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网络切片——5G前行的助推器

简介:

最近对5G网络切片比较感兴趣,查阅资料阅读文献,发现一篇很好的论文《Reshaping the mobile core network via function decomposition and network slicing for the 5G Era》,对5G切片的介绍非常全面详细,决定摘出其中让我受益的一些部分,再结合自己的一点点理解对5G切片进行一个简单的介绍和概括,也算是自己的一点小进步,也希望对初学者能起到一点作用。

在2020年即将实现商用化的5G被广泛提起,提到5G就不得不提网络切片(Network Slicing),作为5G中被讨论最多的技术,网络切片对于5G 的意义可谓巨大。本文主要从以下几个方面对切片技术做一些简要介绍。

一、为什么要向5G时代演进?
只有理解了传统核心网的局限性,才能深刻理解到为什么要想5G时代演进,才能进一步理解到网络切片技术对于5G的必要性。
其一,随着用户终端数量和种类的迅速增加、流量的大规模增长、用户需求的不断多样化,当前的核心网EPC(Evolved Packet Core)这种传统的集中式设计的网络架构逐渐变得难以处理越来越多样化的服务要求。

其二, EPC是一种“one size fits all”的架构,这种架构是“先天不足”的。举例说明:在EPC中,移动管理实体MME(Mobility Management Entity)的主要功能是进行终端的移动性管理,但是并非所有的用户装置都具有移动性,比如机器对机器(M2M)类型的传感器之间的通信就不需要为其提供移动性支持,因为这些装置的地理位置几乎是不变的,而传统核心网的架构会使得原本的很多设计在面对特定用户群体的时候根本没有任何用武之地。

其三,传统核心网上的很多的网络元素运行于专用的硬件设备上,并且与软件元素严重耦合,这非常不利于网络可编程化。
其四,由于当前移动核心网中各个部件的功能划分并不清晰,很多用户包在从eNodeB到SGW,再到PGW的过程中会被进行很多重复的处理,包处理的流程很不简约。

最后,由于其集中式架构和对软硬件要求高的特点使得其部署时间周期长,成本也很高。

二、为什么要在5G核心网架构中应用网络切片技术?
在5G时代,移动网络服务的对象也不再是单纯的移动手机,而是各种类型的设备,比如移动手机、平板、固定传感器、车辆等等。应用场景也多样化,比如移动宽带、大规模互联网、任务关键型互联网等等。需要满足的要求也多样化,比如移动性、安全性、时延性、可靠性等等。这就为网络切片提供了用武之地,通过网络切片技术在一个独立的物理网络上切分出多个逻辑网络,从而避免了为每一个服务建设一个专用的物理网络,这是非常节省成本的!看看图1描述的根据不同群体不同需求划分网络切片,是不是很容易理解网络切片的价值了!从切片的角度讲,可以将传统的EPC当成是一个服务所有可支持的移动装置的大切片,但是前面已经提到过,使用一个统一的网络架构来同时满足所有的服务请求是不高效也不容易实现的,因此未来的网络必须通过网络切片技术从“one size fits all”向“one size per service”过渡。

三、网络切片的定义
网络切片可以理解为支持特定使用场景或商业模式的通信服务要求的一组逻辑网络功能的集合,是基于物理基础设施对服务的实现,这些逻辑网络功能可以看作是由EPC下的网络功能(Network Function)分解而来的一系列子功能(Network sub-Function)。可以看出网络切片是一种端到端的解决方案,这种端到端的解决方案不仅可以应用于核心网,还可以应用于无线接入网RAN。

网络切片从服务层(service layer)和基础设施层(infrastructure layer)的角度来考虑问题。服务层从逻辑层面来描述系统架构,由网络功能和功能间的联系组成,这些网络功能通常以软件包的方式被定义,其中会提供定义部署和操作要求(连接、接口、KPI要求等)的模板。基础设施层从物理层面描述维持一个网络切片运行所需要的网络元素和资源,其中包括计算资源(例如数据中心中的IT服务器)和网络资源(例如聚合交换机、边缘路由器、电缆等)。

划分好基础设施层和服务层之后,需要考虑两个层之间的映射问题,这是一个典型的虚拟网络嵌入问题,主要包含以下两步:1.从虚拟功能到物理功能的映射,包含网络转发元素和计算资源的选择,比如装置类型和装置地理位置的选定,需要资源的数量由服务层的需求决定。2.从虚拟链路到物理链路的映射,分配多少物理链路带宽也取决于服务层的需求。

任何两个切片A和B之间的关系可以有以下情况中的一种:

不同服务层:比如切片A为M2M类型装置提供服务,切片B为人工操作装置提供服务。相同服务层,但是网络功能稍有修改:例如切片A支持高移动性用户,切片B提供相同服务但是不提供移动性支持相同服务层,但是不同物理应用:例如,切片A和切片B都支持相同的服务,但是A提供超高可信度,B提供标准可信度,因此两个切片的部署要求不同。相同服务层,相同物理应用:例如针对不同运营商提供的切片。四、网络功能怎么分解(Network Function → Network sub-Function)
上文介绍了网络切片的定义,可以知道网络切片的定义离不开核心网功能的划分。功能分解是指将一些网络实体(如MME、SGW、PGW等)上紧密耦合的网络功能分解开来,使其可以在不同的网络实体上也能运行。

当前EPC中网络实体可以分为两类:1.类似于MME这样用于控制任务,因此只处理控制平面(C-plane)流量的实体;2.类似于SGW和PGW这样还需要处理用户平面(U-plane)流量的实体。当前对于网络功能的分解还处于研究阶段,这里提供其中的一种划分,如图2和图3所示。

在这种分解中,EPC功能分解被定义为两类:水平分解和垂直分解。水平分解意味着解耦控制平面和用户平面功能,垂直分解意为识别包含在一个网络实体中的单个功能。分解好以后,结合网络功能虚拟化(NFV)技术能使这些分解好的子功能被专用用户群体选择和应用。

五、应用场景对系统设计的影响
虽说网络切片的使用可以极大的改善网络性能和服务质量,但是网络切片的数量设置是一个重要的问题。我们不能对每个服务都设置不同的切片。切片数量太多会使得维护和管理变得困难,数量太少又可能导致一个简单的使用案例需要用到两个及以上的切片来达到其需求。使用场景和性能要求对切片的设计有很大的影响,3GPP和NGMN在这方面也一直在努力并且已经获得了一定的进展。表1展示了NGMN划分的一些应用场景对切片设计的影响。表中概括了大部分应用场景并且将其归类为八个系列,每个应用场景下对不同服务的要求程度按照从0到3的打分表示,3表示要求最为严格,0表示最低要求。从表中还可以看出,一个应用场景可能会使用不止一个网络切片。

六、网络切片面临哪些挑战

  1. 网络切片结构:虽然在表1中很好的定义了八个应用场景系列,但仍存在很多尚未分类的场景,因此在性能评估标准方面的切片划分的粒度如何确定仍然是一个需要解决的问题。
  2. 网络切片选择:一个用户可能会使用一个或者多个切片,如何选择合适的切片也是一个基本的问题
  3. 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,这都是尚待解决的问题。
  4. 用户状态维持:用户的状态信息可能会在多个切片中传递,如何管理用户状态也是一个关键问题。
  5. 新功能的确定:为了支持一些如无人驾驶等的新式服务,当前的EPC功能可能并不能够满足,因此需要定义新的功能以及涉及到的消息格式和处理程序。

本文转自d1net(转载)

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