工業(yè)場景下的5G網(wǎng)絡切片部署方案

白月維 張慧麗,2 孟亞東 初彥萍,2

（1.河北電信設計咨詢有限公司，河北石家莊 050021；2.石家莊市寬帶接入與傳送網(wǎng)絡優(yōu)化技術創(chuàng)新中心，河北石家莊 050021）

5G時代，行業(yè)客戶將萬物引入網(wǎng)絡，之前人與人通信對網(wǎng)絡模型的要求是一致的，萬物互聯(lián)后，對網(wǎng)絡模型的要求碎片化，抄表類的連接與車聯(lián)網(wǎng)類的連接對網(wǎng)絡模型的要求完全不同，如服務時間、帶寬要求、時延要求、終端數(shù)量規(guī)模等都存在差異。為了提供差異化信號傳輸服務，5G網(wǎng)絡必須做到“一專多能”，網(wǎng)絡切片技術成為打造5G網(wǎng)絡多元化和差異化服務能力的關鍵技術之一。

1.5G在工業(yè)領域應用場景

1.1 工業(yè)自動化控制

自動化控制是制造工廠中最基礎的應用，核心是閉環(huán)控制系統(tǒng)。典型的閉環(huán)控制過程，周期低至ms級別，所以要求通信系統(tǒng)的時延達到ms級別甚至更低才能保證控制系統(tǒng)實現(xiàn)精確控制，對可靠性也有極高的要求[1]。如果通信系統(tǒng)本身時延過大，或者在數(shù)據(jù)傳送時數(shù)據(jù)誤碼率較高，可能導致生產(chǎn)過程中良品率下降甚至引起生產(chǎn)停機，造成巨大的財產(chǎn)損失。因此，低延時、高可靠的網(wǎng)絡是保證整個生產(chǎn)線正常運行的必要條件。

5G網(wǎng)絡可提供超低時延、超高帶寬、超大連接的網(wǎng)絡能力，使得閉環(huán)控制應用通過5G網(wǎng)絡連接成為可能。

1.2 基于云端控制的工業(yè)機器人

在智能制造生產(chǎn)場景中，需要機器人有自組織和協(xié)同的能力來滿足柔性生產(chǎn)的要求，基于云端控制的機器人是最佳選擇。和傳統(tǒng)的機器人相比，云化機器人需要通過網(wǎng)絡連接到云端的控制中心[2]。

5G網(wǎng)絡可以達到低至1ms的空口時延，并且支持99.999%的連接可靠性，同時具備Gbps級別的數(shù)據(jù)傳輸速率，使5G能夠滿足云端控制機器人對時延、可靠性、大帶寬的挑戰(zhàn)。5G網(wǎng)絡的上述能力，通過特有的網(wǎng)絡切片技術為云化機器人應用提供端到端定制化的專屬網(wǎng)絡。

1.3 云AR

在未來智能工廠生產(chǎn)過程中，增強現(xiàn)實AR將發(fā)揮重要作用，在智能制造過程中可用于監(jiān)控流程和生產(chǎn)流程；生產(chǎn)任務分步指引，如手動裝配過程指導；遠程專家業(yè)務支撐，如遠程維護[3]。云AR終端僅具備連接和顯示等功能，信息處理功能上移到云端，AR終端和云端通過5G網(wǎng)絡連接，云AR使AR終端成本大幅降低，可獲得云端無限能力，必將得到大量應用。

AR終端通過5G網(wǎng)絡實時獲取必要的信息，如生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)、以及故障處理指導信息。AR終端的顯示內(nèi)容必須與AR終端中攝像頭的運動同步，才能避免視覺失步現(xiàn)象。通常從視覺移動到AR圖像反應時間低于20ms，才會有較好的同步性，所以要求從攝像頭傳送數(shù)據(jù)到云端，再到AR顯示內(nèi)容的云端回傳時間需要小于20ms，除去屏幕刷新和云端處理的時延，要求無線網(wǎng)絡的雙向傳輸時延在10ms以內(nèi)才能滿足實時性體驗的需求[4]。5G網(wǎng)絡空口時延可以達到低至1ms，能夠滿足云AR的時延要求。

1.4 物聯(lián)網(wǎng)

5G網(wǎng)絡帶來更快的網(wǎng)速，使大規(guī)模設備互聯(lián)、大數(shù)據(jù)交互成為可能，有力地推動了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。3GPP協(xié)議中定義的5G三大場景包含了豐富的功能應用需求，如eMBB能支撐遠程視頻監(jiān)控、視頻會議等高帶寬的應用場景；mMTC能滿足大量低功耗嵌入式終端的數(shù)據(jù)連接與傳輸需求，uRLLC能滿足遠程手術、自動駕駛等對時延和可靠性要求較高的應用場景。

1.5 4K/8K超高清視頻

超高清視頻技術與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)結合，可以實現(xiàn)產(chǎn)品缺陷的精細識別、精密定位測量等環(huán)節(jié)。超高清視頻技術與機器視覺、人工智能等新技術結合，依托5G所特有的廣域移動能力、大帶寬、低時延的網(wǎng)絡特性，可應用于機器人巡檢、人機協(xié)作交互等場景，提高工業(yè)自動化、智能化水平。

2.切片劃分

切片可以根據(jù)業(yè)務、區(qū)域、虛擬運營商、用戶等進行劃分，以滿足不同業(yè)務和區(qū)域的特定要求。

2.1 按業(yè)務劃分

不同的垂直行業(yè)中的業(yè)務有不同的SLA要求，可以針對特定的業(yè)務劃分不同的切片，比如：

（1）eMBB切片：VR/AR、超高清視頻等。

（2）mMTC切片：智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)等。

（3）uRLLC切片：自動駕駛、遠程醫(yī)療等。

2.2 按區(qū)域劃分

根據(jù)區(qū)域進行切片劃分，運營商在建立覆蓋全國的大切片的基礎上也可以針對不同工業(yè)園區(qū)、商業(yè)中心、體育場所等流量大或連接比較密集的區(qū)域建立熱點切片。當終端進入該區(qū)域的時候可以優(yōu)先接入該熱點切片，離開該區(qū)域時可以接入更大的切片。

2.3 按虛擬運營商劃分

針對不同的虛擬運營商建立不同的切片，以保證各個運營商能夠進行獨立的運營。

2.4 按用戶劃分

針對不同的用戶群組（比如不同的用戶行為、用戶的網(wǎng)絡環(huán)境等）進行劃分以提供差異化或定制服務。

3.切片部署策略

切片可以根據(jù)不同的SLA、成本等要求采取不同的部署策略。

3.1 分布式部署與集中部署

針對不同的SLA的要求，如時延、帶寬等要求進行不同的部署，在全國建立多級數(shù)據(jù)中心，如全國數(shù)據(jù)中心、區(qū)域數(shù)據(jù)中心、邊緣數(shù)據(jù)中心等。比如uRLLC切片的UPF下沉部署在邊緣數(shù)據(jù)中心，甚至站點機房中，而對于mMTC切片的UPF可以集中部署在全國數(shù)據(jù)中心，如圖1所示。

圖1 切片部署策略示意圖

3.2 共享與獨立部署

通過權衡成本、安全性、隔離性等要求采用不同網(wǎng)元的共享類型，如GROUP A、B、C等，如表1所示。

表1 不同共享類型的特點和應用場景

在Group A架構中，控制面和媒體面網(wǎng)元都不共享，實現(xiàn)不同核心網(wǎng)實例之間的邏輯隔離，UE可以從不同的核心網(wǎng)實例獲取服務。其特點是在每個網(wǎng)絡切片內(nèi)都有獨立的簽約管理/移動管理功能來處理UE的業(yè)務請求。Group A架構會有增加網(wǎng)絡和空口信令的潛在副作用，但是另一方面，網(wǎng)絡的核心網(wǎng)部分是最容易實現(xiàn)隔離的。

在Group B架構中，部分控制面網(wǎng)元共享，媒體面和其他部分控制面網(wǎng)元不共享。

在Group C架構中，控制面網(wǎng)元在網(wǎng)絡切片之間是共用的，而媒體面網(wǎng)元對于不同的網(wǎng)絡切片是分別處理的。

上述3種潛在的網(wǎng)絡切片解決方案架構，最終采納Group B，如圖2所示，Group C作為特例歸入Group B，Group A不再繼續(xù)考慮。

圖2 Group B解決方案架構

一個網(wǎng)絡切片是在一個PLMN內(nèi)部定義的，并且應該包括核心網(wǎng)控制面和用戶面網(wǎng)絡功能。以及在服務PLMN中至少還包括以下其中一項：下一代無線接入網(wǎng)絡NG-RAN、非3GPP網(wǎng)絡互通功能N3IWF和非3GPP接入網(wǎng)絡。

對于每個PLMN，一個PDU會話屬于且僅屬于一個特性的網(wǎng)絡切片實例。盡管不同的網(wǎng)絡切片可能具有相同的DNN編號，但是不同的網(wǎng)絡切片實例不共享PDU會話。

通過網(wǎng)絡切片實例建立到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的用戶面連接包含2個步驟：首先執(zhí)行注冊管理流程，選擇一個包含所需切片集合的AMF；然后通過一個或多個網(wǎng)絡切片實例建立一到多個到目標數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的PDU會話。

4.終端切片選擇

運營商可以針對不同組的UE部署多個提供完全相同特征的不同網(wǎng)絡切片實例。為UE提供服務的AMF網(wǎng)元在邏輯上屬于為UE提供服務的網(wǎng)絡切片實例，即對于服務于UE的網(wǎng)絡切片實例該AMF網(wǎng)元是共享的。

在UE和AMF交互的注冊流程中網(wǎng)絡為UE選擇網(wǎng)絡切片實例集合，切片選擇過程中AMF一般會和NSSF交互，并且有可能觸發(fā)改變當前注冊的AMF。

終端會根據(jù)PCF下發(fā)給UE的URSP（UE Route Selection Policy）中的切片選擇策略NSSP進行切片的選擇。策略的匹配根據(jù)應用的名稱或者APPID，如Game App選擇切片S-NSSAI-a，APP1、APP2選擇切片 S-NSSAI-b，匹配不上的則選擇切片S-NSSAI-c。

5.網(wǎng)絡切片方案

基于運營商全網(wǎng)架構提供端到端切片實現(xiàn)方案需要針對統(tǒng)一的網(wǎng)絡基礎設施資源進行統(tǒng)一資源管理和資源調(diào)度。端到端切片實現(xiàn)方案基于完整的邏輯網(wǎng)絡，包括核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、5G接入網(wǎng)等，如圖3所示。不同切片間相互隔離、互不影響，為不同的業(yè)務場景分配不同的虛擬資源，通過切片配置提供差異化的服務。同時，在本地搭建MEC實現(xiàn)工業(yè)園區(qū)多種類型業(yè)務數(shù)據(jù)本地化存儲和計算，從而保障數(shù)據(jù)的安全性、工業(yè)化控制高效性。

圖3 網(wǎng)絡切片方案示意圖

6.問題與挑戰(zhàn)

（1）網(wǎng)絡切片轉(zhuǎn)換：漫游場景下本地網(wǎng)絡切片如果不能支持用戶接入網(wǎng)絡就會造成用戶網(wǎng)絡中斷，一個可能的解決方案是將用戶轉(zhuǎn)換到默認切片下，但是在切片轉(zhuǎn)換過程中如何保持IP會話的連通性、偵測轉(zhuǎn)換時機的任務應該交給用戶終端還是交給網(wǎng)絡是需要考慮的問題。（2）用戶狀態(tài)維持：用戶的狀態(tài)信息可能會在多個切片中傳遞，如何管理用戶狀態(tài)是一個關鍵問題。（3）異廠家組網(wǎng)兼容性：5G網(wǎng)絡切片在實際部署中還可能會面臨異廠家切片互操作的問題，不同廠家設備間的差異也會導致設備組網(wǎng)時網(wǎng)絡資源的共享存在風險。（4）多業(yè)務并發(fā)風險：盡管網(wǎng)絡切片為提供差異化業(yè)務帶來便利，但在構建不同網(wǎng)絡切片時，業(yè)務對網(wǎng)絡架構的差異化需求可能對網(wǎng)元部署帶來挑戰(zhàn)。