【5G关键技术的应用探究6200字（论文）】

5G关键技术的应用研究[内容摘要]5G网络具有用户体验感更好，网速更快，能够接受的终端接口更多等优势。5G能够进一步提升服务的各项优势性能，从而节省网络建设以及运营的费用消耗。为了满足网民的用网需求，5G网络引入了NFV、网络切片等技术，推动网络架构创新。网络切片技术凭借其配置灵活、资源共享、扩展性强、支持垂直行业应用等优势，在5G网络的发展中发挥着非常重要的作用。如何进一步加强网络切片技术以获得最佳的服务质量和性能，已成为当前5G网络切片技术研究的核心和挑战。本文主要阐述了5G网络切片技术的相关概念，并对网络切片的定义、架构、生命周期进行阐述，并对5G网络切片的编排方案进行了详细的论述，为5G网络切片技术的应用提供一定的借鉴。[关键词]5G网络；网络功能虚拟化；网络切片目录TOC\o"1-3"\h\u一、引言 一、引言为解决4G网络的相关问题，让网民使用更快网速的网络的愿望得到实现，我国通信研究领域正式开发出了5G网络。由于5G的多样化应用场景和业务需求，传统的综合网络部署方式无法灵活地为用户提供各种业务服务。运营商如果按照传统的建网方式，用单一的网络来满足多种差异化业务，就无法提高网络性能，也无法满足网络的高速传输标准，并且还需要耗费大量的资金用于购买设备。[1]因此，5G摒弃了全集成部署方式，基于松耦合、易扩展的原则设计新的网络架构，采用基于NFV（NetworkFunctionsVirtualization，网络功能虚拟化）的网络切片技术在基础设施平台上实现资源虚拟化，部署多个自定义、专用、隔离的端到端逻辑网络。二、5G网络切片技术的相关概念在5G中，针对不同的应用场景，通过网络切片技术，从统一的基础架构出发，可按需组合不同的网络功能，部署在基础设施网络中不同的位置，从而为用户供应定制化服务。（一）网络切片的定义网络切片指的是一种能让运营商使用，基于同客户签订的SLA（Service-LevelAgreement）服务等级协议，为不一样的用户类型供应定制化且能满足隔离要求的逻辑网络。[2]图2.1显示的是基于5G环境的网络切片效果示意图，由下图可以知道，用户终端、接入网、传输网、核心网这四个部分构成了整个端到端网络切片。图2.15G环境下的网络切片效果示意图用户终端(UE)存储网络切片标识。在进行通信时，终端在传输的消息中通过切片标识来支持5G网络根据应用场景选择网络切片的功能。[3]为了实现接入网部分切片的资源分配、隔离和质量保证，接入网可以识别切片，并对其他切片中的流量进行PDU会话（用户终端UE与数据网络DN之间进行通讯的过程）的差异化处理。[4]传输网主要承载不同切片业务数据在接入网与核心网之间的传输。核心网负责端到端网络切片的终端接入控制、切片选择和切片的协同管理。核心网包括移动性、会话管理、计费、QoS、应用优化功能(CDN等)等多样化的能力，为切片的定制能力提供了丰富的选择。部分核心网切片由部署在5G网络的NFVI（NetworkfunctionvirtualizationInfrastructureSolution，网络功能虚拟化基础设施解决方案）中的各类VNF组成，运营商利用网络切片配置技术和虚拟资源管理技术，根据不同需求对VNF（VirtualNetworkFeature，虚拟的网络功能）进行一体化动态放置、部署和调度能够切分出NFVI中的多个网络切片。不同业务类型的网络切片的差异主要体现在核心网部分。[5]（二）网络切片架构网络切片的架构如图2.2所示，主要包含网络功能虚拟化基础设施(NFVI)、NFV管理编排(MANO、切片选择功能(NSSF)和切片管理功能四个部分。NSSF3GPP切片管理功能CSMFNSSF3GPP切片管理功能CSMFNFVMANOOs-MaNSMFNFVONSSMF网络切片n网络切片1接入网切片Or-Vnfm核心网切片网络切片子网 EM1...VNF1 VNFn网络切片子网NSEM1...VNF1VNFMEMnEMnVNFnVe-VnfmVIMNf-ViNFVI计算资源 存储资源 网络资源ViOr-Vi-Vnfm图2.2网络切片的架构网络切片具有三个管理功能：通信服务管理功能（CSMF）、网络切片管理功能（NSMF）和网络切片子网管理功能（NSSMF）。[6]网络切片请求者通过CSMF订购网络切片，并提交相关切片需求，例如网络带宽、延迟和在线用户数。CSMF可以将通信服务相关的需求翻译成网络切片相关的需求，并转发给NSMF。NSMF负责网络切片管理，从网络切片相关需求中推导出网络切片子网相关需求，并转发给NSSMF。NSSMF负责管理和编排网络切片子网。这样，CSMF条目就容纳了用户的请求，通过NSMF和NSSMF逐层分解和分发。网络切片和网络切片子网对应NFV域中的网络服务。NSSMF首先将构建网络服务的需求传达给NFVO（NFVOrchestration），NFVO将NST（NetworkSlicingTemplate）转换为NSD（NetworkServiceDescriptor）完成网络服务部署。NFVO负责管理由一个或多个VNF和PNF（PhysicalNetworkFunction）组成的网络服务的生命周期。然后NSSMF（NetworkSliceSubnetManagementFunction）将服务配置数据传递给EM进行服务配置。EM和VNFM（VNFmanager）通过接口共同实现业务层和资源层的协同管理。VNFM主要实现VNF的生命周期管理。NFVI负责提供通用基础设施资源，包括物理和虚拟计算、存储和网络资源。VIM负责管理和监控整个NFVI资源。[7]网络切片部署完成后，NFVO从资源层向NSSMF上报管理数据，EM从网络功能业务层向NSSMF上报管理数据，NSSMF负责网络切片子网的整体运维，NSMF负责多个网络切片子网配置端到端网络切片的运维。[8]NSSF是实现网络切片选择功能的关键网元，通过UE中存储的网络切片标识引导UE接入合适的网络切片。网络切片由S-NSSAI（网络切片选择辅助）标识，其中包含另外两条信息。一种是切片服务类型（SST），它表示其切片特征和预期的网络切片行为。另一种是对SST进行补充的切片标识符(SD)，进一步区分同一SST的多个切片。SST的取值由下表2.1所示。表2.1网络切片的标识符取值Slice/ServicetypeSST取值说明eMBB1支持处理5G增强型移动宽带，不限于一般消费空间移动宽带应用，包括高质量视频流、高速大文件传输等。URLLC2支持包括工业自动化（远程）控制系统在内的应用的超可靠低延迟通信。mIoT3高效地支持海量高密度的物联网设备（三）网络切片的生命周期网络切片的生命周期是网络切片管理功能中的一个重要概念，在真实5G网络环境的体现则是对网络切片实例(NSI)的不同阶段的管理。[9]如图2.3所示，NSI的生命周期通常包括准备阶段、实例化阶段、运行阶段和退役阶段。图2.3网络切片实例的生命周期（1）准备阶段：在创建一个网络切片实例之前需要一个准备阶段，这一阶段包括网络切片的设计和验证。所谓切片设计主要是指根据客户的业务需求生成NST的过程，而NST主要包括对网络切片各方面的结构和配置参数的描述，以及如何实例化和控制NSI。在生成NST之后，有必要验证NST的描述格式和参数值。并且在执行这些切片模板之前，必须准备好必要的网络环境，以支持NSI生命周期以及网络所需的其他准备工作。[10]（2）实例化、配置和激活阶段：网络切片创建过程是NSI的实例化过程。网络切片管理器首先解析NST并提取有关其中网络切片的描述性信息。首先，根据资源参数信息，向基础设施层申请必要的逻辑资源。然后，需要对资源进行分区以将其与其他网络切片资源隔离。然后根据网络服务参数、网络功能参数和网络拓扑信息，将其转换为相应的网络服务描述符（NSD）或网络功能描述符（NFD）和网络功能交付图（VNFFG）。接下来，将上面提取的信息资源隔离接口发送到NFVMANO进行编排。来自NFVMANO的NFVO可以在网络管理员的帮助下协调请求的物理和虚拟资源，并实例化网络功能和相关接口。同时，网络服务是在保证网络连通性的基础上形成的。完成上述所有实例后，您可以在切片管理器中注册并激活它们。至此，网络切片实例化，进入运行状态。[11]（3）运营阶段：在这个阶段，运营商可以通过网络切片管理器提供的接口监控切片所在的机器、切片或子网切片，甚至业务。监控结果使运营商能够及时维护网络切片。维护的内容包括资源、网络功能、故障告警或操作策略。修改可以映射到与运行时操作相关的多个工作流，例如升级、重新配置、NSI扩展、NSI容量更改、NSI拓扑更改以及NSI的网络功能的连接和断开。（4）释放阶段：网络切片管理器收到切片释放指令后，首先将切片实例去激活，然后通知MANO关闭切片关联的VNF，释放切片占用的资源。资源恢复完成后，必须从注册表中删除NSI的所有记录。运营商也失去了管理网络切片的能力。由于网络切片的隔离，一个网络切片的丢弃不会影响其他网络切片的服务。[12]三、5G网络切片的编排方案（一）网络切片的编排所谓网络切片的编排是指根据业务场景的需求和模型，在进行切片实例化时为切片分配相应的网络资源。网络切片编排的基本过程如图3.1所示。图3.1网络切片的编排过程首先网络切片提供商会在网络切片编排功能模块注册相应的NST。从前一节的介绍可知，网络切片可以看作是实例化的网络切片模板(NST)。其中，NST包含了该业务场景所需的网络功能模板和这些功能模块所需的网络资源等信息，网络切片编排功能主要由NFV中的MANO中的NFVO在VNFM和VIM的协助下提供。在注册好NST之后，网络运营商会为NST设计具体的网络切片实现方案（比如VNF位置、数量、类型的选取）并将其发送给网络切片编排功能。然后网络编排功能根据NST向NFVI申请相关资源，并在申请到的资源上实例化网络切片。在NSI运行期间，网络切片编排功能还能够对NSI进行监控管理，并且可以根据实际业务量，对NSI所占需的资源的进行扩容缩容动态调整。（二）5G网络切片编排方案网络切片编排问题本质是网络切片在NFVI上的映射问题，该问题定义为：在符合网络切片的网络性能要求、网络切片中VNF的计算资源需求以及虚拟链路的带宽资源需求的前提下，在NFVI找到一种能够切片在某些指标上达到最优的VNF和虚拟链路的映射位置方案。现有的关于网络切片映射的研究中存在优化目标单一和未考虑网络切片对网络Qos的差异化需求。因此，针对这两个问题，本文在现有研究的切片映射模型的基础上提出两点改进措施：（1）以网络切片的网络性能和运营成本作为联合优化目标，其中网络切片的网络性能主要由网络切片的Qos值来体现。（2）针对不同类型的网络切片Qos值，通过为网络时延、时延抖动和丢包率，分配不同的权值占比，设计不同类型的网络切片Qos值计算方式。网络切片编排的具体过程如图3.2所示，网络切片的编排方案主要包括输入的网络切片信息、NFVI资源信息、网络切片映射优化模型和映射算法。图3.2网络切片编排具体过程1.底层资源网络在现实世界中，5G的底层物理网络以数据中心的形式存在。即底层物理网络由分散在不同位置的若干服务节点、交换节点和存储节点组成，如图3.3所示。5G中使用NFV技术将数据中心中各类物理网络资源进行虚拟化，使其抽象成网络功能虚拟化基础设施(NFVI)，从而对真实网络环境中的各类资源进行统一管理。并且为了降低问题的复杂度，本文进一步将NFVI简化成一个底层资源网络模型，如图3.4所示。基本资源网络模型由分散在不同位置的资源节点和连接这些节点的通信链路组成。其中，每个节点都有计算资源价值属性，每条通信链路都有带宽资源价值属性和网络QoS属性。图3.3实际环境中底层网络示意图图3.4底层资源网络在5G网络环境中，一个底层资源网络上可能运行着一个或者多个相互独立的网络切片，而根据网络切片的生命周期，这些网络切片可能在不同的时刻被创建、修改和退役。所以在不同的时刻，随着网络切片生命周期的阶段变化，底层资源网络的系统状态会发生改变。为了更好地去反应系统的动态变化，本文在底层资源网络的模型中引入了系统快照t的概念。系统快照t作为系统在固定时间间隔内的状态的表示，系统的状态（切片的VNF数量、系统的资源使用情况、系统的网络状态等）会因为快照类型的不同而出现差别。2.网络切片初始映射模型网络切片的编排就是找出网络切片中包含的VNF和虚拟链路在底层网络上的资源节点和资源链路的最佳映射位置。在初始映射阶段，网络切片的VNF在底层网络上映射位置不会改变。初始映射阶段包括了网络切片生命周期中的实例化期和修改期的。在网络切片进行实例化时，只需要根据优化目标，在满足切片性能要求的情况下，求解VNF或虚拟链路的映射位置，然后在底层资源网络上实例化这些VNF和虚拟链路即可。在网络切片的修改期，需要对网络切片中VNF或虚拟链路所需的资源进行调整（扩容/缩容），以适应流量的变化。对于VNF或虚拟链路的资源扩容请求，如果该请求申请的额外资源未超过其所映射的底层节点或链路的可用资源限制，则直接在底层网络中为这些扩容请求分配资源。40404030网络切片VNF1VNF2VNF37060底层资源网络方案1方案2方案3RN28RN370 RN178RN4RN610RN59080100资源链路时延（ms）（us）丢包率单价(RN1,RN2)2.1230 0.00320.7(RN2,RN3)2.4210 0.00410.7(RN3,RN4)2.9220 0.00420.7(RN4,RN5)3.5300 0.00440.7(RN5,RN6)2.7400 0.00390.7(RN6,RN1)3.1500 0.00380.7(RN2,RN6)2.8380 0.00450.7(RN2,RN5)3.6290 0.00420.7(RN3,RN5)3.0540 0.00450.7资源节点RN1RN2RN3RN4RN5RN6单0.50.40.60.70.60.8：eMBB：7ms丢包率约束：0.005图3.5网络切片VNF的初始映射图3.5展示了了一个三个VNF网络切片在6节点的底层网络上的初始映射过程，在满足网络切片的资源需求和网络性能需求的情况下，映射方案一共有三种。经过计算得出三种方案在各个指标上的值，如表3.1所示。表3.1三种映射方案四项指标对比方案指标计算资源成本带宽资源成本总时延平均抖动平均丢包率154￥8.4￥4.3ms220us0.00365261￥8.4￥5.3ms215us0.00415370￥8.4￥6.4ms260us0.00430从表3.1中可以明显看出方案1为网络切片初始映射的最好方案，其中VNF映射方案为{VNF1→RN6，VNF2→RN1，VNF3→RN2}，虚拟链路映射方案为{(VNF1,VNF2)→(RN6,RN1),(VNF2,VNF3)→(RN1,RN2)}。3.网络切片迁移映射模型另外，VNF的迁移还需要VNF实例在迁移前和迁移后的状态保持一致，这需要VNF实例在迁移后的运行数据和迁移前保持一致。因此可以得出，所谓VNF的迁移，就是先在旧的服务节点上卸载删除VNF实例，接着在新的服务节点上通过对应的安装包和配置文件安装启动VNF实例，然后将VNF实例存在旧服务节点上的运行数据通过通信链路传输至新服务节点，迁移后的VNF实例通过加载这些运行数据来达到与迁移前的状态一致，至此VNF实例迁移就完成了。如果切片扩容请求超过了可用资源限制，则进入迁移映射阶段。网络切片编排器会自动将这些扩容请求超过限制的VNF或虚拟链路进行迁移，迁移到底层网络中满足其资源需求的节点或链路。除此之外，在网络切片的运行节点，切片管理器还会根据VIM上报的底层网络负载信息来对VNF进行迁移映射。当底层资源节点的资源利用率过高（大于85%）时，为了避免底层节点对应的服务器因负载过大而宕机，网络切片编排器会将该底层节点上所运行的VNF迁移至其他资源足够且负载较轻的新节点。基本的VNF迁移映射过程如图3.6所示。图3.6网络切片VNF迁移映射图3.6中，网络切片中的VNF3节点进行扩容操作，所需的计算资源由原来的30增加为60，这导致了2号的底层节点的负载状态进入危险状态。网络切片编排器收到这一信息后，对VNF3进行迁移映射，将其映射至4号的底层节点上。迁移映射方案为：VNF映射方案为{VNF3→RN5}，虚拟链路映射方案为{(VNF2,VNF3)→(RN2,RN5)}。四、结论本课题主要对5G网络切片的相关知识进行了介绍分析。其中，简要介绍了5G的愿景、需求以及网络架构，阐明了网络切片技术对于实现5G网络架构的重要性；介绍了实现网络切片的核心技术——NFV的基本概念与架构；着重讨论了网络切片的概念，架构体系等知识。最后探讨了网络切片编排问题，指出后续关于5G网络切片编排方案研究的方向。但是后