5G承載網(wǎng)絡(luò )切片管控技術(shù)研究

  5G新應用場(chǎng)景帶來(lái)了業(yè)務(wù)切片隔離需求及大流量、低時(shí)延、高可靠等承載性能要求，為此引入了新的承載網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，這些新的承載網(wǎng)絡(luò )技術(shù)對網(wǎng)絡(luò )管控提出新的需求，包括和上層管控系統實(shí)現端到端的協(xié)同，支持網(wǎng)絡(luò )資源的切片管控，并提供網(wǎng)絡(luò )資源、切片及業(yè)務(wù)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(shù)，分析5G承載網(wǎng)和5G無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)(RAN)、5G核心網(wǎng)以及上層管控系統的端到端協(xié)同管控和監控，通過(guò)引入新的承載接口和網(wǎng)絡(luò )協(xié)同管控能力，提供大帶寬、差異化時(shí)延、虛擬網(wǎng)絡(luò )、開(kāi)放協(xié)同的能力，同時(shí)借助人工智能(AI)技術(shù)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )切片及業(yè)務(wù)智能化運維，滿(mǎn)足5G承載及未來(lái)網(wǎng)絡(luò )持續演進(jìn)的需求。

  承載網(wǎng)絡(luò )協(xié)同管控需求

  不同的5G業(yè)務(wù)應用場(chǎng)景帶來(lái)了新的端到端業(yè)務(wù)協(xié)同管控需求。如表1所示，增強移動(dòng)寬帶(eMBB)、超高可靠超低時(shí)延通信(uRLLC)、海量機器類(lèi)通信(mMTC)網(wǎng)絡(luò )應用場(chǎng)景需要管控系統支持切片的快速創(chuàng )建與調整，要求管控系統具備切片的規劃、自動(dòng)部署、業(yè)務(wù)開(kāi)通及自動(dòng)運維能力。低時(shí)延業(yè)務(wù)應用，比如虛擬現實(shí)(VR)、強交互性的游戲則要求網(wǎng)絡(luò )具備3 ms/6 ms量級的低時(shí)延保障，因此要求管控系統具備基于時(shí)延的業(yè)務(wù)管控、路徑規劃及業(yè)務(wù)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(chǎng)景，則要求5G承載網(wǎng)絡(luò )提供差異化的切片保障、高業(yè)務(wù)等級協(xié)議(SLA)網(wǎng)絡(luò )可靠性及時(shí)延保障。

表1 5G新業(yè)務(wù)應用場(chǎng)景對應的管控需求

  通過(guò)上面的分析可以看出，管控系統要具備差異化的網(wǎng)絡(luò )保障機制及業(yè)務(wù)隔離管控機制，能夠提供時(shí)延等網(wǎng)絡(luò )參數的控制，并具備網(wǎng)絡(luò )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(wù)質(zhì)量，滿(mǎn)足不同網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)的業(yè)務(wù)需求。為此，承載網(wǎng)絡(luò )管控系統應支持的承載網(wǎng)絡(luò )切片管控需求如下。

  (1)面向不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景，實(shí)現切片網(wǎng)絡(luò )資源的靈活配置。網(wǎng)絡(luò )能力的按需組合，虛擬組成具備多個(gè)網(wǎng)絡(luò )能力的邏輯子網(wǎng)，跨層管控系統間交互拓撲和網(wǎng)絡(luò )資源抽象信息以及切片能力和策略信息。

  (2)通過(guò)端到端的編排及開(kāi)放的接口，實(shí)現核心網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)、傳輸網(wǎng)的子切片協(xié)同，承載網(wǎng)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(chuàng )建、刪除、調整等操作。

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

  (4)支持對切片網(wǎng)絡(luò )的運維監控，通過(guò)對切片網(wǎng)絡(luò )中的告警、流量、時(shí)延等性能參數的監測，保障切片客戶(hù)的SLA。管控系統可以基于網(wǎng)絡(luò )監控結果，對切片網(wǎng)絡(luò )的資源及其承載業(yè)務(wù)進(jìn)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(wǎng)絡(luò )切片管控關(guān)鍵技術(shù)

  1、承載網(wǎng)絡(luò )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(diǎn)。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(jìn)行協(xié)同的架構，同時(shí)定義了3GPP管控系統和數據中心網(wǎng)絡(luò )系統、承載網(wǎng)管控系統互通過(guò)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(jìn)行數據交互。3GPP管理系統可將客戶(hù)需求進(jìn)行分解，向RAN、無(wú)線(xiàn)核心網(wǎng)(CN)和傳送網(wǎng)(TN)的管理系統發(fā)送客戶(hù)需求。ITU-T GSTR-TN5G[2]報告也對支持3GPP網(wǎng)絡(luò )切片的傳送網(wǎng)絡(luò )功能及相關(guān)管控技術(shù)進(jìn)行了描述。ITU-T SG15 Q12/Q14工作組主要研究SDN架構內部功能實(shí)現方案，在現有的軟件定義網(wǎng)絡(luò )(SDN)組件功能基礎上，引入新的元件實(shí)現虛擬網(wǎng)絡(luò )(VN)管控功能，分析新元件和原有SDN控制器組件之間的關(guān)系，同時(shí)研究不同管控系統之間VN資源的映射關(guān)系和抽象策略。

  承載網(wǎng)絡(luò )端到端協(xié)同管控架構如圖1所示。5G承載網(wǎng)絡(luò )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(jìn)行多層混合部署，整個(gè)管控架構具備可擴展性，并實(shí)現多廠(chǎng)商、多區域之間的業(yè)務(wù)編排和切片編排，同時(shí)引入人工智能，提升承載網(wǎng)絡(luò )切片、業(yè)務(wù)發(fā)放和多層網(wǎng)絡(luò )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(luò )切片全生命周期管理

  3GPP規定了網(wǎng)絡(luò )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(gè)不同的階段。參照3GPP的切片管控流程，5G承載網(wǎng)絡(luò )管控系統的網(wǎng)絡(luò )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(luò )切片之前，承載網(wǎng)絡(luò )管控系統將其資源和網(wǎng)絡(luò )切片能力信息進(jìn)行抽象，和上層的管控系統進(jìn)行交互，同時(shí)也可以和上層管控系統交互策略信息。

  (2)切片操作：承載網(wǎng)絡(luò )管控系統接收到上層管控系統的子網(wǎng)絡(luò )切片請求后，自動(dòng)地發(fā)起切片網(wǎng)絡(luò )的創(chuàng )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(wǎng)絡(luò )承載的業(yè)務(wù)，釋放切片網(wǎng)絡(luò )占用的資源。

  (3)切片維護：承載網(wǎng)絡(luò )管控系統對切片網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行監測，包括告警、流量、時(shí)延等性能信息。承載網(wǎng)絡(luò )管控系統可以基于網(wǎng)絡(luò )監測結果，對分配給切片的資源進(jìn)行優(yōu)化和調整，保障切片網(wǎng)絡(luò )的SLA資源。

  在切片編排管理過(guò)程中，通過(guò)如表2所示的業(yè)務(wù)編排映射模板，將上層網(wǎng)絡(luò )的切片需求與承載網(wǎng)絡(luò )資源進(jìn)行映射，將切片的需求指標映射到具體的網(wǎng)絡(luò )切片創(chuàng )建策略及資源分配策略上，完成從用戶(hù)需求到具體的切片創(chuàng )建、管理、監控、優(yōu)化、操作的映射，滿(mǎn)足切片網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)的多樣化服務(wù)質(zhì)量(QoS)保障需求。

表2 業(yè)務(wù)編排映射模板

  3、協(xié)同管控北向接口

  承載網(wǎng)管控系統需要面向多種業(yè)務(wù)場(chǎng)景，實(shí)現承載網(wǎng)絡(luò )切片的規劃、部署、開(kāi)通和運維。為實(shí)現這一目標，承載網(wǎng)管控系統需通過(guò)北向接口，接收上層管控系統發(fā)送的承載網(wǎng)絡(luò )的子切片請求，實(shí)現自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò )切片。

  當前，在承載網(wǎng)北向接口中采用信息模型對網(wǎng)絡(luò )資源及操作進(jìn)行建模，由于北向接口面向上層應用，可以屏蔽底層網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的細節，使得網(wǎng)絡(luò )模型和具體的網(wǎng)絡(luò )實(shí)現方案無(wú)關(guān)，僅需標識網(wǎng)絡(luò )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(luò )模型，天然具備網(wǎng)絡(luò )虛擬化的能力，可以用于VN網(wǎng)絡(luò )資源的描述，但是具體的VN網(wǎng)絡(luò )操作需要進(jìn)一步擴展。IETF提出的ACTN架構[4]定義了客戶(hù)管控接口(CMI)的接口模型[5]，用于客戶(hù)網(wǎng)絡(luò )和多域協(xié)調控制器的交互;ACTN模型定義了VN的相關(guān)對象，如VN拓撲、接入點(diǎn)、VN業(yè)務(wù)(VNS)等，同時(shí)擴展了網(wǎng)絡(luò )的能力信息，例如層1連接業(yè)務(wù)模型(L1CSM)、層2業(yè)務(wù)模型(L2SM)等;IETF、ONF提出的VN管控模型，對5G承載網(wǎng)絡(luò )的多層網(wǎng)絡(luò )能力信息的描述，以及對VN網(wǎng)絡(luò )的操作等定義仍需進(jìn)一步完善。

  參考IETF、ONF的VN管控模型，在北向接口模型建模過(guò)程中，可采用類(lèi)似圖3的建模方案，該模型采用統一的VN網(wǎng)絡(luò )管控模型，定義了VN資源、VN操作接口，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )切片的拓撲生成，并通過(guò)VN特性條件約束包描述網(wǎng)絡(luò )隔離、SLA屬性等特性信息，同時(shí)還支持網(wǎng)絡(luò )切片的創(chuàng )建、刪除、調整等操作。該方案中的網(wǎng)絡(luò )切片能力信息通過(guò)層協(xié)議擴展來(lái)實(shí)現。

圖3 網(wǎng)絡(luò )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(zhù)人工智能技術(shù)的發(fā)展，可在管控系統中引入人工智能，提升網(wǎng)絡(luò )切片的管控效率。在網(wǎng)絡(luò )切片規劃方面，可引入人工智能，進(jìn)行自動(dòng)化的業(yè)務(wù)編排;在部署調整方面，可利用人工智能算法，優(yōu)化調整結果;在監測保障方面，可通過(guò)南向接口從底層轉發(fā)設備收集設備狀態(tài)與網(wǎng)絡(luò )性能相關(guān)的監測數據，利用機器學(xué)習，分析歷史監測數據，對流量等性能數據進(jìn)行預測，并基于預測的結果對網(wǎng)絡(luò )切片進(jìn)行實(shí)時(shí)的調整和優(yōu)化。

圖4 引入人工智能提升切片運維效能

  結束語(yǔ)

  本文分析了承載網(wǎng)絡(luò )切片管控現狀，給出了面向5G承載業(yè)務(wù)需求的協(xié)同管控架構及管控層的功能結構，同時(shí)分析了承載網(wǎng)絡(luò )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(luò )切片運維。

  5G承載網(wǎng)絡(luò )管控系統通過(guò)北向接口，配合上層端到端協(xié)同編排管控系統完成端到端的網(wǎng)絡(luò )切片和業(yè)務(wù)編排，在5G承載網(wǎng)管控系統內部，采用層次化的功能架構，解決承載網(wǎng)絡(luò )內部多廠(chǎng)商跨域協(xié)同的問(wèn)題。在網(wǎng)絡(luò )切片管控方面，切片管控流程基本明確，但是支持網(wǎng)絡(luò )切片的北向接口標準化仍需要進(jìn)一步完善，由于北向接口面向上層網(wǎng)絡(luò )應用，可以采用統一的管控模型，屏蔽底層網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的實(shí)現細節，在國內各個(gè)運營(yíng)商之間形成統一的標準。

  國內運營(yíng)商及設備廠(chǎng)商在實(shí)現網(wǎng)絡(luò )切片管控及智能運維的過(guò)程中，建議面向不同的網(wǎng)絡(luò )切片應用場(chǎng)景，定制網(wǎng)絡(luò )切片策略模板，采用統一的北向接口，通過(guò)和上層管控系統的協(xié)同來(lái)實(shí)現承載網(wǎng)絡(luò )切片的自動(dòng)化運維，并引入AI智能對網(wǎng)絡(luò )切片策略進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對切片網(wǎng)絡(luò )及其業(yè)務(wù)進(jìn)行監測、預測和調優(yōu)，實(shí)現切片網(wǎng)絡(luò )的智能運維。

  參考文獻

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  [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(jiǎn)介

  徐云斌 中國信息通信研究院技術(shù)與標準研究所寬帶網(wǎng)絡(luò )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(luò )管理與控制領(lǐng)域研究工作。