2.2 关键技术_5G网络全专业规划设计宝典-QQ阅读女生中文古言网

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2.2 关键技术

2.2.1 4G/5G互操作

4G/5G互操作有以下3种方式：有N26接口的单注册方式、无N26接口的单注册方式和双注册方式。

1. 有N26接口的单注册方式

有N26接口的单注册方式示意如图2-28所示。

图2-28　有N26接口的单注册方式示意

该方式有以下两个优势。

（1）无缝切换可保证会话连续，适用于IMS等会话连续性要求高的场景。

（2）单注册是UE必选功能，单注册有利于终端节电。

该方式有以下两个劣势。

（1）演进的UTRAN（Evolved UTRAN，E-UTRAN）需要升级支持与NG-RAN的互操作。

（2）MME需要升级支持N26。

2. 无N26接口的单注册方式

无N26接口的单注册方式示意如图2-29所示。

图2-29　无N26接口的单注册方式示意

该方式的优势有E-UTRAN无须升级支持与NG-RAN的互操作。

该方式有以下3个劣势。

（1）不支持无缝切换，有中断。

（2）需要EPC支持Handover ATTACH功能。

（3）为保障IP地址不变，对UE有额外要求。

5GC → EPC：要求支持Handover ATTACH流程。

EPC → 5GC：要求UE支持会话重建流程。

3. 双注册方式

双注册方式示意如图2-30所示。

图2-30　双注册方式示意

该方式的优势有E-UTRAN无须升级支持与NG-RAN的互操作。

该方式有以下劣势。

（1）终端实现复杂，且双注册为R15可选需求。

（2）EPC支持双注册，支持只附着不建立PDN的会话模式，支持Handover ATTACH流程。

（3）重定向有中断。

（4）双注册可能导致现网容量需要考虑扩容。

4. 各方式比较结论

经过上述分析比较，优先推荐有N26接口的单注册方式。该方式用户感受最好，UE要求低，现网EPC影响最小。图2-31是3GPP规范中该方式的架构。

图2-31　有N26接口的单注册方式架构

在该方式中，5G有如下新建要求。

（1）HSS+UDM：HSS与UDM融合部署，统一签约管理，保证互操作过程用户数据的一致性。

（2）SMF+PGW-C：SMF与PGW控制面（PGW for Control Plane，PGW-C）融合部署，统一会话管理锚点，保证互操作过程IP会话的连续性。

（3）UPF+PGW-U：UPF与PGW-U融合部署，统一用户面隧道锚点，保证互操作过程IP会话的连续性。

（4）AMF：支持N26互操作接口。

在该方式中，4G有如下改造要求。

（1）MME：需要升级支持N26互操作接口。

（2）MME：需要升级支持为5G用户选择融合的UPF+PGW-U。

（3）E-UTRAN：需要升级支持与NG-RAN的互操作。

2.2.2 NFV技术

1. NFV系统架构

NFV的目标是通过研究和发展IT的虚拟化技术，构建一种基于x86通用服务器的全新架构，将网络功能从专用硬件中剥离出来，网元以软件形式部署，从而实现网络能力的灵活配置，提高网络设备的通用化和适配性，加快网络部署和调整的速度，降低业务部署的复杂度。

为了推动NFV理念的推广和产品的实现，2012年10月，13家运营商在欧洲电信标准化协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）的组织下正式成立网络功能虚拟化工作组，即ETSI ISG NFV，致力于实现网络虚拟化的需求定义和系统架构的制定。基于ETSI虚拟化工作组定义的规范，NFV系统架构如图2-32所示。

NFV系统架构包括4个板块。

（1）NFVI：主要功能是为虚拟网络功能模块的部署、管理和执行提供资源池，包括所需的硬件及软件。硬件资源包括计算、存储和网络资源；软件主要包括Hypervisor、网络控制器、存储管理器等工具。NFVI将物理的计算/存储/网络资源通过虚拟化转换为虚拟的计算/存储/网络资源，并进行池化，以资源池的形式供上层虚拟网元使用。在资源池化的过程中，使用了云计算的相关技术。虚拟化技术实现了软件与硬件解耦，使资源的供给速度大大提高，网元部署从数天缩短到数分钟，为新业务的快速上线创造了条件。云计算技术对虚拟资源进行管理，实现网络的弹性伸缩，增加了网络的柔性，使资源和业务负荷相匹配，提高了资源的利用率。

（2）NFV：包括虚拟网络功能（Virtual Network Function，VNF）和网元管理系统（Element Management System，EMS）两个部分。每个物理网元映射为一个虚拟网元的VNF。VNF所需的资源需要分解为虚拟的计算/存储/网络资源，由NFVI来承载。一个VNF可以部署在一个或多个虚机上。VNF之间的接口依然采用传统的信令/媒体接口。相对于VNF，传统的基于硬件的网元可以称为物理网络功能（Physical Network Function，PNF）。EMS与传统网元管理功能一样，实现VNF的管理，如配置、告警、性能分析等功能。

图2-32　NFV系统架构

（3）管理和编排（Management & Orchestration，MANO）：由NFV编排器（NFV Orchestrator，NFVO）、VNF管理器（VNF Manager，VNFM）以及虚拟化基础设施管理器（Virtualized Infrastructure Manager，VIM）三者共同组成。NFVO负责全网的网络服务、物理/虚拟资源和策略的编排和维护以及其他虚拟化系统相关维护管理功能，以此确保所需的各类资源与连接的优化配置，实现网络服务生命周期的管理，与VNFM配合实现VNF的生命周期管理和资源的全局视图功能。VNFM实现虚拟化网元VNF的生命周期管理，包括VNF描述符（VNF Descriptor，VNFD）的管理及处理、VNF实例的初始化、VNF的扩/缩容、VNF实例的终止。支持接收NFVO下发的弹性伸缩策略，实现VNF的弹性伸缩。VNFD描述一个虚拟化网络功能模块的部署与操作行为的配置模板，被用于虚拟化的网络功能模块的运行过程，以及对VNF实例的生命周期管理。VIM控制着VNF的虚拟资源分配，负责基础设施层硬件资源、虚拟化资源的管理，监控和故障上报，面向上层VNFM和NFVO提供虚拟化资源池。OpenStack和VMWare都可以作为VIM，前者是开源的，后者是商业的。

（4）运营支撑系统（Operation Support System，OSS）/业务支撑系统（Business Support System，BSS）：就是现有OSS/BSS，其中包含众多软件，这些软件产品线涵盖基础架构领域、网络功能领域，需要为网络功能虚拟化后带来的变化进行相应的修改和调整。

2. NFV系统主要接口

NFV系统主要接口介绍如下所述。

（1）Virtualization Layer-Hardware Resources（Vi-Ha）

提供虚拟化层与硬件层的通道，可以支配硬件按照VNF的要求分配资源；同时也会收集底层的硬件信息上报到虚拟化平台，告诉网络运营者硬件平台的状况。

（2）VNF-NFV Infrastructure（Vn-Nf）

描述NFVI为VNF提供的虚拟硬件，此接口本身不包含任何协议，只是在逻辑上区分基础设施与网络功能，让基础设施的配置更加灵活多样。

（3）Orchestrator-VNF Manager（Or-Vnfin）

承载资源编排和虚拟网络功能管理之间的信息流，功能较多，主要有资源请求、预留、分配和授权；发送预配置信息到虚拟网络功能管理模块；收集虚拟网络功能管理模块发来的状态信息，包括各网元整个生命周期的信息。

（4）Virtualized Infrastructure Manager-VNF Manager（Vi-Vnfm）

沟通虚拟网络功能管理模块和基础设施管理模块，主要负责把虚拟网络管理模块的资源请求信息下发到基础设施管理模块，以及交换虚拟硬件资源配置和状态信息。

（5）Orchestrator-Virtualized Infrastructure Manager（Or-Vi）

完成资源编排模块的资源请求信息下发工作，同时也会把虚拟硬件资源的配置和状态信息与资源编排模块交换。

（6）NFVI-Virtualized Infrastructure Manager（Nf-Vi）

存在于底层的硬件平台，主要负责把基础设施管理模块接收到的资源请求信息传达到基础设施层完成具体的资源分配，并回复完成消息，也会把基础设施层的状态信息发送到管理模块完成底层信息上报。

（7）OSS/BSS-NFV Management and Orchestration（Os-Ma）

完成虚拟网络功能和管理编排之间的信息交互，交互信息较多：一是网元生命周期信息与管理编排的交互；二是转发NFV有关的状态配置信息；三是管理配置策略交互；四是NFVI用量数据信息交互。

（8）VNF/EM-VNF Manager（Ve-Vnfm）

让管理平面与虚拟网络功能有信息交流，主要完成网元配置信息与生命周期状态交互。

（9）Service，VNF and Infrastructure Description-NFV Management and Orchestration（Se-Ma）

主要完成VNF部署模板的下发工作，这个模板是由管理和编排层根据网络运营者的意愿生成的。

3. NFV系统部署方式

NFV通过软硬件解耦，使网络设备开放化，软硬件可以独立演进，避免厂商锁定。基于NFV分层解耦的特性，根据软硬件解耦的开放性不同，可将集成策略分为单厂商、共享资源池、硬件独立和三层全解耦4种方案，如图2-33所示。

图2-33　NFV部署方案示意

（1）方案1（单厂商方案）

方案1的优点是可以实现快速部署，整体系统的性能、稳定性与可靠性都比较理想，不需要进行异构厂商的互通测试与集成。缺点是与传统网络设备一样，存在软硬件一体化和封闭性问题，难以实现灵活的架构部署，不利于实现共享；与厂商存在捆绑关系，不利于竞争，会再次形成烟囱式部署，总体成本较高，也不利于自主创新以及灵活的迭代式部署升级。

（2）方案2（共享资源池方案）

方案2倾向于IT化思路，选择最好的硬件平台和虚机产品，要求上层应用向底层平台靠拢。关于VNF与NFVI层解耦，VNF能够部署于统一管理的虚拟资源之上，并确保功能可用、性能良好、运行情况可监控、故障可定位；不同供应商的VNF可灵活配置、可互通、可混用、可集约管理。其中，VNFM与VNF通常为同一厂商（即“专用VNFM”），这种情况下VNF与VNFM之间的接口不需要标准化；特殊场景下采用跨厂商的“VNFM”（即“通用VNFM”）。

（3）方案3（硬件独立方案）

方案3使通用硬件与虚拟化层软件解耦，基础设施全部采用通用硬件，实现多供应商设备混用；虚拟化层采用商用/开源软件进行虚拟资源的统一管理。可以由设备制造商提供所有软件，只是适配在IT平台上。

（4）方案4（三层全解耦方案）

方案4的优点是可以实现通用化、标准化、模块化、分布式部署，架构灵活，而且部分核心模块可以选择进行定制与自主研发，也有利于形成竞争，降低成本，实现规模化部署；缺点是需要规范和标准化，周期很长，也需要大量的多厂商互通测试，需要很强的集成开发能力，部署就绪时间长，效率较低，后续的运营复杂度高，故障定位和排除较为困难，对运营商的运营能力要求较高。

其中，方案2和方案3采用当前阶段比较务实的两层解耦，在这种部署场景下，云操作系统处于中间层，起到承上启下的关键作用，正好为平台与应用软件之间的解耦提供了天然的解决方案。因为云操作系统为应用软件提供的是虚机，这个虚机运行在硬件和底层软件上，对于应用是透明的。因此，应用软件不必做任何修改就可以运行在任何虚机上，实现了天然的、自然而然的解耦。以上方案都涉及MANO的解耦，涉及运营商自主开发或者第三方的NFVO与不同厂商的VNFM、VIM之间的对接和打通，屏蔽了供应商间的差异，统一实现网络功能的协同、面向业务的编排与虚拟资源的管理。

根据上述分析，从满足NFV引入的目标要求来看，方案4更符合网络云化的演进需求，也是主流运营商的选择方式。但该方式对于接口的开放性和标准化、集成商的工作、运营商的规划管理和运维均提出了新的、更高的要求。

4. NFV系统性能提升技术

为了支撑运营商业务的低时延、高带宽的需求，NFV架构需要进行针对性的优化。NFV系统主要的性能提升技术如下所述。

（1）CPU绑定隔离

为了防止虚机对物理CPU的无序竞争和抢占，虚机和物理CPU绑定，保证一些关键业务不受其他业务的干扰，提高这些业务的性能和实时性。

（2）非统一内存访问（Non-uniform Memory Access，NUMA）

将全局内存打碎分给每个CPU独立访问，避免多个CPU访问内存时造成的因资源竞争而导致的性能下降。云平台在对虚机进行部署时，应尽量将其虚拟CPU与内存部署在一个NUMA节点内，避免虚机跨NUMA节点部署，从而充分降低内存访问时延。

（3）巨页内存

虚机使用内存巨页，从而减少用户程序缺页次数，提高性能。

（4）数据平面开发套件（Data Plane Development Kit，DPDK）

英特尔公司提供的x86平台报文快速处理的库和驱动的套件，通过采用用户态分组处理增强机制替代内核处理来提高转发性能。

（5）单根I/O虚拟化（Single Root I/O Virtualization，SR-IOV）

基于硬件的网卡虚拟化方案，将虚机直接连接到物理网卡，获得等同于物理网卡的I/O性能和低时延。

（6）开放虚拟交换机（Open vSwitch，OVS）

基于软件实现的开源虚拟交换机，提供对OpenFlow协议的支持，可与众多开源的虚拟化平台互相整合，传递虚机之间的流量，以及实现虚机与外界网络的通信。

（7）故障自愈

网络发生故障时，无须人为干预，即可在极短的时间内从失效故障中自动恢复，其过程为：设置物理资源、虚机或VNF等为监控对象；当VNFM或VIM模块监测到监控对象发生异常或故障时，将把故障上报至故障决策点；故障决策点（架构中为EMS或NFVO）调用故障恢复策略，并下发给故障恢复执行体；故障恢复执行体执行故障恢复动作，例如硬件资源的故障，VIM将在另外的节点进行虚机重生的动作；虚机或VNF的故障，VIM将启用备用虚机并对虚机进行重启动的操作。

（8）地理容灾

保障网络在各种灾难下快速恢复，这需要网络各层协同实现：NFVI以冗余方式部署，跨DC部署时，DC之间的二层链路需要满足IP承载网链路的要求；虚拟网络功能继承传统网元的地理容灾方式；MANO需要新建相应模块，并进行1+1主备方式部署。

5. 虚机与容器的比较

近年来，容器技术也倍受关注。基于容器的虚拟化技术，也被称作操作系统级别的虚拟化技术，是一种允许在操作系统内核空间上使用多个独立的用户空间实例的方法。虚机与容器的比较示意如图2-34所示。

图2-34　虚机与容器比较示意

容器具有以下特点。

（1）快速启停：启动速度快，秒级启动。

（2）轻量级：占用资源少，单机可同时运行上百个容器。

（3）高性能：直接通过内核访问磁盘IO，性能接近裸机。

（4）弱隔离：目前依赖Linux内核机制隔离资源，成熟度较低。

（5）集群化：往往以集群方式使用，实现动态调度弹性扩展。

容器比较适用的领域包括：生命周期较短，需要快速启停或频繁变更的应用；对时延敏感、对性能要求极高的应用；需要小尺寸、高密度部署的应用；需要按需负载、有效提高资源利用率的应用等。

虚机与容器的技术比较见表2-11，5GC对虚机与容器的依赖度分析见表2-12。

表2-11　虚机与容器技术比较

表2-12　5GC对虚机与容器依赖度分析

经过以上分析，5GC部署对虚机、容器没有强依赖性。

目前虚机成熟度更高，能够满足5G的商用需求；裸机容器承载模式是最能发挥容器整体性能、大规模资源调度优势的承载模式，然而容器平台及容器网络、容器安全和MANO等标准化及周边生态仍未成熟；虚机容器方式介于两者之间，虚机容器难度小，但需要对MANO进行改造以支持容器技术。因此，5G商用初期建议采用虚机或虚机容器方式，降低开通和解耦难度，积累虚拟化经验，后期根据容器的成熟度适时引入。

2.2.3 切片技术

1. 网络切片的概念

由于物联网与移动互联网的迅猛发展，5G时代的通信场景将更加丰富多彩，更加复杂化，更加多元化，物与物之间、物与人之间的通信将大大超越人与人之间的通信需求。从虚拟现实、增强现实、超高清视频、全息技术，到物流仓储、智能交通、车联网、无人机，再到智能电网、智慧城市，各个领域都有不同的特点和需求，它们对于网络的移动性、端到端时延、用户体验速率、用户峰值速率、连接数密度、流量密度、安全性、可靠性、计费方式，甚至是频谱效率、能源效率、成本效率的需求各不相同。作为信息化的基础设施，5G需要满足多元化的需求，提供满足不同领域需求的网络功能，推动各行各业的能力提升和转型升级。

ITU为5G定义了三大主要应用场景：一是增强型移动宽带eMBB，高带宽、广覆盖，用户体验速率达到100Mbit/s～1Gbit/s，实现超高清视频/虚拟现实/增强现实和高速移动环境的极致体验；二是大规模机器类型通信mMTC，低功耗、大连接，支持每平方千米100万个连接，实现高密度的人与物、物与物之间的信息交互，助力物联网新变革；三是超可靠和低延迟通信uRLLC，低时延、高可靠、毫秒级的接入时延堪称无人驾驶、工业自动控制、手术机器人的有力助手。

三大主要应用场景对速率、覆盖率、容量、QoS、安全性的要求各有不同，各场景中也会衍生多个应用实例，不同场景、不同实例对于网络功能、系统性能、安全、用户体验等的业务需求千差万别。

如果按照传统思路通过构建多个专网来实现是不可思议的，势必造成基础设施和网络功能的巨大浪费。如果采用传统的、单一的网络为不同业务同时提供服务，将会导致业务体验差、管理效率低、网络结构异常复杂、网络运维难以支持。因此，基于一张统一的5G物理网络，需要引入“网络切片”技术来构建灵活弹性的网络，满足各种业务需求。网络切片已经成为5G网络的关键技术之一。

什么是网络切片？最简单的理解就是基于虚拟化技术，将一张5G物理网络逻辑上切割成多张虚拟的端到端网络，每张虚拟网络之间，包括网络内的核心网、承载网、无线网，都是相互隔离的，都是逻辑独立的，任何一张虚拟网络发生故障时都不会影响到其他虚拟网络。

5G网络切片技术通过在同一网络基础设施上，按照各种不同的业务场景和业务模型，利用虚拟化技术，将资源和功能进行逻辑上的划分，进行网络功能的裁剪定制，进行网络资源的管理编排，形成多个独立的虚拟网络，为不同的应用场景提供相互隔离的网络环境，使不同应用场景可以按需定制网络。5G网络切片要实现的目标是将核心网资源、承载网资源、无线网资源进行有机组合，为不同应用场景或业务类型提供相互隔离的、逻辑独立的完整网络。

每个网络切片按照业务场景和业务模型，进行网络功能的定制裁剪和编排管理。一个网络切片可以视为一个实例化的5G网络。在5G网络切片中，网络编排是一个非常重要的功能模块，实现对网络切片的创建、管理和撤销。运营商首先根据业务场景需求生成网络切片模板，切片模板包括该业务场景所需的网络功能模块及其特定的配置、各网络功能模块之间的接口以及这些网络功能模块所需的网络资源。网络编排功能模块根据该切片模板向网络申请资源后进行实例化。网络编排功能模块对创建的网络切片进行监督管理，根据实际业务量对网络资源进行灵活的扩容、缩容和动态调整，并在生命周期结束之后撤销网络切片。网络切片打通了应用场景、网络功能和网络资源间的适配接口，按需定制，按需提供。在每种业务看来，为其分配的资源是独享的，和其他业务之间是相互隔离的；同时这些业务共享相同的物理基础设施，充分发挥了网络的规模效应，提高了物理资源的利用率，降低了网络的CAPEX和OPEX，丰富了网络的运营模式。

2. 网络切片的技术基础

网络切片不是一个单独的技术，它是在SDN、NFV、云计算等技术之上，通过上层的统一编排和协同实现一张通用的物理网络能够同时支持多个逻辑网络的功能。

网络切片利用NFV技术，将5G网络的物理资源根据业务场景需求虚拟化为多个平行的相互隔离的逻辑网络；网络切片利用SDN技术，定义网络功能，包括速率、覆盖率、容量、QoS、安全性、可靠性、时延等。

云计算技术刚刚诞生时，提出了基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）、平台即服务（Platform as a Service，PaaS）、软件即服务（Software as a Service，SaaS）。随着业务能力更加多元化更加开放，数据即服务（Data as a Service，DaaS）、通信即服务（Communication as a Service，CaaS）、存储即服务（Storage as a Service，STaaS）、监测即服务（Monitoring as a Service，MaaS）、网络即服务（Network as a Service，NaaS）等应运而生，我们已经进入“一切皆服务（Everything as a Service，XaaS）”的时代。

传统网络架构适合单一业务型网络。然而，5G的“网络切片”基于逻辑资源而不是物理资源，可以根据需求进行资源的分配和重组，可以满足差异化服务的QoS需求，可以保证不同业务、不同客户之间的安全隔离，可以使运营商有能力为客户提供“量身定制”的网络，实现“网络即服务”。

3. 网络切片的特点

多元化的业务场景对5G网络提出了多元化的功能要求和性能要求，网络切片针对不同的业务场景提供量身定制的网络功能和网络性能保证，实现了“按需组网”的目标。具体而言，网络切片具有如下特点。

（1）安全性：通过网络切片可以将不同切片占用的网络资源隔离开，每个切片的过载、拥塞、配置的调整不影响其他切片，提高了网络的安全性和可靠性，也增强了网络的健壮性。

（2）动态性：针对用户临时提出的某种业务需求，网络切片可以动态分配资源，满足用户的动态需求。

（3）弹性：针对用户数量和业务需求可能出现的动态变化，网络切片可以弹性和灵活地扩展，例如可以将多个网络切片进行融合和重构，以便更灵活地满足用户动态的业务需求。

（4）最优化：根据不同的业务场景，对所需的网络功能进行不同的定制化裁剪和灵活组网，实现业务流程最优化，实现数据路由最优化。

4. 网络切片的分类与部署

网络切片分类示意如图2-35所示，可以分为以下两种。

图2-35　切片分类示意

（1）独立切片：每个切片包括控制面和用户面完全独立，为特定用户提供端到端的独立的专网服务或部分特定的功能服务。独立切片隔离性最好。

（2）共享切片：可供各独立切片共同使用的切片，提供的功能可以是端到端的，也可以只提供部分共享功能。

网络切片部署有以下3种场景。

（1）完全独立部署：独立部署各种端到端切片，每个独立切片包含完整的控制面和用户面功能，为不同用户群提供专有虚拟网络。

（2）控制面采用共享切片，用户面采用独立切片：端到端的控制面共享切片为所有用户服务，对各用户面独立切片进行统一管理，包括移动性管理、鉴权等。

（3）共享切片与独立切片联合部署：共享切片实现部分非端到端功能，后面连接各种不同的个性化的独立切片，二者联合起来实现端到端功能。

5. 网络切片的全生命周期管理

一个网络切片的生命周期包含设计、上线、运营、下线4个阶段。

（1）设计：定义网络功能和连接关系，根据计划部署的特定业务的特点，在切片上选择相应的功能，包括所需要的功能、性能、安全性、可靠性、运维管理、业务体验等，完成切片模板初始化。

（2）上线：切片上线的过程完成切片的实例化部署，完全自动化，无须人为干预。系统为切片选择最适合的虚拟资源和物理资源，不仅完成指定功能的部署及配置，而且完成切片的连通性测试。切片上线的过程就是设计的切片模板的一个实例化过程，一个切片模板可以生成多个切片实例。

（3）运营：切片上线后进入运营阶段。切片运营方可以在切片上部署自己制定的切片运营策略，完成切片用户发放、切片监控、切片运维等工作。在切片运行的过程中，切片运营方对切片进行实时监控，包括业务监控和资源监控，监控的颗粒度可以是系统级性能、切片级性能以及子切片级性能。根据切片的监控结果，运营方可以及时做出相应的策略调整，例如切片的功能增减和切片的动态伸缩。另外，网络侧也可以提供开放的运维接口给不同的用户进行二次开发，进行按需定制。

（4）下线：因为种种原因，某些切片不再需要运营，则可以进行切片的下线。

6. 5G端到端切片生命周期管理架构

5G端到端切片生命周期管理架构如图2-36所示。

图2-36　5G端到端切片生命周期管理架构

5G端到端切片生命周期管理架构包括的关键网元功能如下所述。

（1）通信服务管理功能（Communication Service Management Function，CSMF）：切片设计的入口。承接各种业务应用需求（如速率、时延、容量、覆盖率、QoS、安全性等），转化成端到端网络切片需求，下发到NSMF进行网络切片设计。

（2）网络切片管理功能（Network Slice Management Function，NSMF）：负责网络切片实例（Network Slice Instance，NSI）的管理。接收CSMF对网络切片的需求后，产生一个切片实例，将它转化成对网络子切片的需求，下发到NSSMF。在网络切片生命周期管理过程中，需要协同核心网、承载网、无线网等多个子网时，由NSMF进行协同。NSMF除了负责网络切片模板设计、网络切片实例的创建/激活/修改/停用/终止以外，还负责对网络切片运营管理，包括故障管理、性能管理、配置管理、策略管理、自动重配置、自动优化、协同管理等。

（3）网络子切片管理功能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF）：负责网络子切片实例（Network Slice Subnet Instance，NSSI）的管理。它接收NSMF对网络子切片的需求，将它转换为对网络功能的需求。

NSSMF包括核心网子切片管理功能（Core Network-Network Slice Subnet Management Function，CN-NSSMF）、承载网子切片管理功能（Transport Network-Network Slice Subnet Management Function，TN-NSSMF）和无线网子切片管理功能（Access Network-Network Slice Subnet Management Function，AN-NSSMF）。

CN-NSSMF主要负责5G核心网子切片实例的管理和编排，承接NSMF对子切片的管理和编排要求，调用核心网的MANO和EMS进行子切片的管理编排和参数配置。CN-NSSMF的功能包括：子切片模板设计、子切片实例的创建/修改/终止、容量管理、故障管理、性能管理、配置管理、自动优化、协同管理等。

TN-NSSMF主要负责5G承载网子切片实例的管理和编排，承接NSMF对子切片的管理和编排要求，调用承载网的SDN编排器（SDN Orchestrator，SDNO）/SDN控制器（SDN Controller，SDNC）和EMS进行子切片的管理编排和参数配置。TN-NSSMF的功能包括：子切片模板设计、子切片实例的创建/修改/终止、资源管理、故障管理、性能管理、配置管理、自动优化、协同管理等。

关于AN-NSSMF，对于能够虚拟化部署的网元（如CU等），可以按MANO模式进行编排管理。但是由于基站和空口如何进行切片尚未形成定论，AN-NSSMF如何进行管理还在讨论之中。

总之，CSMF、NSMF和NSSMF三者之间协同合作，实现端到端网络切片的设计和实例化部署。

7. 网络切片的典型应用

（1）电力行业被选作首个垂直行业实施切片试验的原因

5G的网络切片技术可以使能垂直行业。通过对垂直行业的调研交流发现，国家电网公司在通信网络的业务隔离、超低时延、超高可靠性、安全性和大连接等方面具有强烈的需求，而5G的网络切片刚好有对应的能力与之匹配，可以实现“比特+瓦特”的完美结合。

2019年年初，国家电网公司提出新的战略目标：打造“三型”（枢纽型、平台型、共享型）企业，建设运营好“两网”（坚强智能电网、泛在电力物联网），建设世界一流能源互联网企业，全面形成共建、共治、共享的能源互联网生态圈。国家电网公司战略示意如图2-37所示。

图2-37　国家电网公司战略示意

坚强智能电网和泛在电力物联网的建设对通信提出了多元化、高标准的需求。国家电网公司的通信业务需求主要包括基本业务需求和扩展业务需求。基本业务需求包括配电自动化、精准负荷控制、用电信息采集、分布式电源、电动汽车充电站/桩等业务，扩展业务需求包括输配变机器巡检、输变电状态监测、电能质量监测、配电所综合监测、智能营业厅、智能家居、电力应急通信、开闭所环境监测、视频监控、仓储管理、移动IMS语音、移动作业等业务。

国家电网公司对业务隔离要求非常高，电网业务分为生产控制大区和管理信息大区，生产控制大区的业务和管理信息大区的业务要求从无线网到核心网全程进行隔离。网络切片技术的典型特征就是将一张5G物理网络按照业务、按照场景、按照需求切割成多张虚拟的端到端网络，匹配不同业务需求，实现安全隔离。因此，电力行业被选作首个垂直行业开始实施切片试验。

（2）典型业务场景的具体需求和相应的切片部署架构

坚强智能电网和泛在电力物联网的各类业务对通信网络的各项指标要求也是大相径庭，我们选择3种典型业务进行分析。

① 精准负荷控制业务：这是精准切除可中断负荷的重要技术保障，根据不同的控制要求，分为毫秒级控制和秒级/分钟级控制。毫秒级控制系统的总体时延要求是毫秒级，其中协控中心站经控制中心站、控制主站至子站的通道传输时延、子站到控制终端的通道传输时延的要求都是毫秒级。毫秒级精准负荷控制通信业务对通信时延要求很高，对可靠性和业务隔离要求也很高，业务优先级也比较高，但对带宽要求和终端量级要求不高。

② 配电自动化业务：可实现对配电网运行的自动化监视、控制和快速故障隔离，具备配电SCADA、配电地理信息系统、馈线分段开关测控、电容器组调节控制、用户负荷控制、调度员仿真调度、电网分析应用及与相关应用系统互联等功能，为配电管理系统提供实时支撑。配电自动化业务通过快速故障处理，提高供电安全性和可靠性；通过优化运行方式，提升电网运营效率。智能分布式配电自动化业务对通信时延要求很高，是毫秒级的，对可靠性和业务隔离要求也很高，业务优先级也很高，但对带宽要求和终端量级要求不高。

③ 用电信息采集业务：通过对配电变压器和终端用户的用电数据的采集和分析，实现用电监控、电能质量监测、线损分析、负荷管理，最终实现自动抄表、错峰用电、阶梯定价、计量异常监测、负荷预测和节约用电成本等。用电信息采集业务对终端量级要求很高（海量接入），但对通信时延、带宽要求都不高。

电网业务的多元化需要一个功能可以按需编排、业务可以相互隔离、超低时延、超大连接的网络。5G网络切片可以满足电网业务的多元化需求。

根据以上分析，精准负荷控制业务需要选择的切片类型是uRLLC，配电自动化业务需要选择的切片类型也是uRLLC，用电信息采集业务需要选择的切片类型是mMTC。

作为5G的另一项关键技术，边缘计算是将计算、存储、网络、应用等核心能力下沉到网络边缘，在靠近用户的位置上，提供IT服务、环境和云计算能力，满足低时延、高带宽的业务需求，让超级计算机无处不在。

在边缘计算中，应用也需要分布式下沉，例如控制主站/控制子站的业务逻辑。

结合边缘计算，上述3种典型业务的网络切片部署架构示意如图2-38所示。

图2-38　电网典型业务的切片部署示意

（3）电网切片实施进展

2017年，中国电信、国家电网和华为公司3家联合发起5G电网切片联创项目，并于2018年1月发布业界首个《5G网络切片使能智能电网》产业报告。

2018年6月，在上海世界移动大会MWC上，中国电信、国家电网和华为公司联合演示业界首个基于5G网络切片的智能电网业务——体现eMBB切片特征的智能配电房动力环境监控业务场景，采用华为公司的5G核心网、基站、切片管理器和江苏电力公司的电力终端、业务软件系统，从端到端QoS保障、业务隔离和独立运营等视角展示了对智能配电房管控效率的全面提升，标志着“5G网络切片使能智能电网”进入新阶段。

2019年3月，中国电信、国家电网和华为公司在江苏电力公司联合部署试验环境，开始对精准负荷控制、配电自动化、用电信息采集、分布式电源等典型场景，从QoS/服务等级协议（Service Level Agreement，SLA）保障、业务隔离、运维管理、可靠性、安全性等多个维度着手进行切片试验，并于2019年4月8日成功完成了全球第一个基于SA网络的真实电网环境的毫秒级精准负荷控制切片测试。

8. 网络切片的标准化进展

3GPP的5G标准包括R15版本和R16版本，uRLLC和mMTC主要在R16中定义，R15已经冻结，R16计划在2020年3月冻结，真正能满足uRLLC和mMTC的切片标准也需要到R16冻结时才能具备。

从全生命周期管理到端到端QoS/SLA保障，从各种业务的相互安全隔离到按需定制自动运维，5G网络切片技术具有独特的优越性。但是，切片标准尚未冻结，试点工作刚刚开始，需要进一步量化网络切片的技术指标、隔离要求和架构设计，需要针对垂直行业运维人员和运营商运维人员定制不同的运维界面。

2.2.4 边缘计算技术

MEC，简称边缘计算技术。

1. MEC概念

随着各种新业务的发展，许多园区、企业、场馆等自己的应用需要在本地闭环——应用本地化“低成本”；许多运营商高带宽内容需要从中心到区域分布式部署——内容分布化“高带宽”；许多新型超低时延业务需要在边缘才能满足业务诉求——计算边缘化“超低时延”。

在这种背景下，MEC应运而生。将计算、存储、网络、应用等核心能力下沉到网络边缘，在靠近移动用户的位置上，提供IT服务、环境和云计算能力，将业务分流到本地进行处理，提升网络数据的处理效率，满足垂直行业对网络低时延、高带宽和安全的诉求，实现终端用户的极致体验，让超级计算机无处不在，这就是MEC。MEC概念示意如图2-39所示。

图2-39　MEC概念示意

边缘计算与云计算并非非此即彼，而是相辅相成，互相协同。边缘计算有时也被称作“雾计算”。云计算与雾计算的有机结合将为万物互联新时代提供完美的软硬件支撑平台。

作为5G网络的一大目标，固移融合需要从多接入边缘计算切入，5G边缘计算需要具备的固移融合能力如下所述。

（1）多网络接入：支持移动网络、固定网络、Wi-Fi等多种网络接入。

（2）统一业务体验：用户在多接入网络环境下，需要保障业务体验的一致性。

（3）统一边缘加速：通过缓存/视频转码等方式提升多网络接入用户的视频业务体验。

（4）统一边缘平台：新型业务部署、企业统一业务定制需要统一边缘平台。

（5）多网络灵活路由：根据不同业务类型灵活路由，缓解移动网络回传压力。

（6）多网络能力开放：移动网络、固定网络、Wi-Fi等多种网络能力开放。

2. MEC标准化进展

国际标准化组织ETSI为MEC制定了一系列标准：Version 1主要完成需求、架构、网络服务应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）、管理面接口等，已于2017年9月冻结；Version 2制定多接入API、测试标准，同时对相关热点技术和跨界技术进行研究，如切片、容器、车联网、与5G集成等，于2019年年底冻结，Version 2中的部分标准目前已经完成。

Version 1标准已经全部冻结发布，包括：MEC术语、技术需求、参考架构、业务场景、PoC框架、MEC Metrics最佳实践和指南、服务API通用原则、主机和平台管理、MEC平台应用使能、在NFV环境中部署MEC、E2E移动性等。

Version 2标准正在制订中，包括Version 1增强标准和Version 2新增标准两个部分。

Version 1增强标准包括MEC术语、技术需求、参考架构、服务API通用原则、MEC平台应用使能等。

Version 2新增标准包括应用移动性、支持车联网（Vehicle to everything，V2X）、支持合规需求、用OpenAPI描述RESTful API、支持网络切片、测试框架、支持容器、WLAN API、固定接入信息API、V2X API、5G集成等。

国际标准化组织3GPP为MEC也制订了相关标准：R14中的控制面与用户面分离（Control and User Plane Separation，CUPS）、R15中的上行分类器（Uplink Classifier，UL CL）、R16中的时间敏感网络（Time Sensitive Networking，TSN）和5G V2X，R17将研究对5GS的增强以支持以下MEC增强功能：

（1）边缘应用的IP地址发现机制；

（2）5GC优化支持应用的无缝切换；

（3）本地能力开放；

（4）本地业务链；

（5）IP锚点变化导致UE IP地址变化的解决方案；

（6）研究对计费和策略控制的影响；

（7）为典型的MEC应用场景提供部署指南，如V2X、AR、VR、内容分发网络（Content Delivery Network，CDN）。

3. MEC架构

根据ETSI制定的标准，MEC架构示意如图2-40所示。

图2-40　MEC架构示意

MEC架构接口示意如图2-41所示。

图2-41　MEC架构接口示意

基于NFV的MEC架构接口示意如图2-42所示。

图2-42　基于NFV的MEC架构接口示意

边缘计算系统由MEC主机和MEC管理系统组成。MEC主机包含MEC平台和虚拟化基础设施，MEC平台除了可以让安装在虚拟化基础设施之上的MEC应用程序提供MEC业务外，自己也可以提供业务。MEC管理系统包括MEC系统级管理和MEC主机级管理，MEC系统级管理的核心是MEC编排器，MEC主机级管理包括MEC平台管理器和VIM。