5G承載網絡切片管控技術研究

  5G新應用場景帶來了業務切片隔離需求及大流量、低時延、高可靠等承載性能要求，為此引入了新的承載網絡技術，這些新的承載網絡技術對網絡管控提出新的需求，包括和上層管控系統實現端到端的協同，支持網絡資源的切片管控，并提供網絡資源、切片及業務的智能運維。

  本文主要研究5G承載網的端到端協同管控技術，分析5G承載網和5G無線接入網(RAN)、5G核心網以及上層管控系統的端到端協同管控和監控，通過引入新的承載接口和網絡協同管控能力，提供大帶寬、差異化時延、虛擬網絡、開放協同的能力，同時借助人工智能(AI)技術實現網絡切片及業務智能化運維，滿足5G承載及未來網絡持續演進的需求。

  承載網絡協同管控需求

  不同的5G業務應用場景帶來了新的端到端業務協同管控需求。如表1所示，增強移動寬帶(eMBB)、超高可靠超低時延通信(uRLLC)、海量機器類通信(mMTC)網絡應用場景需要管控系統支持切片的快速創建與調整，要求管控系統具備切片的規劃、自動部署、業務開通及自動運維能力。低時延業務應用，比如虛擬現實(VR)、強交互性的游戲則要求網絡具備3 ms/6 ms量級的低時延保障，因此要求管控系統具備基于時延的業務管控、路徑規劃及業務性能保障能力;uRLLC高質量垂直行業(如智能電網)等應用場景，則要求5G承載網絡提供差異化的切片保障、高業務等級協議(SLA)網絡可靠性及時延保障。

表1 5G新業務應用場景對應的管控需求

  通過上面的分析可以看出，管控系統要具備差異化的網絡保障機制及業務隔離管控機制，能夠提供時延等網絡參數的控制，并具備網絡故障分段定位能力，能夠最大程度地保障垂直行業業務質量，滿足不同網絡用戶的業務需求。為此，承載網絡管控系統應支持的承載網絡切片管控需求如下。

  (1)面向不同業務場景，實現切片網絡資源的靈活配置。網絡能力的按需組合，虛擬組成具備多個網絡能力的邏輯子網，跨層管控系統間交互拓撲和網絡資源抽象信息以及切片能力和策略信息。

  (2)通過端到端的編排及開放的接口，實現核心網、無線網、傳輸網的子切片協同，承載網管控系統可以基于上層管控系統的需求，完成切片資源的創建、刪除、調整等操作。

  (3)為保障傳送網絡切片資源間的隔離，管控系統應能夠網絡切片進行標識，并且保障網絡切片標識的唯一性，目前的網絡切片標識可以是端口、VLAN ID等。

  (4)支持對切片網絡的運維監控，通過對切片網絡中的告警、流量、時延等性能參數的監測，保障切片客戶的SLA。管控系統可以基于網絡監控結果，對切片網絡的資源及其承載業務進行調整、恢復等維護操作，完成從設計到部署、監控、安全隔離的全周期管控。

  承載網絡切片管控關鍵技術

  1、承載網絡切片協同管控架構

  傳送網切片管控架構、模型及切片管控策略成為當前標準化研究的熱點。3GPP規范TS 28. 530[1]給出了3GPP管控系統和非3GPP管控系統之間進行協同的架構，同時定義了3GPP管控系統和數據中心網絡系統、承載網管控系統互通過程中需要交互的內容，包括獲取這些非3GPP系統的能力信息、向非3GPP系統提供切片需求以及資源需求、和非3GPP系統之間進行數據交互。3GPP管理系統可將客戶需求進行分解，向RAN、無線核心網(CN)和傳送網(TN)的管理系統發送客戶需求。ITU-T GSTR-TN5G[2]報告也對支持3GPP網絡切片的傳送網絡功能及相關管控技術進行了描述。ITU-T SG15 Q12/Q14工作組主要研究SDN架構內部功能實現方案，在現有的軟件定義網絡(SDN)組件功能基礎上，引入新的元件實現虛擬網絡(VN)管控功能，分析新元件和原有SDN控制器組件之間的關系，同時研究不同管控系統之間VN資源的映射關系和抽象策略。

  承載網絡端到端協同管控架構如圖1所示。5G承載網絡管控系統可提供標準的北向接口(NBI)，為上層管控系統使用。5G承載管控系統本身分為多域和單域進行多層混合部署，整個管控架構具備可擴展性，并實現多廠商、多區域之間的業務編排和切片編排，同時引入人工智能，提升承載網絡切片、業務發放和多層網絡運維的效能。

圖1 5G承載網端到端協同管控架構

  2、承載網絡切片全生命周期管理

  3GPP規定了網絡切片的管控流程[1]，包括準備階段、調試階段、操作階段、退役階段4個不同的階段。參照3GPP的切片管控流程，5G承載網絡管控系統的網絡切片全生命周期管理流程如圖2所示。

圖2 切片管控流程示例

  (1)資源信息交互：在網絡切片之前，承載網絡管控系統將其資源和網絡切片能力信息進行抽象，和上層的管控系統進行交互，同時也可以和上層管控系統交互策略信息。

  (2)切片操作：承載網絡管控系統接收到上層管控系統的子網絡切片請求后，自動地發起切片網絡的創建，包括切片資源的規劃、切片資源的標記、切片資源的分配等。切片生命周期結束后，刪除切片網絡承載的業務，釋放切片網絡占用的資源。

  (3)切片維護：承載網絡管控系統對切片網絡進行監測，包括告警、流量、時延等性能信息。承載網絡管控系統可以基于網絡監測結果，對分配給切片的資源進行優化和調整，保障切片網絡的SLA資源。

  在切片編排管理過程中，通過如表2所示的業務編排映射模板，將上層網絡的切片需求與承載網絡資源進行映射，將切片的需求指標映射到具體的網絡切片創建策略及資源分配策略上，完成從用戶需求到具體的切片創建、管理、監控、優化、操作的映射，滿足切片網絡業務的多樣化服務質量(QoS)保障需求。

表2 業務編排映射模板

  3、協同管控北向接口

  承載網管控系統需要面向多種業務場景，實現承載網絡切片的規劃、部署、開通和運維。為實現這一目標，承載網管控系統需通過北向接口，接收上層管控系統發送的承載網絡的子切片請求，實現自動化的網絡切片。

  當前，在承載網北向接口中采用信息模型對網絡資源及操作進行建模，由于北向接口面向上層應用，可以屏蔽底層網絡技術的細節，使得網絡模型和具體的網絡實現方案無關，僅需標識網絡的能力信息。在北向接口的建模方面，ONF的OIMT工作組定義了傳送應用編程接口(TAPI)信息模型[3]，TAPI模型是一種抽象的網絡模型，天然具備網絡虛擬化的能力，可以用于VN網絡資源的描述，但是具體的VN網絡操作需要進一步擴展。IETF提出的ACTN架構[4]定義了客戶管控接口(CMI)的接口模型[5]，用于客戶網絡和多域協調控制器的交互;ACTN模型定義了VN的相關對象，如VN拓撲、接入點、VN業務(VNS)等，同時擴展了網絡的能力信息，例如層1連接業務模型(L1CSM)、層2業務模型(L2SM)等;IETF、ONF提出的VN管控模型，對5G承載網絡的多層網絡能力信息的描述，以及對VN網絡的操作等定義仍需進一步完善。

  參考IETF、ONF的VN管控模型，在北向接口模型建模過程中，可采用類似圖3的建模方案，該模型采用統一的VN網絡管控模型，定義了VN資源、VN操作接口，實現了網絡切片的拓撲生成，并通過VN特性條件約束包描述網絡隔離、SLA屬性等特性信息，同時還支持網絡切片的創建、刪除、調整等操作。該方案中的網絡切片能力信息通過層協議擴展來實現。

圖3 網絡切片北向接口建模方案

  4、引入人工智能優化管控性能

  隨著人工智能技術的發展，可在管控系統中引入人工智能，提升網絡切片的管控效率。在網絡切片規劃方面，可引入人工智能，進行自動化的業務編排;在部署調整方面，可利用人工智能算法，優化調整結果;在監測保障方面，可通過南向接口從底層轉發設備收集設備狀態與網絡性能相關的監測數據，利用機器學習，分析歷史監測數據，對流量等性能數據進行預測，并基于預測的結果對網絡切片進行實時的調整和優化。

圖4 引入人工智能提升切片運維效能

  結束語

  本文分析了承載網絡切片管控現狀，給出了面向5G承載業務需求的協同管控架構及管控層的功能結構，同時分析了承載網絡全生命周期管理流程、VN部署方案、協同管控北向接口及面向AI的智能網絡切片運維。

  5G承載網絡管控系統通過北向接口，配合上層端到端協同編排管控系統完成端到端的網絡切片和業務編排，在5G承載網管控系統內部，采用層次化的功能架構，解決承載網絡內部多廠商跨域協同的問題。在網絡切片管控方面，切片管控流程基本明確，但是支持網絡切片的北向接口標準化仍需要進一步完善，由于北向接口面向上層網絡應用，可以采用統一的管控模型，屏蔽底層網絡技術的實現細節，在國內各個運營商之間形成統一的標準。

  國內運營商及設備廠商在實現網絡切片管控及智能運維的過程中，建議面向不同的網絡切片應用場景，定制網絡切片策略模板，采用統一的北向接口，通過和上層管控系統的協同來實現承載網絡切片的自動化運維，并引入AI智能對網絡切片策略進行優化，同時對切片網絡及其業務進行監測、預測和調優，實現切片網絡的智能運維。

  參考文獻

  [1] 3GPP TS 28. 530 V16. 0. 0. Management and orchestration;concepts, use cases and requirements[S], 2019.

  [2] Technical Report ITU-T GSTP-TN5G. Transport network support of IMT-2020/ 5G[S], 2018.

  [3] ONF TR-527. Functional requirements for transport API[S], 2016.

  [4] IETF RFC 8453. Framework for Abstraction and Control of TE Networks (ACTN)[S], 2018.

  [5] IETF RFC 8454. Information model for Abstraction and Control of TE Networks (ACTN)[S], 2018.

  作者簡介

  徐云斌 中國信息通信研究院技術與標準研究所寬帶網絡研究部主任工程師，高級工程師，博士，主要從事智能光網絡管理與控制領域研究工作。