5G端到端网络切片技术与应用

张晶，李芳

（中国信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

网络切片作为5G网络的关键技术之一，一直以来备受业界广泛关注。端到端网络切片涉及无线网、承载网、核心网以及切片管理器多个领域，随着国际国内相关标准的制定，设备支持网络切片的技术要求逐步明确和统一。IMT-2020（5G）推进组在2020年下半年开展了端到端网络切片的一阶段测试，结果表明端到端网络切片在功能上基本可用，但如何在5G规模商用阶段做到好用，实现网络切片的自动化部署和运维，并有效保障千行百业的差异化要求，仍需进一步推动相关标准化工作，并对相关问题进行研究。本文从5G端到端网络切片的标准进展、关键技术及当前面临的主要问题三个方面进行研究与分析。

1 5G端到端网络切片标准进展

1.1 国际标准

端到端网络切片涉及无线网、承载网、核心网和切片管理器四部分。切片管理器又可细分为端到端切片管理器和无线网子切片管理器、承载网子切片管理器和核心网子切片管理器。当前没有统一的标准组织定义端到端网络切片的功能要求、管理架构和跨域的管理接口信息模型。其中无线网子切片、核心网子切片的业务功能及管理功能在3GPP SA2和SA5定义，而承载网子切片的业务功能及管控功能及信息模型在ITU-T和IETF定义。这些标准组织重点关注的是各自领域内的功能定义，不涉及领域间的互通。

目前，各标准组织仍分别针对各领域进行深入的技术研究和探索，3GPP RAN正在研究基于切片的快速选网和用户移动时切片的业务连续性方案；ITU-T在网络切片管控方面，组织对现有SDN管控架构、操作架构和相关信息模型标准进行修订，以支持虚拟网络（VN）的管控和运维[1]；IETF主要讨论传送网络切片的定义、北向接口模型及其应用[2]；3GPP SA2正在制定网络切片控制（比如网络切片支持的用户数、会话数等）的相关标准。

1.2 国内标准

我国5G网络已经商用，为加快网络切片为千行百业提供差异化的服务，中国通信标准化协会（CCSA）成立了“5G网络端到端切片特设项目组”，总体规划5G网络端到端切片标准体系框架，梳理现有相关标准情况，组织开展共性标准研究。目前，该项目组已完成端到端网络切片的总体技术要求、基于SPN和IP承载网络的端到端切片对接技术要求三项行标报批，打破了标准分层分域独立制订的历史，实现了真正的跨域协同，为5G SA网络提供最小商用集合的标准能力。5G端到端网络切片框架示意图如图1所示[3]。后续该特设项目组将协同TC5（无线通信技术委员会）、TC3（网络与业务能力技术委员会）、TC6（传送网与接入网技术委员会）和TC7（网络管理和运维支撑技术委员会）继续对切片管理器以及子域切片管理器功能和接口规范进行定义。

图1 5G端到端网络切片框架示意图

2 5G端到端网络切片关键技术

2.1 终端

终端作为切片服务的入口和起点，需具备接入网络切片的基本能力。目前，单终端均具备支持单切片的能力。但是为了支持不同移动互联网应用或垂直行业对业务质量及隔离性的要求，终端应支持多个网络切片，将不同的业务选择到不同的网络切片上去承载。目前，3GPP已引入URSP的概念和机制，用于辅助终端进行切片选择。UE注册时，核心网的策略控制功能PCF将URSP策略下发给UE，UE本地保存URSP策略，UE进行PDU会话时，根据URSP策略将不同业务的业务流激活到不同的网络切片上，从而实现业务分流和隔离。3GPP定义的URSP策略支持四种分流方式：基于DNN、基于IP三元组、基于FQDN和基于APP ID，可分别提供会话粒度、IP地址粒度、域名地址粒度、APP应用粒度的网络资源保障。

2.2 无线网

无线网实现网络切片的方案主要有：

（1）基于QoS优先级机制

不同切片的用户设置不同的QoS优先级，资源冲突时，优先调度QoS优先级高的切片用户业务[4]。

（2）基于RB预留机制

根据业务需求划分切片组，给切片组提供RB预留资源，可分为最大预留RB百分比A和最小预留RB百分比B。B为切片组专用资源，非切片组的业务不可使用；A和B间的RB资源为非专用资源，非切片组的业务可以使用，但优先给切片组使用。

（3）基于载波隔离机制

根据业务需求划分不同的切片组，不同切片组通过不同的载波承载，不同的切片用户接入不同的载波，达到隔离的目的。当用户已经在一个载波接入切片业务时，由于位置移动发起切换，将会由于另一个载波不支持用户接入的切片而切换失败。

（4）基于用户数保障机制

设置切片组的用户数，当接入该切片组的用户数达到设置的用户数阈值时，新发起接入的用户将接入失败，提示资源不可用。

2.3 承载网

承载网支持按需为客户提供L1VPN、L2VPN或L3VPN业务。面向5G网络切片需求，承载网主要提供基于L3VPN的网络切片服务，并根据SLA需求提供定制化的资源隔离、按需带宽配置、确定性时延和抖动和差异化的可靠性服务。

（1）网络资源隔离

运营商可根据客户需求和业务策略提供合适的承载切片资源的隔离配置。切片分组网络（SPN）和IP RAN均可提供基于灵活以太网（FlexE）或城域传送网络（MTN）接口[5]的硬隔离和基于MPLS（-TP）或段路由（SR）隧道、L3VPN和QoS的软隔离通道。SPN还可提供涵盖每端设备内部和接口的端到端MTN通道硬隔离特性，适用于有高安全和高隔离要求的行业客户。

（2）按需带宽配置

承载网络子切片应适应客户业务发展来按需配置和在线调整带宽。对基于分组隧道的L3VPN业务，普遍支持带宽的灵活在线调整功能；对采用TDM时隙配置的MTN通道，应支持端到端带宽的在线无损调整，从而保证客户业务的高可靠性。

（3）确定性时延和抖动

IP/MPLS网络的时延性能与网络规模、节点数量、链路长短和流量负荷状态密切相关。由于5G承载网是为无线网和核心网之间提供物理网络连接和业务逻辑连接，对于工业互联网、智能电网和金融科技公司等对确定性低时延有明确指标要求的行业，推荐采用硬隔离的网络切片来保证带宽和低时延性能。此外需加强基于分组网络的确定性承载技术方案研究和试点应用，在业务流量动态突发模式下，提供有指标上限的时延和抖动性能。

（4）差异化可靠性

不同网络切片场景对业务可靠性的需求差异较大，从99.9%到99.9999%不等。IP/MPLS网络采用QoS优先级调度和尽力而为的转发机制，很难满足99.99 9%及以上的高可靠性要求。5G承载网络支持小于50 ms的电信级网络保护技术和抗多点故障的秒级动态路由恢复技术，需要综合配置多种网络保护、设备和关键板卡的冗余保护方案来实现超高可靠性保障。

2.4 核心网

核心网支持分布式云化和服务化的架构，可灵活提供多种切片组网方式。按从低到高的隔离度和差异性，分为完全共享、部分共享、切片独享三种方式[6]。

（1）完全共享

对于隔离性要求不高的场景，一整套核心网网元被多个网络切片实例共享，通过QoS调度实现不同网络切片间的差异化。

（2）部分共享

对于隔离性要求中等的场景，比如对信令面数据不敏感，但要求用户面数据需要保护的，或者根据切片用户的实际部署需求，需要用户面网元就近部署满足数据不出园区或低时延需求，这些场景可以通过共享核心网信令面网元，独享用户面网元UPF的方式来实现。

（3）完全独立切片

对于隔离性要求较高的场景，切片用户可完全独享全部核心网网元。对于更加严苛的需求，甚至会要求核心网网元所使用的物理资源也完全独占。

2.5 切片管理器

切片管理器分为跨域切片管理器NSMF和子域切片管理器NSSMF。NSMF是因网络切片引入的独立网元实体，跨域管理网络切片整体功能，子域的切片管理器NSSMF仅负责本域内网络切片管理的能力，通常在设备厂商已有的管理系统上做增强实现。目前TC7正在进行NSMF和AN-NSSMF接口、NSMF和CN-NSSMF接口标准化的制定，NSMF和TN-NSSMF接口的标准化制定在切片特设项目组。上述三个管理面接口规范的制定，实现了管理面接口的统一，支持端到端切片的统一管理，向网络切片的自动化部署迈出了坚实的一步。

3 5G端到端网络切片面临的主要问题

3.1 终端切片选择能力

单终端支持多网络切片一直是业界关注的重点。终端内部的体系架构可分为芯片、操作系统和上层应用APP，3GPP定义的URSP策略支持4种分流方式，分别为基于APP ID、基于FQDN、基于IP三元组和基于DNN。目前，终端支持上述URSP分流方式分别面临不同的困难，其中APP ID、FQDN和IP三元组属于应用本身自带的属性，操作系统可直接管理和使用，但底层芯片和操作系统间缺少交互接口，导致芯片无法以此建立切片连接；DNN是外部赋予业务应用的属性特征，原生操作系统把数据连接抽象为网络能力和APN（如Internet、IMS），并不支持DNN与数据业务的直接关联。

业界正在探索终端支持URSP的方案，主要分为：基于应用实现和基于芯片实现两种方式，分别由应用/芯片实现业务属性和网络切片的匹配。无论哪种方案，都需要芯片、操作系统和上层应用进行明确分工，有效配合。

3.2 网络切片SLA指标的分解与保障

网络切片SLA是运营商与网络切片客户协商签署的服务等级协议，需要将端到端指标要求转换为各子网切片设计和资源配置相关的参数，其中端到端时延和可靠性等性能指标需要无线网、承载网和核心网协同保障并提供端到端监测分析报告，才能满足网络切片客户的SLA要求。

由于不同网络切片的应用场景存在网络覆盖范围（园区网、城域网还是跨区域骨干网）、拓扑结构、业务流量流向等多方面的差异性，因此端到端的时延等SLA性能指标如何科学有效地分解到无线网、承载网和核心网成为实操难题。由于目前业界尚未实现端到端指标的自动化分解，在实现网络建模仿真之前，仍需根据经验值在各域进行预配置。SLA保障的另一个难点是端到端网络切片的性能监控能力，目前各子域的性能指标只能在跨域切片管理器上简单呈现，缺乏跨无线网、承载网、核心网的端到端性能的实时监测分析机制。因此，端到端网络切片性能指标的自动化分解和性能监控能力是未来的重点研究方向。

综上，为了推动网络切片服务不仅实现功能好用，并且要实现SLA保障，需站在端到端的视角，加强无线网、承载网、核心网各领域的协同，达到根据网络切片应用方案和设备能力自动进行SLA指标分解和端到端性能监测，从而实现SLA保障，满足网络切片客户的业务要求。

3.3 网络切片的跨域动态编排和配置

为了支撑5G+垂直行业的应用推广，5G行业终端、无线网、承载网、核心网、NSMF和运营支撑系统（OSS）需协同实现网络切片的资源编排和端到端配置，才能为行业客户按需提供定制化的5G虚拟专网服务，并提供差异化和确定性的SLA保障。由于网络切片的设计与网络设备能力紧密相关，不同厂商的设备能力不同，目前网络切片的模板设计和资源编排还不能实现动态和自动化，仍需人工进行预规划和静态配置[7]。此外，运营商的NSMF和OSS与各子域NSSMF之间要支持标准化的管控接口和信息模型，才能实现跨子域和异厂家管控系统之间的配置互通和数据采集。因此需要加快推动NSMF与AN-NSSMF、TNNSSMF、CN-NSSMF的功能要求和管控接口标准研制，并且满足行业虚拟专网在业务和网络两个层面的管控运维功能要求，才能高效支撑5G+垂直行业的规模应用。

4 结束语

网络切片作为5G网络关键特性之一，一直以来受到业界广泛关注。标准方面，国际标准组织3GPP、IETF、ITU等分别致力于网络切片在终端、无线、核心网、切片管理以及承载方面标准的制定，将领域内的技术做深做实，但在端到端网络切片方面尚有缺失；国内标准组织CCSA针对中国5G的发展现状，从需求和实际部署出发，定义了端到端网络切片的整体架构，并对各域互通提出要求；IMT-2020（5G）推进组针对端到端网络切片的能力进行了测试，推动了设备能力的进一步成熟。虽然端到端网络切片距离商用仍有关键技术需继续验证和推进，但相信在业界各方的共同努力下，这些问题会得到圆满解决。