5G网络切片在不同网络域的实现

### 5G 网络切片在不同网络域的实现 #### 1. 5G 网络切片概述 在传统网络中，对所有服务进行同质化处理，即便定义了不同的服务质量（QoS）等级，对于 5G 服务来说也是不可接受的妥协。因为像超高可靠性和超低延迟等关键性能指标（KPIs），无法以技术和经济上可行的方式应用于所有垂直服务。 在 5G 网络中，多个垂直行业将由运行在 5G 基础设施之上的专用或共享逻辑网络支持。这些逻辑网络由核心网络功能（CNF）和无线网络功能（RNF）组成，并运行在相同的物理网络组件上。每个切片可以分配专用频谱，或者多个切片可以共享相同频谱，并通过专用网络功能（NFs）满足与垂直行业的服务级别协议（SLAs）。 网络切片动态部署的关键推动因素包括： - **网络功能虚拟化（NFV）**：允许对一组网络功能进行虚拟化，并将它们组织成虚拟块，这些虚拟块可以连接在一起创建通信服务。 - **软件定义网络（SDN）**：用于分离控制平面（CP）和用户平面（UP），并允许网络进行全面编程。 与以往几代移动网络的演进不同，5G 不仅需要改进的网络解决方案，还需要将大规模计算和存储基础设施复杂地集成到不同的网络域（即接入网、传输网和核心网），以支持不同的用例和服务。 #### 2. 核心网络中的切片实现 为了实现未来 5G 服务所需的灵活性和适应性，核心网络（CN）中基于详细功能分解并用于专用切片的网络功能模块化是一个先决条件。 ##### 2.1 4G 网络的情况 在 4G 网络的演进分组核心（EPC）中，存在整体式网络元素，如服务网关（S - GW）、分组网关（P - GW）和移动性管理实体（MME），它们旨在将硬件/软件（HW/SW）实现在物理节点中。不过，4G 中也初步有了切片方法，例如多运营商核心网络（MOCN），它允许多个运营商共享一个公共无线接入网络（RAN），同时运行具有专有服务的独立核心网络。 ##### 2.2 3GPP 相关技术发展 - **专用核心（DECOR）**：在 3GPP Release 13 中引入，运营商可以在单个运营商网络内部署多个专用核心网络（DCN）。一个 DCN 可能由一个或多个 MME 和一个或多个 S - GW/P - GW 组成，每个元素可能具有不同的特性和功能。其引入是为了增强移动网络的架构灵活性，并实现特定用户组之间的资源共享或隔离，但存在初始接入时间增加和信令开销增大的缺点。 - **演进的 DECOR（eDECOR）**：在 3GPP Release 14 中引入，旨在支持所有 3GPP RAN，同时与 DECOR 向后兼容。它改进了 DCN 选择和分配程序，以及 DCN 之间的切片隔离。通过减少或避免重定向程序的发生，最小化了所需的控制平面信令。引入了 UE 辅助的 DCN 选择概念和网络分配的 DCN - ID，还解决了 DCN 类型的拥塞控制问题，并优化了 MME 之间的负载均衡。 这些早期尝试可视为 5G 网络切片的先驱，但由于其定制化总是受 EPC 架构功能的限制，缺乏支持多样化 5G 用例所需的灵活性。 ##### 2.3 5G 核心网络的改进 为了向下一代网络发展，需要充分利用网络推动因素，如 SDN、NFV、移动边缘计算或多接入边缘计算（MEC）和云计算技术，并引入网络模块化设计原则以及基于服务的架构（SBA）模型。这些新特性旨在支持多租户、通过灵活的网络部署最小化服务交付、实现节点重新配置，并使第三方能够根据自身需求定制网络切片。 在 5G 模块化方法中，所有相关的核心网络功能应分解到合适的细粒度级别。遵循 SDN 原则，5G 核心网络中将严格分离控制平面和用户平面的网络功能，这与 4G 不同。基于研究项目和标准化组织的结果，已经为 5G 控制平面和用户平面定义了正交的核心网络功能集，但这些网络功能的粒度是否足以实现 5G 所需的灵活性仍在讨论中。 5G 核心网络中用于特定业务或服务目的的切片，通过根据特殊的网络切片模板（NST）从可用存储库中选择的网络功能进行串联来实例化。根据隔离要求，网络切片实例（NSI）可能由完全分离的控制平面和用户平面网络功能组成，也可能部分网络功能由多个 NSI 共享。控制平面网络功能（CPNFs）分为公共控制网络功能（CCNFs）和切片特定控制网络功能（SCNFs）。其中，网络切片选择功能（NSSF）专门用于切片选择。 在安全方面，由于 NSI 必须作为独立的域运行，因此在切片生命周期内的安全方面的可信度至关重要。任何对一个 NSI 的潜在网络攻击都不能影响运行在同一基础设施上或共享公共网络功能的其他 NSI。 除了传统的 4G 点对点接口模型，相关标准化组织为 5G 核心网络中的 CPNFs 定义了基于服务的架构（SBA）模型。在该模型中，每个 CPNF 都暴露一个基于服务的接口（SBI），授权的网络功能可以通过该接口访问其提供的服务。SBI 提供了更高的灵活性，并允许定义切片定制的架构。 网络暴露功能（NEF）用于将 CPNFs 的服务和能力暴露给第三方和应用功能（AFs），如 MEC、监控、策略/计费或数据分析。可信的 AFs 可以使用应用程序编程接口（APIs）直接与 CPNFs 交互，而不可信的 AFs 则必须通过 NEF 框架。 由于 5G 核心网络中网络功能处理相对于无线帧通常具有异步定时行为，核心网络功能通常可以实现为虚拟网络功能（VNFs），部署在云基础设施中。此外，一些核心网络功能和 AFs 可以位