一文读懂网络切片

在各种新兴业务不断涌现的今天,现有的4G LTE网络已经无法满足日益增多的业务需求,因此未来的网络需要通过网络切片技术从“one size fits all”向“one size per service”过渡。在《网络切片“火锅论”:同一口锅,不同的梦想》一文中,我们解释了网络切片是什么。

那么端到端网络切片究竟是如何实现的?在不同的网络域,切片到底切的是什么?终端用不用切?这些切片又是如何管理的呢?

5G端到端网络切片是指将网络资源灵活分配,按需组网,基于5G网络虚拟出多个具有不同特点且互相隔离的逻辑子网,每个端到端网络切片均由无线网、传输网、核心网子切片组合而成,并通过端到端切片管理系统进行统一的管理。

5G网络切片整体架构

无线网如何“切”

业务需求和应用场景逐渐多样化,无线接入网(RAN)也需要具有灵活部署的特性,根据SLA(服务等级协议)需求的不同,进行灵活的无线网子切片的定制。无线网主要是“切”协议栈功能和时频资源。

1.协议栈功能模块化分离
根据业务需求的不同,可以灵活地对无线网侧协议栈功能进行定制切分。无线侧基站分为CU(集中单元)和DU(分布单元)两个单元,这两个单元是BBU拆分来的。解耦后的CU用于集中承载非实时业务,DU则主要负责对实时业务的处理,因此可以把跟时延相关性不大的功能上移到CU,跟时延强相关的下放到DU。像单向多播类业务就可以让这个切片功能最简化,而低时延类业务可以把CU里的一些功能下沉到DU。

CU集中/DU分布的架构可以为网络切片提供良好的灵活性,可以根据实际需求进行灵活地定制部署。

2.时频资源的切分

  • 无线时频资源硬切:频率、时间资源以固定的方式分配给每个特定的切片,用户可利用这些静态的无线资源接入切片网络,但这种方式不灵活,网络的资源利用率不高。
  • 无线时频资源软切:对频谱资源来讲,可以独立预留出一些资源给URLLC这种紧急性的业务使用,然后网络切片的调度管理服务根据切片业务请求的实时到达情况按需分配时频资源,并确保各切片间的资源平衡分配,这种切分方式让整个频谱资源利用率大幅提升,不会造成资源的浪费。

无线时频资源软切

传输网如何“切”

5G时代追求万物互联,要满足各种不同垂直行业的差异化需求,因此传输网切片网络的不同业务之间需要互相隔离且能够独立运维,需要给不同需求的业务分配不同的传输网切片,每个传输网切片就像一个独立的物理网络。

传输网切片运用虚拟化技术,将网络的链路、节点、端口等拓扑资源虚拟化,在传输硬件设施中切分出多个逻辑的虚拟传输子网,在物理网络层构建虚拟子网层。虚拟网络具有独立的管理面、控制面和转发面,各虚拟网络之上可独立支持各种业务,以此实现不同业务之间的隔离。

传输承载网切片架构

传输网具有以下特点:

  • 数据平面硬管道隔离:每个切面端到端硬管道隔离,不同的调度策略保证了不同切面的SLA。
  • 控制平面隔离(协议/拓扑信息/资源):每个切面都需要一个控制器来管理拓扑、资源和协议栈。

核心网如何“切”

作为直接承接业务的网络层级,核心网需要具备可根据不同的业务场景灵活调配和部署网络功能的能力,而传统基于专用硬件的核心网已经无法满足5G网络切片在灵活性和SLA方面的需求,因此5G核心网要突破4G核心网中网关网元只能集中式部署的限制。

5G核心网通过模块化实现网络功能间的解耦和整合,基于全新的服务化架构(SBA架构),将网络功能解耦为服务化组件,组件之间使用轻量级开放接口通信。控制面、网元之间都会走服务化架构接口,不再走传统的标准化接口。每种服务均可独立扩容演进并按需部署,这种结构高内聚、低耦合,使核心网灵活、开放、易拓展,从而可以满足5G网络切片按需定制和动态部署的要求。

核心网切片中把网元功能打散,让不同的网元来承担不同的功能,这样网络切片功能就可以灵活地定制,根据不同需求进行功能裁剪选择,对于某些业务就可以删减掉一些不需要的网元功能。

基于切片需求的功能裁剪,要判断一些条件,比如终端是否能够移动?是否独立部署Qos策略?是否需要独立开户?是否有不同的计费策略?这样可以把一些不必要的功能删减掉,提高网络效率。下图展示了水表业务的切片功能裁剪选择。

水表业务的网络切片功能裁剪选择

相比现有核心网架构,5G核心网利用虚拟化方式实现了控制/用户平面分离。运营商可根据业务的实际需求等,选择匹配的服务模块进行集中或分散部署。

终端如何“切”

我们知道无线网、传输网和核心网都需要切片,那么终端到底要不要切片呢?

终端分为单用途终端和多用途终端,其需要匹配切片的资源调度,资源预留、隔离。单用途终端是感知不到切片的存在的,只需要由网络控制切片选择,而多用途终端则需要支撑应用数据到切片的映射。

实际生活中一个终端往往需要支持多样化的业务服务,一个终端有时需要接入多个不同的切片之中。当终端向网络侧发起初次连接请求时,网络侧通过识别请求信息后会建立业务交付连接。

网络切片粒度选择

网络切片满足了不同业务差异化服务的需求,为多种应用场景的实现提供了很大的帮助,那么网络切片到底要切割到什么程度?切片越精细越好吗?

首先切片颗粒过粗的话,切片网络的灵活性就会较差,差异化服务的需求将难以满足,切片颗粒过细(切片切割的隔离度越高),越容易实现差异化及独立运营,但是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。因此一定要基于业务场景的实际需求来选择切片的粒度,要合理地切分网络资源,尽量把同种类型的业务合并在一个切片里面。

目前网络切片粒度按网络的隔离程度分为L0 - L5一共六级,在业务对网络QoS(服务质量)要求相对不高时,共用网络资源(L5粒度)会为运营商带来更高的成本效益。当需要高QoS业务保障需求后,需要逐步向L0粒度的切片策略演进,以获得更高的性能保障。

网络切片粒度选择模型

切片编排管理

端到端的网络切片涉及到了无线接入网、传输网和核心网等,在给网络带来灵活性的同时,也增加了管理的复杂性,各网络设备由不同的设备厂商提供,切片的编排、部署和互通等方面都存在着一定的难度。因此需要智能化的管理,实现切片的端到端编排管理,端到端的网络切片的管理和编排涉及到切片的生命周期管理,比如切片的设计、实例化、缩扩容、终止等。

问题与挑战

1、网络切片转换:漫游场景下本地网络切片不能支持用户接入网络,就会造成用户网络中断,一个可能的解决方案是将用户转换到默认切片下,但是在切片转换过程中如何保持IP会话的连通性、侦测转换时机的任务应该交给用户终端还是交给网络,都是需要考虑的问题。

2、用户状态维持:用户的状态信息可能会在多个切片中传递,如何管理用户状态是一个关键问题。

3、异厂家组网兼容性:5G网络切片在实际部署中还可能会面临异厂家切片互操作的一些问题,不同厂家设备间的差异化依会导致设备组网时网络资源或切片功能间的共享存在风险。

4、多业务并发风险:尽管切片架构能为业务带来便利,但当区域内需要同时构建不同网络切片时,业务对网络架构差异化的需求将对网元部署提出挑战。

参考文献:
1.http://www.sohu.com/a/258430271_468736
2.https://study.163.com/course/courseLearn.htm?courseId=1005949017#/learn/live?lessonId=1053311752&courseId=1005949017
3.http://www.sohu.com/a/257683684_468736
4.https://wenku.baidu.com/view/ee82121e3d1ec5da50e2524de518964bcf84d281.html
5.http://www.elecfans.com/news/wangluo/20171128588174.html

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SDNLAB君 发表于19-07-30
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