的要求之前,有如下问题要重点关注和解决。

切片划分的粒度和灵活性切片之所以被大家关注,因为可以通过网络细分的方式满足多种业务以及不同用户组的需求。划分多少切片以及切片的粒度如何是部署过程中不能回避的复杂问题。切片粒度过大容易导致灵活性不够,不能很好地满足差异化服务的要求;切片粒度过细会极大地提升管理和部署复杂度。另外,由于切片之间的资源不能动态共享,过细的切片粒度也会降低网络资源的利用率。

切片的最大优势在于业务的灵活发布和部署,针对切片部署上的灵活性不同运营商也有不同的看法,有些运营商希望切片能非常灵活地部署,如同的策略控制架构一样具有一定的实时性。还有一些运营商认为过于灵活的切片可能会提升网络管理方面的成本与风险,毕竟稳定性与可靠性也是网络重要的考量指标,并且新业务的发布也不是一蹴而就的,需要大量的商业准备和分析。

端到端的切片实现NGMN在5G白皮书中提到的5G切片愿景是端到端的网络切片的实现,不仅包含核心网用户面与控制面的切片,也包含无线侧的切片,只有端到端的切片和网络细化才能满足特殊场景在时延、安全性等方面的特殊要求。

目前无线侧的切片研究停留在对核心网切片功能的支持上,还没有单独考虑无线切片的场景。基于现有的核心网切片功能并不能很好地满足典型业务场景的差异化需求,缺失了无线侧的网络切片不能很好地体现切片的价值和优势,不可能得到很好地商业推动。无线侧切片功能什么时候完成给端到端切片应用带来了技术上的不确定性。

切片虚拟化管理SDN/NFV是切片技术实现的基石,切片功能要纳入虚拟化的管理与调度系统中, GPP SA5已经开展了相关的研究工作。受限于SA2及RAN架构研究的进展,目前SA5在切片管理方面还没有给出明确的结论。另外,虚拟化的管理如何提高响应速度来保证切片的灵活可靠实现也需要继续进行深入研究。

切片的后向兼容问题在TS2 .501的切片场景分析中,针对5G的三大典型应用,目前明确提出的有eMBB、uRLLC和mMTC三大业务场景。考虑到对现有网络的兼容性,能不能把4G网络作为5G的一个特殊切片来管理和接纳?

如果技术上可行,将可以避免考虑4G与5G之间复杂的互操作问题,保护现有投资,并可极大方便现网用户。

切片的应用5G从诞生之初就被大家寄予厚望,希望5G能满足eMBB、uRLLC和mMTC等多种复杂应用场景的需求。基于不同应用对网络需求的不同,网络切片在5G的架构下应运而生,好的应用和好的商业模式是网络发展的原动力。

希望在5G部署时,网络不再是管道和数据搬运工,而是在部署之初就粘合了应用和用户的丰富网络。为此,切片在诞生之初要更好地关注应用需求,在技术规范制定时要联合行业内的典型应用,在部署时更要和应用联合部署。

目前,GSMA已经开展了相应的工作,针对汽车行业的切片需求和组网成立了专门的项目组进行了研究,目前在需求的讨论中并没有汽车生产或者运营企业活跃地参与。要想把切片真正用好,从技术制定到网络试验再到运营都少不了应用企业的参与,只有这样才能开发好切片应用的市场。

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