5G核心网的网络切片实现方案探讨

5G核心网的网络切片实现方案探讨

石宇

中国移动通信集团设计院有限公司四川分公司，四川 成都 610045

摘要:本文主要探讨5G核心网中网络切片的实现方案。网络切片是5G核心网的重要特征之一,可以为不同的业务提供定制化的网络服务。本文首先介绍了网络切片的概念、特征和实现原理,然后重点分析了5G核心网中网络切片的实现方案,包括切片管理、切片选择、切片Isolation等方面。最后,对网络切片的关键技术如SDN/NFV、云化平台进行了讨论,并展望了网络切片技术的发展趋势。

关键词:5G;核心网;网络切片;SDN;NFV

一、网络切片概述

1.1 定义和特征

网络切片是5G核心网的重要创新之一,它可以将物理网络划分为多个逻辑网络切片,每个网络切片都可以具备独立的网络功能。按照3GPP的定义,网络切片是一种利用网络资源虚拟化技术,将物理网络划分成多个逻辑网络的方式,每个逻辑网络都具有独立的网络功能,满足不同垂直行业的定制化需求。总体来说,网络切片具有资源隔离性、服务定制性、可扩展性和高可靠性等优点,可以为5G网络提供差异化的定制化服务。这对于支持5G多样化业务提出了极高的要求。

1.2 实现原理

5G核心网采用全新的基于云化和软件定义的架构,实现网络切片的关键技术包括软件定义网络(SDN)、网络功能虚拟化(NFV)和云化平台。具体实现原理如下:

(1)控制平面和数据平面分离:采用SDN架构,将控制平面和数据平面分离开来,形成中心化的控制器;

(2)网络功能虚拟化:采用NFV技术将传统网络设备上的功能转换为虚拟网络功能(VNF),运行于通用服务器之上;

(3)资源虚拟化:使用虚拟化技术(如虚拟机和容器)实现底层计算、存储和网络资源的虚拟化,为VNF提供执行环境;

(4)云化管理:采用云化管理平台对网络资源进行统一编排和管理,快速实现网络切片;

(5)切片管理:开发切片管理功能,负责切片实例的创建、管理和删除工作。

二、5G核心网中网络切片实现方案

2.1 切片管理平面设计

5G核心网中的切片管理平面负责对网络切片的生命周期进行管理,包括切片实例的创建、激活、更新、释放等操作。切片管理平面由切片管理函数和网络切片子网管理函数两个部分组成。切片管理函数位于运营商管理域,负责切片的设计、创建和全生命周期管理。它与管理流程相关的网络能力开放接口相连,可以创建修改删除切片实例,并连接各个子网的管理函数。子网管理函数负责管理子网资源,将物理和虚拟资源组合成网络切片子网实例。

切片管理平面设计的关键点包括:1)提供切片模板库,通过模板快速创建切片实例;2)实现切片管理函数间的协调,保证端到端切片管理;3)提供切片性能和故障监控能力;4)支持切片自动扩展和缩减的策略;5)支持切片实例迁移;6)提供切片实例的防信道安全机制。

2.2 切片选择机制

切片选择是用户设备接入5G核心网后,根据业务需求选择合适网络切片实例的过程。考虑到不同行业用户的差异化需求,5G核心网需要支持多种切片选择机制来实现切片的快速选择。

典型的切片选择机制包括:1)基于访问类的切片选择,即基站根据用户承载类型选择合适的切片;2)基于用户订阅的切片选择,核心网根据用户的订阅信息选择对应切片;3)基于第三方服务的切片选择,用户根据第三方服务提供商的指示选择相关切片。

2.3 切片隔离方案

由于网络切片之间共享同一物理基础设施,如何保证不同切片之间的隔离是一个关键问题。5G核心网需要从计算、存储和网络三个层面实施切片隔离。

计算隔离可以通过虚拟化技术实现切片之间vCPU和内存的逻辑隔离。存储隔离可以通过给每个切片分配独立的存储空间进行保障。网络隔离一般采用区分切片的数据平面和控制平面,包括为每个切片分配独立的VRF实例、地址空间、策略控制等。

另外,可以考虑通过 Davies-Bouldin index、 silhouette coefficient等指标对切片隔离性能进行评估。通过多层面的隔离技术和定量评估,可以有效保证5G网络切片之间的安全隔离,避免切片间的相互干扰。

三、关键技术分析

3.1 SDN与网络切片

SDN(软件定义网络)是实现5G网络切片的基础。SDN通过控制平面和数据平面分离,实现了网络的软件化和规程化,使网络控制逻辑集中化,便于自动化配置。

SDN对实现网络切片有以下作用:1)提供基于软件的控制平面,通过控制器实现对网络资源的统一管理和编排;2)使用开放接口,实现控制平面和数据平面的解耦,使得网络切片的控制逻辑可以灵活配置;3)可编程的控制平面,可以进行网络切片的自主控制与管理。总体来说,SDN为5G核心网提供了实现网络切片的可编排的基础设施,是网络切片的关键启用技术。

3.2 NFV与网络切片

NFV(网络功能虚拟化)是使用 IT 虚拟化相关技术实现传统网络功能软件化的一种网络架构方式。NFV对实现5G网络切片至关重要。

NFV使得网络功能可以基于标准服务器实现软件化,并通过虚拟资源管理平台,将VNF可灵活调度和组合,以构建不同的网络切片实例。NFV实现了5G核心网从专用硬件到软件的转变,使得网络切片可以像云服务一样快速交付。

NFV还可以通过网络功能的在线软件升级,实现切片的快速迭代,大大提高了5G核心网的灵活性。因此,NFV是构建5G网络切片的基本实现技术。

3.3 云化平台与网络切片

云化平台为5G网络切片提供虚拟化基础设施和统一管理能力。主要具有以下作用:

1) 提供计算/存储/网络的虚拟化资源池,用于切片实例的部署。

2) 实现资源的编排管理,协调资源分配与管理不同的切片实例。

3) 提供切片管理门户,实现切片的一站式管理和运维。

4) 实现切片自动化管理,包括部署、配置、监控、扩展等。

5) 提供弹性的资源池,支持切片的弹性扩展。

综上,云化平台为 5G 网络切片提供了虚拟化基础设施和自动化管理能力,是构建灵活可扩展的 5G 切片网络的关键。

四、发展前景

4.1 切片资源管理优化

当前资源管理主要依赖静态部署,无法实现切片的动态扩缩容。后续可通过预测分析切片业务需求变化,实现切片的自动弹性扩缩容,并根据服务级别协议进行资源调度,实现更灵活高效的资源管理。

4.2 网络切片演进路径

网络切片技术仍在持续演进中,未来可能的发展路径包括:1)支持更细颗粒的微服务化切片,实现更高的灵活性;2) With AI可实现切片的智能化管理,提高运维效率;3)向RAN延伸切片的灵活调度能力;4)支持切片联合编排部署。网络切片将演进为5G和未来网络的关键能力。

五、结束语

本文对5G核心网中的网络切片实现方案进行了详细探讨,包括切片管理平面设计、切片选择机制、资源隔离方案等内容,并分析了SDN/NFV/云化平台等关键技术。网络切片是实现5G网络弹性和智能的基石,未来还需要持续优化切片的安全性、资源管理和技术路线图。5G支持网络切片的商用,将推动不同垂直行业的数字化转型。

参考文献：

[1]严晓健.5G核心网关键技术网络切片研究[J].科学大众, 2021, 000(003):P.66-66,69.

[2]蔡安辉.5G核心网关键技术网络切片分析[J].通讯世界, 2020, 27(1):2.DOI:CNKI:SUN:TXSJ.0.2020-01-121.

[3]杨磊,闫宁.5G移动网络切片技术实现方案[J].中国新通信, 2019, 21(09):15-17.

[4]康兰兰,陈其铭,赵侠.5G无线网络子切片方案探讨[C]//2019广东通信青年论坛.0[2023-09-27].