5G切片是否会让运营商变成“缝补匠”?运营商专家这样解读
5G切片技术实现起来远没有那么容易,“比想象的要更复杂,更凌乱”
作者:通信世界
来源:通信世界
2017-06-06 10:39:00

话题导火线:

什么是网络切片?这个新概念早已随着5G的各类报道频频见于媒体。准确地说,网络切片技术可以让运营商在一个硬件基础设施中切分出多个虚拟的端到端网络,每个网络切片在设备、接入网、传输网以及核心网方面实现逻辑隔离,适配各种类型服务并满足用户的不同需求。

但日前国际上一位业内专家提出,5G切片技术实现起来远没有那么容易,“比想象的要更复杂,更凌乱”,需要根据服务等级或网络拓扑、垂直领域、虚拟运营商业务、不同的网络技术等切片,但“这些切片是相互综合交错的”,运营商终将会变成一个“缝补匠”,想尽办法将这些“切片”缝合起来,这样一来,运营商不再像个运营商,而更像一个“系统集成商”。

基于此,通信世界全媒体近日邀请了各大运营商和设备商来解读关于5G切片的技术与商业,试图为读者摸清这个新技术的发展脉络。

关于5G切片技术的架构和商业前景,中国电信和中国移动的专家,分别从专业角度做了如下解读。

中国电信:网络切片是5G理想架构,但商用仍有诸多挑战

中国电信股份有限公司技术创新中心  

李金艳 杨峰义 梅承力

5G时代即将到来,基于移动网络的应用也越来越丰富,为满足众多应用的差异化需求,在5G技术的研究过程中,网络切片是讨论最多的技术。网络切片概念允许在每个网络切片中容易地配置和重用网络元件及功能以满足特定的应用要求,因此众多业界人士均认为网络切片是5G时代的理想网络架构。

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网络切片技术可以让运营商在一个硬件基础设施中切分出多个虚拟的端到端网络,每个网络切片在设备、接入网、传输网以及核心网方面实现逻辑隔离,适配各种类型服务并满足用户的不同需求。

对每一个网络切片而言,网络带宽、服务质量、安全性等专属资源都可以得到充分保证。由于切片之间相互隔离,一个切片的错误或故障不会影响到其他切片的通信。网络切片技术的优势使其在5G网络中占有重要位置。

3GPP、NGMN、GSMA的网络切片标准进展

在5G大框架下满足网络对不同业务灵活支持的需求,不同标准组织如3GPP、NGMN、GSMA均对网络切片展开了相关研究。

3GPP网络切片标准进展

从2015年开始,3GPP启动了5G相关的标准研究和制定工作,并计划在R14~R16 3个大版本中完成相关标准的制定,网络切片作为5G的重要技术,得到了3GPP的高度重视。SA1的场景研究、SA2的框架制定和SA5的网络管理均对网络切片制定了专门的课题。

SA1在TS22.261中把网络切片作为5G的基础能力进行了需求分析,认为网络切片可以为运营商提供定制化的网络,可以通过网络切片这种方式满足用户在优先级、计费、策略控制、安全、移动性等功能方面的差异化需求,以及在时延、可靠性、速率等性能方面的差异化的需求。

5G切片还可以服务于公共安全和MVNO等群组用户,使网络变得更为灵活。此外SA1工作组还要求后续制定的5G系统标准必须满足上述切片的要求。

SA2工作组在TR23.799下一代网络架构研究中提出了三大备选网络切片场景。

方案A:核心网的所有功能均切片,在一个核心网的切片实例中既包括用户面部分,也包括控制面部分。

方案B:核心网的控制面部分共享功能不切片,作为各切片的共享部分,用户面及不适合共享的控制面功能切片。

方案C:核心网控制面不切片而且功能共享,仅用户面切片。

经讨论决定,在R15之前仅考虑方案B(方案C做为方案B的特殊场景)的切片方案,即仅考虑用户面和控制面的部分功能切片,如图1所示。

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图1 方案B的网络切片示意

此外,SA2工作组围绕切片的选择和实现等功能达成如下结论(详见TS23.501规范的5.15章)。

• 网络切片是包含接入网和核心网的逻辑网络,通过切片的形式提供相关的通信业务和网络能力。网络切片可以按照提供特性的不同来划分,在提供相同特性的前提下,也可以通过切片来实现用户分组。

• 终端通过提供网络切片选择辅助信息(NSSAI)来选择和组建切片相关的实例,每一条网络切片选择辅助信息对应一个网络切片,包含业务的类型及业务类型的差异因子。这个网络切片选择辅助信息可以是预配置的也可以是终端附着后从网络获取的。具备切片功能的网络可以依据终端提供的网络切片选择辅助信息来为终端选择切片。

• 用户可以通过一个无线网络同时接入多个核心网切片,这种场景下,所有这些切片由一个公共的接入和移动性管理模块(AMF)来管理。

• 每个PDU会话只能由一个网络切片管理。

• 由核心网而不是无线侧来选择为用户服务的核心网切片实例,用户被允许接入哪些网络切片要写入签约数据中。

• 用户的切片选择功能可以通过网络运营商提供网络切片选择策略(NSSP)来实现,这个策略包含切片选择相关的规则,协助用户完成切片的选择功能。

目前SA2工作组针对切片选择模块是联合已有模块(如AMF)部署还是单独部署,正在做进一步的讨论和研究,对网络切片的管理以及与传输的关联等问题也在做进一步的确认和研究。

在网络切片的管理方面,基于SA1/SA2/NGMN等标准组织对切片在管理和配置方面的需求,SA5工作组研究了对切片的管理和调度方法,以及跨多合作方、跨多域的切片管理,自动化地实现并管理不同切片之间资源的隔离。

为迎合更灵活的切片网络,SA5已经明确SON也将在5G中发挥重要的作用。目前针对网络切片调度和管理的研究报告TR28.801即将完成。

NGMN网络切片标准进展

NGMN在5G白皮书里介绍了网络切片的概念,认为该技术可以基于业务的需求来灵活地选择用户面、控制面以及无线侧的模块和资源,可以优化网络资源分配,实现最大成本效率,满足多元5G新业务的需求。

如图2所示,将网络切片定义为包含业务实例层、网络切片实例层和资源层的综合概念。业务实例层标识这个切片支持的业务,可以由网络运营商或第三方提供;网络切片实例层供运营商创建切片实例,资源层提供共享的资源供各切片实例使用。

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图2 NGMN定义的网络切片概念

白皮书指出,为实现上述灵活的架构性,必须将用户面和控制面完全分开,并在各模块之间建立开放的连接。白皮书同时指出,模块以及切片的粒度如何划分是一个复杂的问题,细的粒度能带来更好的灵活性,但是也会极大地提升管理和部署的复杂度。

GSMA网络切片标准进展

GSMA作为移动运营商广泛参与的组织,也非常重视网络切片的相关研究及工业化应用。2017年GSMA专门成立了NEST项目组从事支持车辆应用的网络切片相关研究,该工作组从2017年3月开始相关的研究工作,预计一年时间内深化完成5G移动网络如何更好地服务于车辆工业相关应用的研究并形成可供汽车工业参考的切片文档。

为完成这一目标,目前GSMA已经开展了汽车工业的需求收集以及针对性的网络切片参数定义等工作。

国内网络切片测试已进入二阶段

2016年上半年,IMT-2020推进组联合各单位制定了网络切片测试规范,测试采取自愿原则,测试地点为各厂商实验室,华为、中兴、爱立信、上海诺基亚贝尔、大唐电信、英特尔等单位均参与了相应的测试,测试在2016年第三季度完成。

第一阶段各厂商设备基本还处于原型机阶段,测试主要注重功能性,围绕切片模板、切片的生命周期管理、切片选择、切片共享、切片的多接入、切片的维护、切片的业务指标等特性共20多个用例展开测试。

目前正在讨论第二阶段的测试规范,计划测试切片选择、切片的编排能力、联动扩展以及典型切片的业务能力验证等内容,预计2017年6月底冻结测试规范。第二阶段的测试进一步增加了功能项并注重可用性,测试统一在中国信通院进行。

部署、管理和应用面临重重挑战

从前面的分析中可以看出,目前有关网络切片的标准还在制定及完善过程中,业界可进行的测试也还停留在实验室阶段。作为移动运营商,除了关心技术研究的进展,更关心切片的部署、管理和应用。网络切片在达到商业部署的要求之前,有如下问题要重点关注和解决。

切片划分的粒度和灵活性切片之所以被大家关注,因为可以通过网络细分的方式满足多种业务以及不同用户组的需求。划分多少切片以及切片的粒度如何是部署过程中不能回避的复杂问题。切片粒度过大容易导致灵活性不够,不能很好地满足差异化服务的要求;切片粒度过细会极大地提升管理和部署复杂度。另外,由于切片之间的资源不能动态共享,过细的切片粒度也会降低网络资源的利用率。

切片的最大优势在于业务的灵活发布和部署,针对切片部署上的灵活性不同运营商也有不同的看法,有些运营商希望切片能非常灵活地部署,如同4G的策略控制架构一样具有一定的实时性。还有一些运营商认为过于灵活的切片可能会提升网络管理方面的成本与风险,毕竟稳定性与可靠性也是网络重要的考量指标,并且新业务的发布也不是一蹴而就的,需要大量的商业准备和分析。

端到端的切片实现

NGMN在5G白皮书中提到的5G切片愿景是端到端的网络切片的实现,不仅包含核心网用户面与控制面的切片,也包含无线侧的切片,只有端到端的切片和网络细化才能满足特殊场景在时延、安全性等方面的特殊要求。

目前无线侧的切片研究停留在对核心网切片功能的支持上,还没有单独考虑无线切片的场景。基于现有的核心网切片功能并不能很好地满足典型业务场景的差异化需求,缺失了无线侧的网络切片不能很好地体现切片的价值和优势,不可能得到很好地商业推动。无线侧切片功能什么时候完成给端到端切片应用带来了技术上的不确定性。

切片虚拟化管理

SDN/NFV是切片技术实现的基石,切片功能要纳入虚拟化的管理与调度系统中,3GPP SA5已经开展了相关的研究工作。受限于SA2及RAN架构研究的进展,目前SA5在切片管理方面还没有给出明确的结论。另外,虚拟化的管理如何提高响应速度来保证切片的灵活可靠实现也需要继续进行深入研究。

切片的后向兼容问题

在TS23.501的切片场景分析中,针对5G的三大典型应用,目前明确提出的有eMBB、uRLLC和mMTC三大业务场景。考虑到对现有网络的兼容性,能不能把4G网络作为5G的一个特殊切片来管理和接纳?

如果技术上可行,将可以避免考虑4G与5G之间复杂的互操作问题,保护现有投资,并可极大方便现网用户。

切片的应用

5G从诞生之初就被大家寄予厚望,希望5G能满足eMBB、uRLLC和mMTC等多种复杂应用场景的需求。基于不同应用对网络需求的不同,网络切片在5G的架构下应运而生,好的应用和好的商业模式是网络发展的原动力。

希望在5G部署时,网络不再是管道和数据搬运工,而是在部署之初就粘合了应用和用户的丰富网络。为此,切片在诞生之初要更好地关注应用需求,在技术规范制定时要联合行业内的典型应用,在部署时更要和应用联合部署。

目前,GSMA已经开展了相应的工作,针对汽车行业的切片需求和组网成立了专门的项目组进行了研究,目前在需求的讨论中并没有汽车生产或者运营企业活跃地参与。要想把切片真正用好,从技术制定到网络试验再到运营都少不了应用企业的参与,只有这样才能开发好切片应用的市场。

中国移动:切片技术使网络灵活高效,国内已开展试点

通信世界全媒体记者 程琳琳

为满足5G网络的需求,中国移动作为国内领先的运营商一直在积极开展网络切片方面的研究工作。在2017年MWC展会上,中国移动联合华为、德国电信、大众集团发布了《服务可保证的5G网络切片白皮书》。

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中国移动在网络切片白皮书中肯定了网络切片在5G中承担的重要角色,同时指出为保证5G网络能够应对多变的业务需求,尤其是对垂直行业的业务需求,网络切片将提供服务可保证的端到端网络解决方案。

网络切片的切法多样化

网络切片技术可以通过将网络进行分割,充分提高网络资源的利用率,使网络更加灵活、高效地适应5G的业务需求。切片技术也是未来5G网络应当具备的能力,可以使CT系统像IT系统一样进行虚拟化管理和维护。

如果要实现CT系统的IT化,那么网络的SDN/NFV化是实现端到端网络切片的基础。运营商可以通过SDN/NFV平台把网络资源进行虚拟匹配、映射,生成不同的逻辑功能,再通过编排器提供相应的服务以满足各个应用场景对网络能力的需求,从而实现网络的切片。

在第一届全球5G大会上,IMT-2020(5G)推进组发布的《5G网络架构设计》白皮书指出,与4G移动互联网相对单一的应用模式不同,5G网络的服务对象是海量丰富类型的终端和应用,其报文结构、会话类型、移动规律和安全性需求都不尽相同,网络必须针对不同应用场景的服务需求引入不同的功能设计。

具体的网络切片方法有很多种,例如可以按照业务场景、服务等级、网络制式以及企业不同来进行切片。按业务场景切片,可以按5G的三大业务场景进行切片;按服务等级切片,例如中国移动可以将具有特殊安全需求的用户划分出一个切片,并采用特殊的计费方式;还可以按照企业不同进行切片,将同一类型的企业划分为一个切片,可以提供一些定制化服务。

虽然切片的优势显而易见,但是切片并不是越多越好。在灵活性增加的同时,切片过多会造成不同切片之间的动态管理和资源共享难度增加,对平台、编排、管理等都是比较大的挑战。

切片不一定越多越好,重要的是如何充分地把相似需求归为一类,从而减少切片数量对平台的挑战。对网络进行切片后,还需要使用网络编排器对切片进行统筹管理,实现资源合理安排,高效地针对业务需求进行调度。

网络切片部署面临的挑战

网络切片的理念是希望用IT的方式改造CT系统,这在CT系统还没有成功的案例,虽然中国移动也在探索,但是目前还没有大规模的商业案例来佐证这种方式一定可行。从目前发展状况来看,将切片理念应用到现网,将面临以下挑战。

一方面,SDN/NFV是否适合电信级的大规模网络,特别对传统运营商来说,如何保证几亿用户以及大量的数据在现网可靠地运行。

另一方面,如果要做到网络切片,不仅切片的动态实时生成、管理和维护方式需要探索,而且生成多少切片,切片之间怎样共享、隔离资源,以及安全性问题都需要进行探索。

未来核心网和无线网边界会变得模糊

网络切片技术不仅带来业务部署方面的改变,还会带来网络结构方面的变化。未来低时延应用要求本地化部署,相互之间直接交互信息,在这种情况下核心网有些功能就要下沉,甚至会非常靠近基站,这样才能真正保证业务直接下发到用户,保证较短的时延。

低时延、高可靠业务是未来5G的重要业务,要求网络端到端的延迟仅有几毫秒,如果按传统的方式部署网络,从无线网到和核心网经历的网元太多时延就会增大,这会造成时延很难满足业务的需求。因此将核心网的功能下沉到边缘以减少传输经过的网元数量从而降低时延,将是未来网络发展的重要趋势。

网络切片技术可能会导致核心网和无线网的边界变得模糊。切片技术可以灵活地根据用户需求来调动网络资源,从而构成虚拟网络。这些切片之间逻辑上是独立的,但物理上是共享的。

4G网络采用核心网集中式部署、无线网边界部署的方式,而在未来5G网络中,无线网和核心网的边界将会变得模糊。不仅核心网下沉到边缘,无线网将来也会有集中式部署的趋势,如果将协议中非实时的处理从基站里分解出来,基站就可以更好地进行协作,同时MEC的部署也可以更深入。

核心网功能的下沉会带来很多问题,如计费问题。传统核心网采用集中式的经营方式计费,未来核心网功能下沉则计费方式也要改变,如计费的代理可能下放到基站,基站在数据传输过程中把计费信息收集起来上传给集中式的单元。

安全问题是重要的研究方向

将网络进行切片后,如何保证安全性也是非常重要的。安全问题分为两个方面,一方面是用户数据安全,另一方面是网络安全。

在用户数据的安全方面,不同的用户对安全性的需求不同,可以采用物理隔离等方式为不同用户制定不同的解决方案。

在网络安全方面,重要的是防止网络自身被攻击。核心网一直以来都采用集中式部署,比较易于管理,安全性容易得到保证。未来如果核心网下沉到边缘甚至是基站,而基站周围环境的安全性难以保证,一旦网络被攻击,数据的安全性就面临极大威胁。因此网络进行切片后,如何保证网络自身安全是一个极大的挑战。

为了保证网络切片后的安全性,需要进行多方面的考虑,但不能因噎废食,既要兼顾灵活性又要保证安全性,两方面兼顾将是未来重要的研究方向。

国内外积极推进5G技术落地

5G网络以用户为中心、功能模块化、网络可编排为核心理念,重构网络控制和转发机制,改变单一管道和固化的服务模式,基于通用共享的基础设施为不同用户和行业提供按需定制的网络架构,而且要构建资源全共享、功能易编排、业务紧耦合的社会化信息服务使能平台,从而满足极致体验、效率和性能要求,以及“万物互联”的愿景。

国内外运营商都在密切关注5G切片技术的进展。AT&T、德国电信等国外运营商正积极研究5G切片技术并展开了业务试验,试图通过试验带动研发体系、运维体系进行调整以适应未来平台的变化。AT&T提出,希望未来网络完全实现软件化、虚拟化,开发和应用紧密结合。而保守的运营商则考虑使用现有的EPC通过虚拟化的形式来实现部分功能。

“面向新的需求和技术挑战,全球运营商、设备商和垂直行业应该共同考虑如何进一步提升网络切片的可用性,需要接入网、核心网、传输和承载网、网络功能、网络平台和业务层等多领域的跨层与协同,并以更开放的方式进行创新设计。”中国移动技术部王晓云总经理表示。

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中国移动争取在2020年5G全面商用时实现网络的切片化,并实现端到端的网络能力。中国移动正在尝试用SDN/NFV技术改造EPC或IMS系统,目前在做5G切片方面的试点,取得了很好的进展。希望这些实践可以给未来5G应用做铺垫,推动5G核心网端到端切片的实现。

中国移动还将与华为、中兴等设备厂商进行合作测试,配合正在进行的5G测试,逐步将5G切片技术推向成熟。

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