5G承载网络切片管控技术研究

随着5G网络部署加速，5G承载网络切片管控的重要性日益突出。首先介绍了承载网络管控技术的标准化进展，然后对承载网络切片的管控关键进行了分析，提出了承载网络切片管控架构、管控北向接口的建模方案，并对网络切片的管控流程、引入AI实现智能化切片运维等场景进行了分析。

1、引言

5G新应用场景带来了业务切片隔离需求及大流量、低时延、高可靠等承载性能要求，为此引入了新的承载网络技术，这些新的承载网络技术对网络管控提出新的需求，包括和上层管控系统实现端到端的协同，支持网络资源的切片管控，并提供网络资源、切片及业务的智能运维。

本文主要研究5G承载网的端到端协同管控技术，分析5G承载网和5G无线接入网(RAN)、5G核心网以及上层管控系统的端到端协同管控和监控，通过引入新的承载接口和网络协同管控能力，提供大带宽、差异化时延、虚拟网络、开放协同的能力，同时借助人工智能(AI)技术实现网络切片及业务智能化运维，满足5G承载及未来网络持续演进的需求。

2、承载网络协同管控需求

不同的5G业务应用场景带来了新的端到端业务协同管控需求。如表1所示，增强移动宽带(eMBB)、超高可靠超低时延通信(uRLLC)、海量机器类通信(mMTC)网络应用场景需要管控系统支持切片的快速创建与调整，要求管控系统具备切片的规划、自动部署、业务开通及自动运维能力。低时延业务应用，比如虚拟现实(VR)、强交互性的游戏则要求网络具备3 ms/6 ms量级的低时延保障，因此要求管控系统具备基于时延的业务管控、路径规划及业务性能保障能力;uRLLC高质量垂直行业(如智能电网)等应用场景，则要求5G承载网络提供差异化的切片保障、高业务等级协议(SLA)网络可靠性及时延保障。

表15G新业务应用场景对应的管控需求

通过上面的分析可以看出，管控系统要具备差异化的网络保障机制及业务隔离管控机制，能够提供时延等网络参数的控制，并具备网络故障分段定位能力，能够很大程度地保障垂直行业业务质量，满足不同网络用户的业务需求。为此，承载网络管控系统应支持的承载网络切片管控需求如下。

(1)面向不同业务场景，实现切片网络资源的灵活配置。网络能力的按需组合，虚拟组成具备多个网络能力的逻辑子网，跨层管控系统间交互拓扑和网络资源抽象信息以及切片能力和策略信息。

(2)通过端到端的编排及开放的接口，实现核心网、无线网、传输网的子切片协同，承载网管控系统可以基于上层管控系统的需求，完成切片资源的创建、删除、调整等操作。

(3)为保障传送网络切片资源间的隔离，管控系统应能够网络切片进行标识，并且保障网络切片标识的唯一性，目前的网络切片标识可以是端口、VLAN ID等。

(4)支持对切片网络的运维监控，通过对切片网络中的告警、流量、时延等性能参数的监测，保障切片客户的SLA。管控系统可以基于网络监控结果，对切片网络的资源及其承载业务进行调整、恢复等维护操作，完成从设计到部署、监控、安全隔离的全周期管控。

3、承载网络切片管控关键技术

3.1承载网络切片协同管控架构

传送网切片管控架构、模型及切片管控策略成为当前标准化研究的热点。3GPP规范TS 28. 530[1]给出了3GPP管控系统和非3GPP管控系统之间进行协同的架构，同时定义了3GPP管控系统和数据中心网络系统、承载网管控系统互通过程中需要交互的内容，包括获取这些非3GPP系统的能力信息、向非3GPP系统提供切片需求以及资源需求、和非3GPP系统之间进行数据交互。3GPP管理系统可将客户需求进行分解，向RAN、无线核心网(CN)和传送网(TN)的管理系统发送客户需求。ITU-T GSTR-TN5G[2]报告也对支持3GPP网络切片的传送网络功能及相关管控技术进行了描述。ITU-T SG15 Q12/Q14工作组主要研究SDN架构内部功能实现方案，在现有的软件定义网络(SDN)组件功能基础上，引入新的元件实现虚拟网络(VN)管控功能，分析新元件和原有SDN控制器组件之间的关系，同时研究不同管控系统之间VN资源的映射关系和抽象策略。

承载网络端到端协同管控架构如图1所示。5G承载网络管控系统可提供标准的北向接口(NBI)，为上层管控系统使用。5G承载管控系统本身分为多域和单域进行多层混合部署，整个管控架构具备可扩展性，并实现多厂商、多区域之间的业务编排和切片编排，同时引入人工智能，提升承载网络切片、业务发放和多层网络运维的效能。

图15G承载网端到端协同管控架构

3.2承载网络切片全生命周期管理

3GPP规定了网络切片的管控流程[1]，包括准备阶段、调试阶段、操作阶段、退役阶段4个不同的阶段。参照3GPP的切片管控流程，5G承载网络管控系统的网络切片全生命周期管理流程如图2所示。

图2切片管控流程示例

(1)资源信息交互：在网络切片之前，承载网络管控系统将其资源和网络切片能力信息进行抽象，和上层的管控系统进行交互，同时也可以和上层管控系统交互策略信息。

(2)切片操作：承载网络管控系统接收到上层管控系统的子网络切片请求后，自动地发起切片网络的创建，包括切片资源的规划、切片资源的标记、切片资源的分配等。切片生命周期结束后，删除切片网络承载的业务，释放切片网络占用的资源。

(3)切片维护：承载网络管控系统对切片网络进行监测，包括告警、流量、时延等性能信息。承载网络管控系统可以基于网络监测结果，对分配给切片的资源进行优化和调整，保障切片网络的SLA资源。

在切片编排管理过程中，通过如表2所示的业务编排映射模板，将上层网络的切片需求与承载网络资源进行映射，将切片的需求指标映射到具体的网络切片创建策略及资源分配策略上，完成从用户需求到具体的切片创建、管理、监控、优化、操作的映射，满足切片网络业务的多样化服务质量(QoS)保障需求。

表2业务编排映射模板

3.3协同管控北向接口

承载网管控系统需要面向多种业务场景，实现承载网络切片的规划、部署、开通和运维。为实现这一目标，承载网管控系统需通过北向接口，接收上层管控系统发送的承载网络的子切片请求，实现自动化的网络切片。

当前，在承载网北向接口中采用信息模型对网络资源及操作进行建模，由于北向接口面向上层应用，可以屏蔽底层网络技术的细节，使得网络模型和具体的网络实现方案无关，仅需标识网络的能力信息。在北向接口的建模方面，ONF的OIMT工作组定义了传送应用编程接口(TAPI)信息模型[3]，TAPI模型是一种抽象的网络模型，天然具备网络虚拟化的能力，可以用于VN网络资源的描述，但是具体的VN网络操作需要进一步扩展。IETF提出的ACTN架构[4]定义了客户管控接口(CMI)的接口模型[5]，用于客户网络和多域协调控制器的交互;ACTN模型定义了VN的相关对象，如VN拓扑、接入点、VN业务(VNS)等，同时扩展了网络的能力信息，例如层1连接业务模型(L1CSM)、层2业务模型(L2SM)等;IETF、ONF提出的VN管控模型，对5G承载网络的多层网络能力信息的描述，以及对VN网络的操作等定义仍需进一步完善。

参考IETF、ONF的VN管控模型，在北向接口模型建模过程中，可采用类似图3的建模方案，该模型采用统一的VN网络管控模型，定义了VN资源、VN操作接口，实现了网络切片的拓扑生成，并通过VN特性条件约束包描述网络隔离、SLA属性等特性信息，同时还支持网络切片的创建、删除、调整等操作。该方案中的网络切片能力信息通过层协议扩展来实现。

图3网络切片北向接口建模方案

3.4引入人工智能优化管控性能

随着人工智能技术的发展，可在管控系统中引入人工智能，提升网络切片的管控效率。在网络切片规划方面，可引入人工智能，进行自动化的业务编排;在部署调整方面，可利用人工智能算法，优化调整结果;在监测保障方面，可通过南向接口从底层转发设备收集设备状态与网络性能相关的监测数据，利用机器学习，分析历史监测数据，对流量等性能数据进行预测，并基于预测的结果对网络切片进行实时的调整和优化。

图4引入人工智能提升切片运维效能

4、结束语

本文分析了承载网络切片管控现状，给出了面向5G承载业务需求的协同管控架构及管控层的功能结构，同时分析了承载网络全生命周期管理流程、VN部署方案、协同管控北向接口及面向AI的智能网络切片运维。

5G承载网络管控系统通过北向接口，配合上层端到端协同编排管控系统完成端到端的网络切片和业务编排，在5G承载网管控系统内部，采用层次化的功能架构，解决承载网络内部多厂商跨域协同的问题。在网络切片管控方面，切片管控流程基本明确，但是支持网络切片的北向接口标准化仍需要进一步完善，由于北向接口面向上层网络应用，可以采用统一的管控模型，屏蔽底层网络技术的实现细节，在国内各个运营商之间形成统一的标准。

国内运营商及设备厂商在实现网络切片管控及智能运维的过程中，建议面向不同的网络切片应用场景，定制网络切片策略模板，采用统一的北向接口，通过和上层管控系统的协同来实现承载网络切片的自动化运维，并引入AI智能对网络切片策略进行优化，同时对切片网络及其业务进行监测、预测和调优，实现切片网络的智能运维。