??2021年第1期正式出版 / 专题：SA核心网
支持行业应用的5G核心网方案
“SA核心网专题”（2）《移动通信》2021年第1期
面向智能化切片的服务化等级保障技术增强和研究*
夏旭，梅承力
（中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）
*基金项目：国家电网公司科技项目（SGFJXT00TXJS2000313）
【摘 要】网络切片是5G垂直行业应用的重要使能技术，可以为不同应用场景提供差异化服务，切片服务等级保障使得运营商能够准确感知和评估各类业务的服务质量，以便进行服务质量的保障，然而，在切片的应用中，由于缺乏关于业务体验的实时监控，使运营商无法有效评估各类业务的服务质量。为了让运营商可以有效地评估各类业务的服务质量，首先利用网络数据分析功能分析得到切片中某个业务的用户体验，然后借助人工智能技术，基于业务体验数据建立业务模型，评估整个切片在运行态的切片SLA，从而更新切片的资源配置和调度，实现SLA的增强。
【关键词】网络切片；切片服务等级保障；网络数据分析功能；人工智能
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2021.01.002
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2021)01-0006-05
引用格式：夏旭,梅承力. 面向智能化切片的服务化等级保障技术增强和研究[J]. 移动通信, 2021,45(1): 06-10.
0 引言
网络切片技术是5G网络为不同应用场景提供差异化服务的关键技术。通过网络切片，运营商在一个通用物理平台上构建多个专用的、虚拟的、隔离的、按需定制的逻辑网络，来满足不同行业用户对网络能力的不同需求（如时延，带宽，连接数等）[1]。除了按需定制、安全隔离的核心能力外，还有对行业应用至关重要的“切片服务等级保障”（SLA, Service Level Assurance）[2]。它使得5G网络切片可以给行业应用提供可定制、可感知、可预期的通信服务质量，并将其作为完整业务系统中的一环，实现对业务质量的端到端管控。
此外，用户对网络切片的了解需要一定的认知过程，清晰的SLA指标有助于行业用户直观感受到网络切片所能提供的服务类别及其差别，并参考SLA标准所定义的服务等级，选择适合自己行业业务特性的网络切片服务，从而降低了行业间沟通的壁垒。网络切片SLA作为提供通信服务的服务协议，需要把运营商与网络切片客户签约的业务需求信息传递到运营商的网络中。对于需要新创建一个切片的场景，切片管理系统根据租户对切片的SLA要求（如切片列表、PLMN列表、最大用户数、切片服务区域、切片端到端时延、切片中终端的移动等级、切片资源共享等级）进行各域（接入网、传输网、核心网等）的SLA分解，进而进行各域资源配置，包括带宽、时延等[3]。
切片SLA对于网络切片的创建、运行、更新和监控过程起着重要的作用，尤其在切片运行过程中，切片管理系统可基于切片SLA进行资源调度或者配置，因此评估切片SLA使运营商能够准确感知和评估各类业务的服务质量，以便进行服务质量的保障。然而，对于网络切片用户来说，其面临的场景更复杂，在切片运行过程中，由于缺乏实时监控切片中的业务体验，使运营商无法有效评估各类业务的服务质量。基于以上因素，可借助3GPP引入的网络数据分析功能（NWDAF, Network Data Analytics Function）网元[4]，基于业务体验数据构建基于人工智能（AI）的网络切片业务模型训练[5]，通过对网络切片SLA的评估，进而实时监控切片中的业务体验，从而准确感知用户体验到的业务质量，可以对网络进行精准、动态调整。
此外，国内外标准组织（包括3GPP、NGMN、ITU、ETSI、IETF和GSMA等）均已开展将AI应用于网络切片的研发等工作中。3GPP SA2制定的全新5G核心网架构中引入了新的网络功能NWDAF，主要用于数据分析，并向网络功能提供数据分析的结果[6]。
目前仍然缺乏将AI技术、NWDAF和网络切片管理系统融合的网络切片SLA增强研究。因此本文将结合5G网络切片SLA在典型行业的需求，5G网络切片SLA保障技术实现流程，AI技术，网元NWDAF实现切片SLA保障技术增强研究，并通过智能电网的应用案例实现切片SLA保障技术增强过程，最后总结智能化切片的SLA保障技术的不足。
1 切片SLA在典型行业的需求
5G网络切片是5G服务垂直行业的关键切入点，可以为不同行业用户提供差异化服务，而差异化服务的关键指标就是服务等级协议（SLA）。
5G 医疗健康是融合5G技术和医疗技术而衍生出的新领域。目前5G 医疗健康领域应用场景主要包括三大类：一是基于图像与视频实时交互的诊断指导类应用，比如实时远程会诊、无线手术示教等；二是基于力反馈的远程操控类应用，比如远程机器人手术等；三是基于无线采集类的监测与护理类应用，比如无线输液、移动护理、患者实时位置监测等。
不同的应用场景对网络的服务能力需求有很大差异。对于实时远程会诊，需要网络提供大带宽和低时延的通信保障，确保双方交互时音画传输流畅、延迟较低。与远程会诊等应用不同的是，远程机器人手术为有创操作，延迟或错误的操作将造成严重的后果，甚至危及生命。基于上述应用类型对通信需求的分析，中国信通院提出的《5G端到端切片SLA行业需求研究》白皮书中将医疗行业SLA标准分级可分为三大类：基于图像与视频实时交互的诊断指导类切片、基于力反馈的远程操控类切片、基于无线采集的监测与护理类切片。
5G在工业制造行业的应用可分三大类，包括基于上行高带宽的外围服务类应用、基于海量信息采集的辅助生产类应用和基于高可靠精准控制的生产核心类应用。基于上行高带宽的外围服务类应用，主要以高清视频监控为主，上行带宽需求明显高于下行带宽。基于海量信息采集的辅助生产类应用，终端接入数量比较庞大，有些场景数以万级，信息上报频次比较高，租户对资源有隔离度需求，与其他切片资源保持隔离，数据完整持续稳定即可满足需求。基于高可靠精准控制的生产核心类应用属于企业的关键性生产制造环节，对通信系统的时延和可靠性要求最高。
基于工业制造行业对通信需求的分析，在中国信通院提出的《5G端到端切片SLA行业需求研究》白皮书中将制造行业SLA标准分级分为三大类：基于上行高带宽的外围辅助类切片、基于海量信息采集的辅助生产类切片、基于高可靠精准控制的核心生产类切片。同样，基于电力行业对通信需求的分析，在中国信通院提出的《5G端到端切片SLA行业需求研究》白皮书中将电力行业SLA标准分级可分为三大类：基于高清视频的巡检类切片、基于低时延的电网控制类切片、基于无线采集的监测类切片。
不同的场景对网络的性能有不同的需求，因此，清晰的SLA指标有助于行业客户清楚网络切片与自身应用场景相匹配。此外，中国信通院在《5G端到端切片SLA行业需求研究》白皮书提出企业对于网络的需求存在“马斯洛模型”，基本层级是从基础的业务可用，到安全可信，再到自主可控。“马斯洛模型”如图1所示：
2 切片SLA的要求和实现
网络切片SLA作为切片服务提供商和行业用户之间的业务保障协议，在5G行业应用拓展和商业化中发挥关键作用。因此，5G网络切片SLA保障技术对实现跨域的质量保障非常重要。5G网络切片SLA保障技术主要包括网络切片SLA各域指标分解要求和端到端切片SLA质量保证技术要求。
网络切片SLA是运营商与网络切片客户之间签订的业务协议中的一部分，网络切片SLA中包含了网络切片客户对于运营商提供的服务及网络的相关需求。网络切片管理功能（NSMF）将网络切片实例的属性要求（Service Profile）分解为无线、承载和核心网三个专业领域分别的切片子网属性要求（Slice Profile），然后传递到无线、承载和核心网三个专业领域的网络切片子网管理功能。端到端网络切片分解包含CN/AN/TN三个子域的协作，分解流程图如图2所示：
5G网络切片SLA保障技术要求主要包括：网络切片SLA全局监控技术要求，端到端SLA闭环质量保证技术要求。
端到端网络切片监控包括故障监控（监控切片的运行状况、故障信息）、性能监控（通过性能统计数据，提取切片实例和业务切片的性能数据，用于进行切片性能负荷趋势分析）、切片参数监视（监视切片的关键参数，如端到端时延、业务切片的用户数等）。故障监控和性能监控按照订阅通知模式进行监控。消费者到生产者进行订阅，生产者通知消费者，如图3所示：
端到端SLA的监控以及各域对于SLA各指标监控的能力支持，包括端到端SLA监控及测量要求、切片管理功能支持要求、无线功能支持要求和核心网功能支持要求。
（1）网络切片SLA监控及测量功能包括以下方面的要求：网络资源监控、性能指标监控。切片性能指标监控功能中涉及的各项性能指标应基于整体ServiceProfile要求，以及SLA分解后各个子域对应的性能指标要求。
（2）切片管理功能支持要求：为支持网络切片SLA全局监控，切片管理功能NSMF应支持网络切片性能管理、告警管理和管理数据开放。
（3）无线功能支持要求：1）通过切片管理面触发接入网的切片监控功能；2）对于可监控的SLA指标，接入网进行切片粒度的监控；3）对于无法直接监控的SLA指标，根据组网形态及配置进行预计。
（4）承载功能支持要求：支持切片管理面触发的5G端到端关键性能KPIs指标的上报以及网络功能级性能KPI指标的上报，承载网子网切片管理器根据接收到的性能数据产生以网络切片S-NSSAI为对象的性能指标。
（5）核心网功能支持要求：网络切片管理数据开放，NSMF支持向认证的第三方开放网络切片性能数据和告警数据。
端到端SLA闭环质量保证技术要求是从端到端的角度对整个闭环保证能力要求，子域闭环保障流程，从下到上的闭环保证。
通信服务的E2E SLS保障包括两个管理控制闭环的交互：1）在CSC和CSP间，CSC向CSP提供通信服务保障需求，CSP向CSC提供对应的通信服务和反馈信息，CSP调整通信服务所使用的资源或CSC调整SLS，持续进行以达成保障需求；2）在CSP和NSP间：CSP提供的通信服务需要网络能力，例如，CSP需要特定的网络时延，NSP管理系统调整网络或者CSP调整时延需求，持续进行以满足时延需求。
通信服务保障闭环控制包括以下步骤：监控、分析、决策和执行。通信服务所使用的资源通过管理闭环中各步骤的持续迭代来完成，总体过程如图4所示：
端到端SLA闭环质量保证技术子域闭环保障流程，包括切片管理功能支持要求、无线功能支持要求、承载功能支持要求、核心网功能支持要求。
（1）切片管理功能支持要求：能为服务于UE组的一组通信服务配置性能指标目标、收集网络数据和分析相关的性能指标、修改AN、TN、CN节点和NSI(s)/NSSI(s)的相关配置参数。
（2）无线功能支持要求：接入网的闭环保障分为网设规划评估、网络运行期的差异化调度及闭环保障环节。
（3）承载功能支持要求：承载应支持网络切片故障快速倒换功能、软切片、硬切片的冗余保护功能、监测指标不符合对SLA要求时，及时做出调整，实现承载切片的LSA保障等。
（4）核心网功能支持要求：核心网通过切片控制面闭环和管理面闭环来保证切片业务质量，切片控制面可以完成对切片的实时控制，切片管理面可以实现准实时、非实时闭环控制。
3 切片SLA的增强
基于收集业务的SLA体验数据和切片KPI指标数据，NWDAF采用AI算法建立SLA体验和网络收集数据的关联模型，从而可以实时监控切片中的业务体验，进而评估整个切片在运行态的切片SLA。如果当前网络资源超额满足切片SLA要求，则切片管理系统可以降低切片的资源配置；如果当前网络资源不能满足切片SLA要求，则切片管理系统可以增加切片的资源配置。
以RAN侧的资源调度为例，目前网络切片的RAN侧保障主要通过调度的方式对切片在RAN侧的业务表现进行保障，但由于用户的移动性和无线环境的复杂性，使得静态的参数配置无法满足业务质量的要求，而且引入切片后的调度算法变得复杂的同时，其整体业务表现和业务吸纳能力很难实现最优化，通过NWDAF的引入，将RAN侧的调度和当前SLA的参数情况对应起来。比如新建切片的保障空口资源15%和最大空口资源70%，经过切片管理系统分析后无法满足切片SLA要求，切片管理系统增加无线侧资源配置，保障空口资源从15%提高到20%，最大空口资源从70%提高到80%，切片管理系统将新的资源配置下发到无线侧。RAN侧基于NWDAF的切片SLA增强如图5所示：
此外，对特定业务切片，PCF决策QoS参数后，是否与业务预期SLA匹配，目前运营商很难评估。可引入助智能化NWDAF来实现，NWDAF基于收集到的特定业务的AF向NWDAF反馈业务体验QoE，PCF向NWDAF反馈业务当前QoS参数，根据不同的业务选择合适的AI模型，进而评估QoS参数是否与业务预期SLA匹配，基于智能化NWDAF的业务切片SLA保障示意图如图6所示：
基于智能化NWDAF分析流程如下所示。
（1）数据采集的订阅：PCF向NWDAF订阅特定业务的分析结果，NWDAF通过NEF向该业务的AF订阅特定业务的统计数据；向PCF订阅特定业务当前的QoS参数。
（2）数据的采集分析：AF通过NEF向NWDAF上报业务体验的统计数据，PCF向NWDAF上报业务当前QoS参数。
（3）策略的调整修改：NWDAF借助AI模型对综合采集的数据进行分析，将分析结果发送给PCF，作为重新决策的条件之一，PCF依据NWDAF的分析结果，动态调整该业务的QoS参数；重复采集和分析调整流程，不断优化业务QoS参数以达成业务切片SLA。由于不同类型业务差异较大，例如游戏、视频、车联网业务等，其选择的AI模型也不尽相同，根据不同业务进行分别建模，相似业务可进行泛化处理。
4 SLA增强在电力行业的应用
行业数字化对5G网络有三个维度的需求，即差异化、专属和可自定义的3D网络服务。基于这三个维度构筑确定性能力的网络，就是运营商推动各行业在5G时代实现数字化转型的核心资产，也就是5G确定性网络（5GDN）。电力是5G确定性网络最具代表性的行业之一。
电力行业SLA标准分级可以分为三大类：
第一类是基于高清视频的巡检类切片。该类切片的应用场景主要包括电线移动巡检、配电房综合视频监控、变电站机器人巡检、AR/VR智能巡检等应用场景，主要传输视频类业务。
第二类是基于低时延的电网控制类切片。该类切片包括智能分布式配电自动化、用电负荷需求侧响应、分布式能源调控等。
第三类是基于无线采集的检测类切片。该类切片包括用电信息采集、配网状态监控等场景。采集内容当前主要以基础数据、图像为主，主要需求为大连接类。
5 结束语
网络切片服务质量的保障，传统的保障方法可能存在性能不确定和资源浪费的问题，通过NWDAF，引入人工智能已成为业界研究的热点问题。AI算法可以根据NWDAF网元收集的KPI数据和业务体验数据提供智能策略，可以实现切片SAL的智能化部署和智能化调度。一方面利用AI算法，基于NWDAF，对收集的数据进行分析，输出切片的切片业务体验，实现切片资源精确匹配和切片运维时的切片动态调整。另一方面，基于AI模型训练输出的切片管理策略，自动化执行策略，实现切片的故障自愈和自优化，然后重点介绍了切片SLA增强在电力行业的应用。然而，SLA指标和切片用户业务质量表现之间可能并不能够简单的对应，是引入AI智能化下一步重点考虑的方向。总之，基于AI的切片SLA增强技术，使5G网络切片更加智能化与自动化，能够更准确、更经济地实现网络切片服务质量的保障。
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2021.01.002
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2021)01-0006-05
引用格式：夏旭,梅承力. 面向智能化切片的服务化等级保障技术增强和研究[J]. 移动通信, 2021,45(1): 06-10.
夏旭（orcid.org/0000-0002-2151-3775）：高级工程师，硕士毕业于韩国全北大学，现任职于中国电信股份有限公司研究院，3GPP SA1副主席，长期从事移动通信前沿技术研究和行业赋能拓展工作。
梅承力：教授级高级工程师，博士，现任职于中国电信股份有限公司研究院，长期从事移动通信领域工作，负责和参与完成十余项国家重大课题，目前从事5G网络技术、5G行业应用相关研究和实践工作。
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