讨论网络切片的整体概念

在 5G 网络中，同一基础设施上可能需要同时运行多种应用程序，而这些应用程序的QoS （服务质量）需求不同。网络切片允许根据特定需求灵活定制专用虚拟网络。

在本文中，我们将讨论网络切片的整体概念，重点关注 5G RAN（NG-RAN，下一代无线接入网络）和O-RAN 中的网络切片。

5G网络切片

网络切片使用单个物理基础设施，允许虚拟化并提供多个逻辑网络，这些网络可以满足不同的需求。

网络切片是一个逻辑网络，包括一组网络功能 (NF)，支持在公共物理基础设施上部署特定用例的通信服务。这些用例可能涉及具有不同需求的应用程序，例如 V2X（车联网）、物联网或 MBB（移动宽带）。



图 1. 网络切片概念（BBU：基带单元，RF：射频）

上图是网络切片的不同用例。核心云是一个中心位置，通常是具有大计算能力的运营商的区域数据中心。边缘云靠近网络边缘，保证远距离的云计算资源，减少数据处理的延迟。不同功能的组件组成了不同的虚拟网络——也就是切片，以支持不同的需求：

1）eMBB（增强型移动宽带）切片要求为用户提供高吞吐量，因此在边缘节点/云上有本地缓存功能，而移动管理、计费、会话和访问管理放在核心云上；

2）IoT/mMTC（大规模机器类型通信）切片需要为大量静态设备提供服务，很少发送小型报告。因此部署了一个轻量级核心，没有移动性管理。除此之外，除 RAN 功能之外的所有内容都集中部署。不需要缓存，延迟要求不严格。相反，服务用户更希望收集分析数据，以集中处理来自大量传感器的数据；

3）V2X（Vehicular-to-Anything）切片需要非常低的延迟，因此更多的功能被部署在靠近边缘的地方，以确保较低往返时间，例如移动性或会话管理。同时，一些对延迟不敏感的功能被集中部署。

网络切片对 NG-RAN 的影响

与切片有关的不仅仅是核心网络，RAN 也与切片有关，需要通过无线电资源管理 (RRM) 确保资源隔离、可用性和资源的正确选择。NG-RAN 需要支持不同的切片并进行差异化处理。

每个切片通常都附带其服务水平协议 (SLA)。RAN需要对切片之间进行资源管理，例如RAN 需要决定如何重新安排拥有的资源。gNB 可以支持多个切片，保证动态资源适应是应用最优资源管理策略的关键。切片之间的 SLA 保护是确保资源隔离的一部分，因此当一个切片出现拥塞时，它不会影响另一个切片的 SLA。

下表详细阐述了网络切片对 RAN 影响：



表 1. 网络切片对 NG-RAN 的影响

O-RAN 中的网络切片

O-RAN概述

O-RAN是虚拟化的RAN解决方案。虚拟化是指在软件中模拟硬件平台的能力。所有的功能都从硬件中分离出来，并模拟为虚拟接口，具有与传统硬件相似的操作能力。3GPP R15引入了CU和DU分离的RAN架构，定义了CU-CP（控制面）和CU-UP（用户面）之间的E1接口，以及CU与DU之间F1接口。

O-RAN与网络切片

网络切片是 O-RAN 的关键用例之一，切片内的资源管理和切片间的资源优化是 O-RAN 联盟的工作重点。挑战之一是确保切片资源隔离，即一个切片使用的资源与其他切片无关。另一个挑战是适当地扩展资源以确保特定切片内的 SLA。

图 2 是O-RAN联盟定义的切片参考架构。



图 2. O-RAN 切片参考架构（NSMF：网络切片管理功能、NSSMF：NSS 管理功能、NFMF：NF 管理功能、NFVO：NFV Orchestrator、VNFM：VNF 管理器）

“切片管理功能”模块包含典型的 ETSI MANO 类型功能，这些元素放置在 SMO 中，这是进行切片生命周期管理 (LCM)（例如切片的实例化、操作、修改和终止）以及云资源扩展的地方。

Non-RT 和 Near-RT RIC 负责优化各种网络切片的资源使用，它们配备了切片感知和切片专用的 xApp 和 rApp，通常还配有用于预测行为的ML控制机制。O-CU 和 O-DU 负责提供与切片相关的性能测量 (PM)、切片感知（例如调度）和切片专用（例如流控制）算法的执行，以满足所请求的 SLA。

以上所有这些都需要 O-RAN 定义的接口，包括 E2 （用于 PM 报告和操作执行）、A1（用于切片相关的策略控制）、ML 模型更新、O1（用于重新配置用于切片目的的节点）、O2（用于云计算平台的扩展），以及用于各种切片实例化功能的LCM。

下表详细概述了有关 O-RAN 架构中的网络切片：



表2. O-RAN及其与网络切片的关系

O-RAN 切片部署示例

下图显示了部署示例选项中两个切片到 O-RAN 架构的映射。

Near-RT RIC 位于区域云中，虚拟 O-CU 和 O-DU 位于边缘云，而作为物理功能的 O-RU 位于小区站点。O-RU和O-DU(作为处理单元)对于两个网络切片都是通用的。

在这个特定示例中，两个切片都使用单个 O-CU-CP 实例进行控制，而每个切片都有一个专用的 O-CU-UP 实例。在这种情况下，如果 UE 连接到两个切片，则存在单个 RRC 连接来管理切换过程和单元分配（通过公共的 O-CU-CP）。属于不同切片实例的每个服务可以通过单独的 SDAP/PDCP 堆栈（在专用的 O-CU-UP 内）拥有自己的专用 QoS 处理和单独的流控制。

Near-RT RIC 负责管理 O-DU 内的资源，以确保 PRB 分配通过通用 xApp 满足每个切片的 SLA，同时提供切片特定的 xApp 来管理每个切片内的 QoS 流。

图 3. O-RAN 切片部署示例  

总 结

过去移动网络采用的“一刀切”网络模式已不再适合如今多变的市场模型，每个用例都有自己独特的性能要求，“一刀切”的服务交付方法已经过时。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。网络切片承诺将“尽力而为”的网络转变为提供更高可靠性的网络，利用单一的物理网络基础设施来适应不同且存在差异的服务质量(QoS) 要求。

O-RAN 联盟工作涉及 RAN 上下文中的切片，Non-RT 和Near-RT RIC 负责资源隔离、优化和扩展。它们根据流量的实际需求采取行动，可以使用切片专用或切片感知的 xApp 和 ML 模型，例如，在预期的流量增加或减少之前进行预测和行动。最后，在 O-RAN 架构中，O-CU-UP 可以为每个切片专用，而 O-CU-CP 和 Near-RT RIC 共享并处理跨切片操作和优化。






审核编辑：刘清