5G核心网切片运维管理关键技术研究

杨 旭，沈昱佳，唐文强

（中国移动通信集团云南有限公司，云南 昆明 650228）

1 网络切片设计

根据第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）标准，核心网应具备子网切片故障管理、性能管理以及网络优化等功能。设计网络切片时，应注意以下问题。首先，应具备从虚拟网络功能（Virtual Network Feature，VNF）采集网元告警、配置以及性能等信息的能力；其次，应具备支持故障自愈闭环保障的能力；最后，具备从网络功能虚拟化编排器（Network Functions Virtualisation Orchestrator，NFVO）获取切片资源信息的能力，从而加强子网切片运维管理的效果[1]。

网络切片包中VNF彼此协同工作构成完整逻辑网络，设计阶段通过灵活结合VNF及逻辑连接适应不同网络切片要求。各区块应涵盖签约用户接入网室内基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）、射频拉远头（Remote Radio Head，RRH），以此确保整体网络的逻辑完整性。

以虚拟机器为调度单元，实现各网络切片互不干涉。具体运营中，网络切片在逻辑上是孤立的，具有各自的生命周期。针对不同网段进行用户界面和接入BBU设计，在不同虚拟机中运行自行分配的虚拟资源，将不同切片实例数据平面和基站完全隔离[2-4]。5G网络切片的核心是针对不同网络需要和虚拟资源需求制定个性化方案，通过定制化切片管理，可为后续运维管理提供良好基础。同时，核心网络用户面中应灵活配置VNF，通过对网络切片计算、存储和网络资源动态调整，提高虚拟机性能。

2 5G核心网切片运维管理

5G核心网切片运维管理由NFVO实现网络部署和资源合理分配，支持服务级别协议（Service Level Agreement，SLA）监控，进而实现对闭环故障的处理与维护[5]。

2.1 5G核心网切片运维管理结构

5G网络切片本质是利用虚拟逻辑网络服务于垂直行业，从而达到商业创新和工业升级的目的。端到端切片是在5G端到端的基础上通过灵活配置基础物理网络，根据需要整合网络各种功能，建立多个具有多元功能特征的逻辑网。5G核心网切片整体架构如图1所示。

图1 5G核心网切片整体架构

通过端到端切片管理系统整合形成5G切片模型，该模型被划分为3个层次，分别是基础设施层、网络切片层以及网络管理层。

2.1.1 基础设施层

5G网络切片模式下，基础设施层主要负责射频硬件和软件定义网络（Software Defined Network，SDN）云网控制。此基础上，采用SDN技术实现虚拟化网络功能、物理网络功能（Physical Network Function，PNF）、虚拟网络应用（Virtual Local Area Network，VLNA）等实时重构和虚拟化业务。同时，为了减少网络切片回程链路堵塞，基础设施层接入系统采用集中化处理结构，并且BBU对网络基带信号进行统一处理[6]。

2.1.2 网络切片层

网络切片层运行在基础设施层上，通过基于VMware Workstation虚拟机或Docker容器的半虚拟化技术，将基础设施层的物理资源虚拟化为网络切片层可用的计算、存储网络虚拟资源。虚拟资源库进而根据不同切片类型和服务质量（Quality of Service，QoS）要求，通过在虚拟机上运行与之匹配的VNF，可以实现IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem，IMS）等功能，最终使每个网络切片都能组成一个逻辑完整的端到端网络，涵盖核心网、传输网以及接入网。

增强移动宽带( enhanced Mobile Broadband，eMBB)切片具有带宽高、数据量大、网络密度大以及网络覆盖率高等特性，系统需保证该切片下用户的高吞吐量与数据传输速率。海量机器类通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）切片要求网络规模大且网络密度高，重点支持物联网等垂直行业。低时延高可靠通信（ultra Reliable Low Latency Communications，uRLLC）切片需要毫秒级的网络时延，确保用户移动性较强[7]。

2.1.3 网络切片管理层

网络切片管理可以根据不同业务需求创建、激活、删除以及修改网络切片，能够承载网络切片虚拟资源弹性扩展，解决通信系统中的潮汐效应，底层基础架构发生故障时可以及时进行容灾备份。网络切片编排器负责优化虚拟资源的分配，提升资源的利用率。其中，运营支撑系统（Operation support system，OSS）与业务支撑系统（Business Support System，BSS）主要负责网络切片操作与维护。BSS服务于运营商业务，可以提供第三方服务，而OSS则负责BSS技术支持与管理。BSS系统不但能为运营商提供自身业务支持，而且能帮助用户制定符合需求的网络切片实例。网络切片运维中支持快速创建、修改和删除切片，能够定义和更新网络切片，识别用户服务需求，并将其关联到对应的网络切片或删除已经签约的网络切片[8-10]。

2.2 切片部署

核心网主要通过微服务技术完成可伸缩切片组网，对切片智能选择、切片开放能力、4G/5G切片互通、切片多层安全隔离等有一定需求。根据SLA、成本、安全隔离以及网络要求实现灵活组网，如图2所示。

图2 核心网切片参考组网

协议数据单元（Protocol Data Unit，PPU） session 1#指远程医疗、电力监控等领域中既不能共享控制面，又不能共享用户面网元，具有较高安全性和较低成本敏感性。PDU session 2#是局部网络单元共用，使用者与其他控制面上网络单元并不共用，隔离要求较低，节省费用，并且终端需要同时访问多个区块，适用于辅助驾驶、车载娱乐等领域。PDU session 3#采用控制面网络单元共享，不能共享用户面网络单元，降低隔离需求、降低成本，并且终端需要同时访问多个不同切片。

核心网切片典型组网方式中，采用网络切片选择功能（Network Slice Selection Function，NSSF）和网元数据存储函数(NF Repository function，NFRF)，业务管理功能（Service Management Function，SMF）、用户端口功能（User Port Function，UPF）等网元能够根据切片时延、带宽、安全等不同性能要求，对切片进行独立部署。5G核心网采用微服务技术，可以快速地建立网络切片。各项业务都能独立进行登记、查找和更新，方便满足不同行业个性化要求。

2.3 切片保障

根据网络总体布局和部署趋势，合理设置基础网络切片，优化设计试验服务，提供验证功能。目前，网络切片部署计划中存在着终端到终端之间不协同、标准不完善等问题，通过不断探索提出一种合理规划方案，使切片粒径和弹性保持良好平衡，从而降低切片数目。虽然大规模生产可以改善差别化服务，优化业务灵活性，但是增加了总体结构的复杂度和管理难度，造成资源不能充分共享、资源利用率下降等问题。为了控制切片数目、减轻网络压力，利用统一网络平台进行科学管理，通过丰富网络资源满足企业多样化业务发展需求。

3 结 论

以5G核心网切片运维管理关键技术为研究方向，为促进我国5G核心网切片运维管理提供理论指导与帮助。在具体实践中，要注重合理应用5G核心网切片运维管理关键技术，对切片设计、切片部署以及切片自动化运维进行合理设计。同时，为适应不同的客户需求，必须不断优化核心网切片运维管理方案，促使核心网切片运维管理实现智慧化、自动化发展。