5G承載網(wǎng)絡切片管控技術研究

  5G新應用場景帶來了業(yè)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(wǎng)絡技術，這些新的承載網(wǎng)絡技術對網(wǎng)絡管控提出新的需求，包括和上層管控系統(tǒng)實現(xiàn)端到端的協(xié)同，支持網(wǎng)絡資源的切片管控，并提供網(wǎng)絡資源、切片及業(yè)務的智能運維。

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

  承載網(wǎng)絡協(xié)同管控需求

  不同的5G業(yè)務應用場景帶來了新的端到端業(yè)務協(xié)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(wǎng)絡應用場景需要管控系統(tǒng)支持切片的快速創(chuàng)建與調(diào)整，要求管控系統(tǒng)具備切片的規(guī)劃、自動部署、業(yè)務開通及自動運維能力。低時延業(yè)務應用，比如虛擬現(xiàn)實(VR)、強交互性的游戲則要求網(wǎng)絡具備3 ms/6 ms量級的低時延保障，因此要求管控系統(tǒng)具備基于時延的業(yè)務管控、路徑規(guī)劃及業(yè)務性能保障能力;uRLLC高質(zhì)量垂直行業(yè)(如智能電網(wǎng))等應用場景，則要求5G承載網(wǎng)絡提供差異化的切片保障、高業(yè)務等級協(xié)議(SLA)網(wǎng)絡可靠性及時延保障。

表1 5G新業(yè)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(tǒng)要具備差異化的網(wǎng)絡保障機制及業(yè)務隔離管控機制，能夠提供時延等網(wǎng)絡參數(shù)的控制，并具備網(wǎng)絡故障分段定位能力，能夠最大程度地保障垂直行業(yè)業(yè)務質(zhì)量，滿足不同網(wǎng)絡用戶的業(yè)務需求。為此，承載網(wǎng)絡管控系統(tǒng)應支持的承載網(wǎng)絡切片管控需求如下。

  (1)面向不同業(yè)務場景，實現(xiàn)切片網(wǎng)絡資源的靈活配置。網(wǎng)絡能力的按需組合，虛擬組成具備多個網(wǎng)絡能力的邏輯子網(wǎng)，跨層管控系統(tǒng)間交互拓撲和網(wǎng)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(xiàn)核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)的子切片協(xié)同，承載網(wǎng)管控系統(tǒng)可以基于上層管控系統(tǒng)的需求，完成切片資源的創(chuàng)建、刪除、調(diào)整等操作。

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

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

  承載網(wǎng)絡切片管控關鍵技術

  1、承載網(wǎng)絡切片協(xié)同管控架構

  傳送網(wǎng)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(guī)范TS 28. 530[1]給出了3GPP管控系統(tǒng)和非3GPP管控系統(tǒng)之間進行協(xié)同的架構，同時定義了3GPP管控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡系統(tǒng)、承載網(wǎng)管控系統(tǒng)互通過程中需要交互的內(nèi)容，包括獲取這些非3GPP系統(tǒng)的能力信息、向非3GPP系統(tǒng)提供切片需求以及資源需求、和非3GPP系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交互。3GPP管理系統(tǒng)可將客戶需求進行分解，向RAN、無線核心網(wǎng)(CN)和傳送網(wǎng)(TN)的管理系統(tǒng)發(fā)送客戶需求。ITU-T GSTR-TN5G[2]報告也對支持3GPP網(wǎng)絡切片的傳送網(wǎng)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(nèi)部功能實現(xiàn)方案，在現(xiàn)有的軟件定義網(wǎng)絡(SDN)組件功能基礎上，引入新的元件實現(xiàn)虛擬網(wǎng)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(tǒng)之間VN資源的映射關系和抽象策略。

  承載網(wǎng)絡端到端協(xié)同管控架構如圖1所示。5G承載網(wǎng)絡管控系統(tǒng)可提供標準的北向接口(NBI)，為上層管控系統(tǒng)使用。5G承載管控系統(tǒng)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(xiàn)多廠商、多區(qū)域之間的業(yè)務編排和切片編排，同時引入人工智能，提升承載網(wǎng)絡切片、業(yè)務發(fā)放和多層網(wǎng)絡運維的效能。

圖1 5G承載網(wǎng)端到端協(xié)同管控架構

  2、承載網(wǎng)絡切片全生命周期管理

  3GPP規(guī)定了網(wǎng)絡切片的管控流程[1]，包括準備階段、調(diào)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(wǎng)絡管控系統(tǒng)的網(wǎng)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(wǎng)絡切片之前，承載網(wǎng)絡管控系統(tǒng)將其資源和網(wǎng)絡切片能力信息進行抽象，和上層的管控系統(tǒng)進行交互，同時也可以和上層管控系統(tǒng)交互策略信息。

  (2)切片操作：承載網(wǎng)絡管控系統(tǒng)接收到上層管控系統(tǒng)的子網(wǎng)絡切片請求后，自動地發(fā)起切片網(wǎng)絡的創(chuàng)建，包括切片資源的規(guī)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(wǎng)絡承載的業(yè)務，釋放切片網(wǎng)絡占用的資源。

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

  在切片編排管理過程中，通過如表2所示的業(yè)務編排映射模板，將上層網(wǎng)絡的切片需求與承載網(wǎng)絡資源進行映射，將切片的需求指標映射到具體的網(wǎng)絡切片創(chuàng)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(chuàng)建、管理、監(jiān)控、優(yōu)化、操作的映射，滿足切片網(wǎng)絡業(yè)務的多樣化服務質(zhì)量(QoS)保障需求。

表2 業(yè)務編排映射模板

  3、協(xié)同管控北向接口

  承載網(wǎng)管控系統(tǒng)需要面向多種業(yè)務場景，實現(xiàn)承載網(wǎng)絡切片的規(guī)劃、部署、開通和運維。為實現(xiàn)這一目標，承載網(wǎng)管控系統(tǒng)需通過北向接口，接收上層管控系統(tǒng)發(fā)送的承載網(wǎng)絡的子切片請求，實現(xiàn)自動化的網(wǎng)絡切片。

  當前，在承載網(wǎng)北向接口中采用信息模型對網(wǎng)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(wǎng)絡技術的細節(jié)，使得網(wǎng)絡模型和具體的網(wǎng)絡實現(xiàn)方案無關，僅需標識網(wǎng)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(wǎng)絡模型，天然具備網(wǎng)絡虛擬化的能力，可以用于VN網(wǎng)絡資源的描述，但是具體的VN網(wǎng)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(wǎng)絡和多域協(xié)調(diào)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(yè)務(VNS)等，同時擴展了網(wǎng)絡的能力信息，例如層1連接業(yè)務模型(L1CSM)、層2業(yè)務模型(L2SM)等;IETF、ONF提出的VN管控模型，對5G承載網(wǎng)絡的多層網(wǎng)絡能力信息的描述，以及對VN網(wǎng)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(tǒng)一的VN網(wǎng)絡管控模型，定義了VN資源、VN操作接口，實現(xiàn)了網(wǎng)絡切片的拓撲生成，并通過VN特性條件約束包描述網(wǎng)絡隔離、SLA屬性等特性信息，同時還支持網(wǎng)絡切片的創(chuàng)建、刪除、調(diào)整等操作。該方案中的網(wǎng)絡切片能力信息通過層協(xié)議擴展來實現(xiàn)。

圖3 網(wǎng)絡切片北向接口建模方案

  4、引入人工智能優(yōu)化管控性能

  隨著人工智能技術的發(fā)展，可在管控系統(tǒng)中引入人工智能，提升網(wǎng)絡切片的管控效率。在網(wǎng)絡切片規(guī)劃方面，可引入人工智能，進行自動化的業(yè)務編排;在部署調(diào)整方面，可利用人工智能算法，優(yōu)化調(diào)整結果;在監(jiān)測保障方面，可通過南向接口從底層轉發(fā)設備收集設備狀態(tài)與網(wǎng)絡性能相關的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用機器學習，分析歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，對流量等性能數(shù)據(jù)進行預測，并基于預測的結果對網(wǎng)絡切片進行實時的調(diào)整和優(yōu)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(wǎng)絡切片管控現(xiàn)狀，給出了面向5G承載業(yè)務需求的協(xié)同管控架構及管控層的功能結構，同時分析了承載網(wǎng)絡全生命周期管理流程、VN部署方案、協(xié)同管控北向接口及面向AI的智能網(wǎng)絡切片運維。

  5G承載網(wǎng)絡管控系統(tǒng)通過北向接口，配合上層端到端協(xié)同編排管控系統(tǒng)完成端到端的網(wǎng)絡切片和業(yè)務編排，在5G承載網(wǎng)管控系統(tǒng)內(nèi)部，采用層次化的功能架構，解決承載網(wǎng)絡內(nèi)部多廠商跨域協(xié)同的問題。在網(wǎng)絡切片管控方面，切片管控流程基本明確，但是支持網(wǎng)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(wǎng)絡應用，可以采用統(tǒng)一的管控模型，屏蔽底層網(wǎng)絡技術的實現(xiàn)細節(jié)，在國內(nèi)各個運營商之間形成統(tǒng)一的標準。

  國內(nèi)運營商及設備廠商在實現(xiàn)網(wǎng)絡切片管控及智能運維的過程中，建議面向不同的網(wǎng)絡切片應用場景，定制網(wǎng)絡切片策略模板，采用統(tǒng)一的北向接口，通過和上層管控系統(tǒng)的協(xié)同來實現(xiàn)承載網(wǎng)絡切片的自動化運維，并引入AI智能對網(wǎng)絡切片策略進行優(yōu)化，同時對切片網(wǎng)絡及其業(yè)務進行監(jiān)測、預測和調(diào)優(yōu)，實現(xiàn)切片網(wǎng)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(wǎng)絡研究部主任工程師，高級工程師，博士，主要從事智能光網(wǎng)絡管理與控制領域研究工作。