“2019年是5G元年。”2019年2月18日，上海移动和华为在虹桥火车站正式启动建设5G网络，计划在2019年内完成5G网络深度覆盖。时隔不久，在2月25日开幕的2019世界移动通信大会上，5G成为整场会展的关键词，全球各大手机厂商争相发布旗下首款5G手机，以5G为主题的论坛和研讨会就超过了20场。目前，我国在5G研发和部署方面处于全球前列，在3月举办的全国两会上，5G更是被带入两会新闻中心。为了促进5G通信的技术交流，推动我国5G通信技术的发展，《电子技术应用》杂志拟于2019年第8期（8月6日出刊）开始陆续推出“5G通信”相关主题专栏。现特面向国内外相关领域专家、学者、工程技术人员征集相关主题稿件。特约主编：朱雪田，北京邮电大学工学博士，教授级高级工程师，中关村国家自主创新示范区高端领军人才，北京邮电大学通信与信息专业工程硕士导师，现就职于中国电信智能网络与终端研究院。长期从事4G/5G移动通信和互联网技术创新与研发工作，作为项目组长先后负责多个4G/5G领域的移动通信国家重大项目，发表学术论文超过50篇，发明专利100余篇，个人专著3本。网络切片是5G热点技术之一，而切片管理的灵活性和时效性是部署中的重要问题。在介绍5G网络切片创建与管理机制的基础上，针对当前切片管理中存在的不足，提出了一种基于5G网络能力开放的网络切片管理架构，并对该架构下网络切片参数优化流程和典型应用场景进行讨论。5G能力开放的时效性优势将大幅提升网络切片管理灵活性，并保证用户业务体验。
中文引用格式： 李红祎，赵一荣，李金艳，等. 基于能力开放的5G网络切片管理研究[J].电子技术应用，2020，46(1)：1-5，11.
英文引用格式： Li Hongyi，Zhao Yirong，Li Jinyan，et al. Research on 5G network slice management based on network exposure[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(1)：1-5，11.
切片技术是5G网络的重要特性，该技术可实现将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端的网络，每个虚拟网络之间(包括接入、传输和核心网)逻辑独立，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其他的虚拟网络。网络切片技术优势在于运营商基于业务场景的需要，自主定义切片对应的网络特性，包括延迟、速率、连接密度、频谱效率、流量容量和网络效率等，通过网络配置的灵活性保证用户体验。同时，单个切片更改和添加在网络管理层面具有独立性，无需考虑对网络其他部分的影响。当前3GPP标准定义的网络切片管理是基于业务需要的单向管理系统，本文提出一种基于网络能力开放的5G切片管理方法，通过网络开放能力反馈切片管理所需网络参数和运行状态，更好地实现切片管理的灵活性和时效性。5G移动通信涵盖增强型移动宽带(eMMB)、高可靠低时延通信(uRLLC)和海量机器通信(mMTC)三类典型场景[1]。不同场景对网络性能的需求迥异，单纯沿用类似于3G/4G中面向移动宽带业务QoS方案难以满足5G业务对网络性能的严苛需求，迫切需要网络具备可以面向不同场景的用户需求按需定制的能力。5G系统引入网络切片技术，通过对网络资源的统一管理，为不同业务分配相互隔离，并能够满足业务需求的资源，满足不同业务的不同网络性能需求。为了实现网络切片技术，5G通过引入软件定义网络(Software Defined Network，SDN)与网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization，NFV)技术实现计算、存储与网络资源的统一管理。
1.1 端到端切片管理架构
网络切片的目的在于根据不同业务迥然不同的业务需求灵活地进行资源分配。在资源分配的过程中，如果无线接入网、承载网和核心网各自为政，缺乏全局的资源调配，网络切片势必难以达到其应有的效果。因此，5G对网络切片采用横跨无线接入网、承载网和核心网的端到端切片管理架构，实现对各类资源及QoS的端到端管理。5G网络的端到端切片管理架构如图1所示。
该管理架构采用横纵两个维度协同管理的方案。其中，纵向维度的无线接入网、承载网和核心网各自完成针对其自身的管理功能；网络切片管理功能则在横向维度上协调各个部分的子切片，完成端到端切片的构建。主要功能组件包括：通信服务管理模块(Communication Service Management Function，CSMF)、网络切片管理功能(Network Slice Management Function，NSMF)、网络切片子网管理功能(Network Slice Subnet Management Function，NSSMF)。
1.2 切片管理参数
5G网络切片分配的资源情况与网络切片类型以及其所提供的服务密切相关，网络切片管理过程中需要通过参数表明切片性能指标，以指导切片资源分配的过程。网络切片必须满足其上运行业务的服务等级(Service Level Agreement，SLA)的要求，该要求可以通过网络参数进行描述。单个切片的管理参数分为三类：描述切片服务质量的QoS参数、描述切片服务能力的容量参数和描述其所支持业务类型的业务参数[2]。切片管理过程中，切片管理系统需要将切片参数依据实际需求分解至各个子网。表1展示了网络切片管理所需参数及将其分解至子切片的一种分解方式。
1.3 端到端切片创建
(2)CSMF进行用户需求进行转化，获取业务需求对应的网络切片需求，并将得到的网络切片需求下发给CSMF；(3)NSMF根据CSMF分解得到的网络切片需求进行网络切片实例的创建，向各子切片分解网络子切片需求，并将网络子切片需求向各个子网的NSSMF下发；(4)各子网的NSSMF将其收到的网络子切片需求转换为对网络功能的需求，并调用MANO和EMS完成子切片的管理编排和参数配置；(5)CSMF对部署的切片进行可用性验证，结束切片创建流程。
1.4 切片运营架构
5G网络切片基于网络切片即服务（Network Slice as a Service，NSaaS）的形式进行运营，能够提供包括切片定制部署、计费、数据分析、网络可用性保障等能力，如图3所示。基于切片管理门户构建面向切片用户(服务提供商、行业和家庭用户)的切片管理能力。
1.5 当前存在的挑战
网络切片作为5G的重要特性，受到了业界的极大关注，尽管3GPP、ETSI、CCSA等标准化组织已针对5G网络切片开展了大量研究，但在切片管理上还存在诸多挑战。(1)管理运维难度大：网络切片按需定制、实时部署、灵活保障的特性在为网络带来巨大灵活性的同时，也带来了网络管理的复杂性。端到端切片除了要求网络实现端到端的切片管理，更是要求网络能够支持从物理层到应用层的跨层关联管理能力，使得网络管理与运维更为复杂。(2)配置参数选择困难：网络切片配置包含QoS相关参数（时延、带宽、抖动等）、容量参数（用户数等）、业务相关参数（覆盖、安全性等）等多种参数，而租户对于切片的要求通常是基于业务场景的需求描述，这就要求切片管理系统能够准确理解切片租户的需求，并合理分解为SLA参数，以保证用户能获得良好的体验。(3)切片管理的盲目性：切片管理系统基于租户要求创建对应的切片实例，用户上线之后，无法在负荷状态下对该切片运行实时监控和调整，存在管理上的盲目性。针对上述切片管理中的挑战，可以尝试在网络中引入智能分析系统，通过对网络状态实施性的监控和分析，并基于网络的开放能力将相关信息开放给切片管理系统，基于网络运行的实时数据分析做出更合理的切片管理决策，达到提升切片管理的时效性和针对性的目的。5G标准架构中引入了网络开放功能(Network Exposure Function，NEF)，NEF通过服务化接口(Service-Based Interface，SBI)与网络功能单元(Network Function，NF)交互。网络能力开放的目的是向第三方应用开发者提供所需的网络能力，包括及时准确的用户状态信息、定制化的网络功能参数、基于动态DPI的灵活QoS策略、个性化切片和流量路径管理等，从而更加精细化和智能化地满足外部对网络服务的要求。
2.1 5G能力开放系统架构
3GPP定义的5G网络能力开放架构如图4所示，能力开放架构包括应用层、网络能力开放、其他网络功能等组成部分[1]。
网络能力开放的逻辑架构如图5所示，包括3个层次：应用层、开放层/平台层、能力层。
(1)应用层：第三方平台位于最高层，是能力开放的需求方。运营商或与运营商签约的第三方业务按照服务协议对网络能力进行安全的调用；(2)开放层/平台层：网络能力开放层北向与应用层互通，南向与能力连接，支持网络能力的安全开放。对内（网络）进行网络能力的数据提取、分析、汇聚和业务发布，对外针对不同业务进行网络能力的封装和按需编排，并提供调用的统一API接口和网关；(3)能力层：提取网络中的各种可开放能力，通过能力开放层对外开放和发布，接受能力开放层的管理和调用。
2.2 能力开放典型应用场景
5G网络能力开放支持外部开放和内部开放[4]。对于内部开放而言，5G各功能实体NF通过NEF向其他各NF开放能力和事件，完成内部NF信息的交互，同时通过统一数据存储（UDR）完成不同NF相关信息的存储访问；对于外部开放而言，分为监控能力、参数配置能力、策略/计费能力和分析报告等开放能力。监测能力用于监测5G系统中UE的具体事件，并通过NEF将监控信息向外部开放，参数配置能力允许外部方应用提供可用于5G系统中UE的信息，策略/计费能力用于根据外部方的应用请求来执行UE的QoS和计费策略，分析报告功能允许外部方获取或订阅/取消订阅5G系统生成的分析信息。作为达成“网络与应用结合”的关键技术手段，5G能力开放与5G网络切片的结合在诸多方面为5G网络在垂直行业的应用带来了诸多便利[5-6]：(1)管理运维自动化：借助NEF提供的网络实时运行信息，提高网络切片在切片设计、部署使能、重配置、故障检测与修复方面的自动化程度；(2)网络能力可编排：将网络能力原子化，使网络能力能够灵活地嵌入行业业务流程，满足不同用户的多样化需求；(3)网络能力按需开放：通过NEF向行业客户开放安全、可控的业务与数据接口；(4)行业集成：根据行业客户的需求，将行业用户提供的某些基础网络能力集成到网络中，从而嵌入到终端用户业务流程中。
3.1 基于能力开放的切片管理架构
5G切片管理中，网络能力开放系统为切片管理与优化提供系统运行数据，供运营商对切片网络进行全局管理优化的同时，还可以为切片租户提供可供用户进行切片订购信息更新的数据，包括切片运行情况、业务数据反馈信息及切片分析系统反馈的分析信息等。图6描述了一种基于能力开放的切片管理架构。各个子切片内陆网管系统及数据分析系统将本切片内的网络运行数据进行汇总分析，并通过能力开放子系统将相关网络运行数据向网络内其他网元共享。上述架构能够提供包括切片配置、网络切片数据采集、切片资源重配置在内的网络切片管理自循环，实现网络切片管理的自动化。
3.2 切片管理的能力开放需求
通过对网络切片能力进行抽象，可以开放切片订购、切片创建、切片签约以及切片监控等开放能力API，供第三方通过能力调用的方式完成切片快速定义、创建以及面向终端用户的切片动态签约与应用。在用户创建切片时，需要提供一定的交互方式以保证用户可以指定其所需的切片信息，如切片类型信息、切片业务信息、接入用户信息、业务信息、QoS指标(速率、端到端时延)、安全性要求等。切片监控能力则要求能力开放系统能够向切片管理系统提供切片运行状态、切片用户信息、服务质量等信息。能够实时监控网络运行状态，进行自适应的生命周期管理(如扩缩容)和负载均衡；能够实时感知用户的QoS和QoE，进行针对性的配置调整，更好地满足用户需求，提升业务感受；对于网络发生的故障，能力开放系统也能向切片管理系统进行报告。
3.3 切片参数配置自循环
在图6中，借助能力开放系统，整个切片管理系统构成了一个完整的闭环，能够实现切片参数配置的自循环。在该架构中，能力开放子系统作为数据交互的核心，在切片管理过程中发挥了重要的作用：(1)接收用户通过管理入口或直接调用API发来的切片设计参数信息，并将该信息发送给切片编排管理子系统进行切片的创建与管理；(2)该子系统还要接收切片网络的实时运行信息，将这些信息进行汇总，通过切片管理入口或能力开放API将切片运行状态信息实时告知切片租户，以保证租户依据切片实时运行状况进行调整；(3)网络内的数据分析系统通过对运行数据的分析，可以根据相关策略计算切片的优化策略，并通过切片管理子系统实现局部的切片资源优化；(4)针对切片运行过程出现的故障，网络能力开放子系统应当能将相关的故障信息经由切片管理入口或能力开放API实现故障的及时通告；(5)针对可恢复的故障，能力开放子系统可依据相关策略配置情况将故障信息发送给网络自愈策略模块，实现网络错误信息的自动纠错。图7展示了在5G网络切片管理中可以采用的3种自循环结构，这3种结构通过反馈机制实现了切片管理参数的优化管理。
(1)子切片参数优化自循环：子切片参数自循环通过分析子切片内的实时运行数据，计算局部最优的自切片运行参数。该循环及时性强，能够实时感知网络状态，迅速做出决策，能够快速提升网络切片SLA；但是该循环缺乏全局性，无法实现整个切片的参数优化，容易产生资源的浪费。(2)切片参数优化自循环：针对子切片的资源利用率不足的问题，切片参数优化自循环可以依据长期的网络运行数据对切片参数进行优化，能够持久地提升网络切片的用户体验。该自循环通过全局参数优化，保证整体网络资源利用率达到较高的水平，能够做到资源利用率与SLA水平的平衡；但是该循环的反馈速度慢，不利于应对突发的网络状况。(3)参数模板优化自循环：在创建网络切片时，通常以参数模板的形式传递创建切片的性能指标要求。然而，固定的参数配置格式、种类繁多的参数组合方式无疑为用户创建切片增加了困难。而通过对网络内使用的切片参数进行分析，获取不同类型切片的参数的最优组合方案，并作为模板提供给用户，则可以使切片的创建过程对用户更为友好。
3.4 基于能力开放的切片管理举例
以智能电网为例，对5G网络能力开放与网络切片的结合进行阐释。智能电网需要在复杂网络中通过对网络切片的闭环优化实现用户体验与网络资源利用率的最优。智能电网采取的切片优化策略分为两种：近端闭环与远端闭环。近端闭环通过获取网络局部状态信息，实时感知网络SLA的变化，并根据感知到的SLA变动，实时/准实时地对网络部署与参数进行调整；远端优化则是指通过对全网状态信息的长期运行数据的收集与分析，综合考虑网络运行效率及SLA感知的结果，采用非实时的方式计算网络优化的方向，继而实现周期性的网络自动化调整。上述两种优化方案都要求网络具备向相关监测与分析模块提交网络运行数据的能力。网络切片技术作为5G最热点技术和必选技术之一，需要从管理的灵活性和时效性上进一步加强。本文从5G网络切片管理的短板和局限性方面着手，充分利用5G能力开放的时效性强的特性和优势，相互结合，通过能力开放系统为5G切片的管理提供了增强的解决方案。
参考文献
[1] 3GPP TS 23.501 V15.3.0.System architecture for the 5G system；stage 2(release 15)[S].2018.
[2] 3GPP TS 28.530 V16.0.0.Management and orchestration；concepts，use cases and requirements(release 16)[S].2019.
[3] 3GPP TS 28.531 V16.3.0.Management and orchestration；provisioning；(release 16)[S].2019.
[4] CCSA TC5WG12 2018B52.5G移动通信网络能力开放研究[Z].2018.
[5] IMT 2020(5G)推进组.基于AI的智能网络切片管理和协同[R/OL].(2019-07-xx)[2019-12-11].http：//www.caict.ac.cn/kxyj/qwfb/bps/201907/P020190718325426069227.pdf.
[6] 中国电信，国家电网，华为.5G网络切片使能智能电网[Z].2019.
作者信息:
李红祎，赵一荣，李金艳，朱雪田
(中国电信股份有限公司技术创新中心，北京102209)
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