5G定制網(wǎng)端到端切片部署方案

周 娟

（安徽電信規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

5G技術(shù)的興起掀起了生產(chǎn)要素智能化轉(zhuǎn)型升級的熱潮，由于行業(yè)客戶的需求多樣且應(yīng)用場景復(fù)雜，獨立部署的傳統(tǒng)行業(yè)專用網(wǎng)已經(jīng)不能很好地滿足行業(yè)客戶數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的業(yè)務(wù)需求。通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)資源的靈活匹配，虛擬出多個滿足不同業(yè)務(wù)應(yīng)用場景和差異化需求的5G切片網(wǎng)絡(luò)，充分共享物理網(wǎng)絡(luò)資源。5G定制網(wǎng)絡(luò)端到端切片部署涉及無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)等統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)分片管理，對各個區(qū)域的資源進行調(diào)度，實現(xiàn)端到端能力的聯(lián)通[1,2]。

1 網(wǎng)絡(luò)切片

第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）將網(wǎng)絡(luò)切片定義為提供特定網(wǎng)絡(luò)能力和網(wǎng)絡(luò)特性的端到端邏輯網(wǎng)絡(luò)。具體來說，該網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)運營商和客戶之間簽署的業(yè)務(wù)服務(wù)水平協(xié)議（Service Level Agreement，SLA），為不同的垂直行業(yè)、不同的客戶以及不同的業(yè)務(wù)提供相互隔離、可定制的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)切片邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片邏輯結(jié)構(gòu)

國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）為5G定義了增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、大規(guī)模機器類型通信（massive Machine Type Communication，mMTC）、低時延高可靠通信（ultra-Reliable Low Latency Communication，URLLC）3大應(yīng)用場景，不同應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)的具體需求不一樣。eMBB對帶寬要求高，mMTC對連接密度要求高，URLLC對時延、可靠性要求高。對于不同的業(yè)務(wù)，可以通過網(wǎng)絡(luò)切片分配相應(yīng)所需的資源，無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)多專業(yè)協(xié)同，為不同業(yè)務(wù)建立相互隔離的端到端邏輯專用網(wǎng)絡(luò)，提升業(yè)務(wù)體驗。

5G網(wǎng)絡(luò)的軟件化、自動化和模塊化保證了網(wǎng)絡(luò)切片功能的實現(xiàn)，5G網(wǎng)絡(luò)切片可滿足垂直行業(yè)各種場景和敏捷網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的需求，網(wǎng)絡(luò)功能由虛擬網(wǎng)元和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)允許運營商切分出硬件基礎(chǔ)設(shè)施中的多個虛擬端到端網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)了設(shè)備、接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)以及核心網(wǎng)的邏輯隔離，適應(yīng)各種業(yè)務(wù)，滿足用戶的不同需求。不同客戶業(yè)務(wù)場景的需求對應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)切片實例，網(wǎng)絡(luò)切片實例包括網(wǎng)絡(luò)、存儲、計算和其他資源。

5G網(wǎng)絡(luò)的低延遲、高可靠性和大連接等特點為運營商在垂直產(chǎn)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，靈活的網(wǎng)絡(luò)切片可以滿足垂直行業(yè)的多樣化需求。在統(tǒng)一的物理設(shè)施中實現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，提供多級隔離和安全，降低運營商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和維護成本[3]。

對于企業(yè)用戶來說，網(wǎng)絡(luò)切片可以保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量水平，滿足定制業(yè)務(wù)的需求，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速開放。此外，網(wǎng)絡(luò)切片還可以幫助企業(yè)用戶降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。企業(yè)用戶通過使用切片而不是單獨構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，有效降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本和風(fēng)險。

2 網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

3GPP協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)切片管理模型包括通信服務(wù)管理（Communication Service Management Function，CSMF）、網(wǎng)絡(luò)切片管理（Network Slice Management Function，NSMF）和網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF）。CSMF可以實現(xiàn)從業(yè)務(wù)需求到網(wǎng)絡(luò)切片需求的映射，5G網(wǎng)絡(luò)切片CSMF的功能由客戶關(guān)系管理（Customer Relationship Management，CRM）/門戶承擔(dān)，CRM實現(xiàn)5G業(yè)務(wù)受理、自助訂購等功能。NSMF可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片實例（Network Slice Instance，NSI）的編排管理，并將整個切片的SLA分解為切片子網(wǎng)的SLA。NSSMF可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)實例（Network Slice Subnet Instance，NSSI）的管理和編排，將SLA映射為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實例和配置要求，并向管理和網(wǎng)絡(luò)編排（Management and Network Orchestration，MANO） 下達指令執(zhí)行。

網(wǎng)絡(luò)切片管理需要調(diào)動各種基礎(chǔ)資源，包括無線網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)。根據(jù)分層管理架構(gòu)，無線網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)都有自己的NSSMF，即RANNSSMF、TN-NSSMF和CN-NSSMF。NSMF的部署與保障域中的NSSMF對接，實現(xiàn)切片到無線、傳輸和核心網(wǎng)子切片的實例化接口。NSMF可以采集無線、傳輸和核心網(wǎng)的性能與告警數(shù)據(jù)。對于CN-NSSMF，通過云計算、虛擬化技術(shù)和MANO編排能力，實現(xiàn)5G核心網(wǎng)（5G Core，5GC）切片子網(wǎng)的創(chuàng)建、隔離和全生命周期管理；對于TN-NSSMF，通過調(diào)用云調(diào)度、傳輸、網(wǎng)絡(luò)之間互連的協(xié)議（Internet Protocol，IP）以及無線接入網(wǎng)絡(luò)IP化（Internet Protocol Radio Access Network，IP RAN）等網(wǎng)絡(luò)能力，實現(xiàn)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network，VPN）、光傳送網(wǎng)（Optical Transport Network，OTN）、靈活以太網(wǎng)（Flexible Ethernet，F(xiàn)lexE）等端到端承載網(wǎng)絡(luò)切片；對于RAN-NSSMF，實現(xiàn)基于時間的5G業(yè)務(wù)質(zhì)量標(biāo)識（5G QoS Identifier，5QI）以及基于小區(qū)和位置的切片[4]。

端到端切片管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 端到端切片管理系統(tǒng)架構(gòu)

3 各網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)切片的方式與適應(yīng)場景

3.1 無線網(wǎng)

無線網(wǎng)絡(luò)切片本質(zhì)上是對空口資源的分配，主要支持切片級優(yōu)先級調(diào)度、空口資源的接納控制、獨立頻段硬切換以及專用基站4種方式的網(wǎng)絡(luò)切片。其中，切片級優(yōu)先級調(diào)度對應(yīng)的資源利用率最高，劃分獨立頻段的硬切換和專用基站對應(yīng)的安全性最高[5]。

（1）切片級優(yōu)先級調(diào)度?；?QI切片級的優(yōu)先級調(diào)度，根據(jù)業(yè)務(wù)需求和特點進行設(shè)置，有服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）保證、無資源隔離、成本低，適用于廣覆蓋場景下的低價值切片。

（2）空口資源的接納控制。預(yù)留一定比例的物理資源，根據(jù)需要分配資源，無線資源有隔離需求，適合高價值切片。

（3）獨立頻段硬切換。劃分獨立頻段的硬切片，可復(fù)用于不同物理位置的企業(yè)端客戶生產(chǎn)區(qū)域，采用行業(yè)自有專用頻段或運營商為行業(yè)規(guī)劃專門頻段，適用于區(qū)域覆蓋的高價值切片。

（4）專用基站。物理基站專用，對于有高隔離需求的行業(yè)部署。

3.2 承載網(wǎng)

承載網(wǎng)主要支持VPN軟切片和FlexE硬切片2種切片方式，可以滿足多樣化的業(yè)務(wù)需求。

VPN軟切片通過VLAN、L2/L3 VPN等分段路由（Segment Routing，SR）隧道方式進行邏輯隔離，實現(xiàn)層次化QoS、帶寬共享和靈活調(diào)整。充分利用線路側(cè)線帶寬資源，支持eMBB等大帶寬業(yè)務(wù)的需求，適用于有帶寬保障且無傳輸資源隔離要求的場景。FlexE硬切片以時隙交叉支持低時延轉(zhuǎn)發(fā)，剛性管道可以更好地保證業(yè)務(wù)隔離和安全防御能力，主要用于政務(wù)、軍事、金融等高價值專線[6-8]。

傳統(tǒng)的分組設(shè)備對客戶消息采用逐跳轉(zhuǎn)發(fā)策略，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點設(shè)備都需要在介質(zhì)訪問控制（Media Access Control，MAC）層和多協(xié)議標(biāo)記交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）層解析數(shù)據(jù)包，這種解析需要耗費大量時間，單個設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)時延高達數(shù)十微秒?；贔lexE的SPN Channel通過時隙交叉技術(shù)實現(xiàn)了基于物理層的用戶業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)，用戶報文不需要在網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點進行解析，業(yè)務(wù)流交叉過程幾乎是瞬間完成，實現(xiàn)了單跳設(shè)備1～10 μs的轉(zhuǎn)發(fā)時延[9]。

3.3 核心網(wǎng)

5G核心網(wǎng)具有基于服務(wù)的架構(gòu)（Service Based Architecture，SBA）和分布式部署的特點。在SBA架構(gòu)下，5G網(wǎng)絡(luò)切片具有多種形式，能夠按需編排，支持網(wǎng)絡(luò)功能（Network Functions，NF）共享，有效提升了云資源利用率。此外，分布式體系架構(gòu)可以支持跨數(shù)據(jù)通信（Data Communication，DC）部署。

核心網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片有3種模式，即完全共享、部分獨占以及完全獨占，如圖3所示。

圖3 5G核心網(wǎng)切片部署方式

完全共享模式通常適用于2C網(wǎng)絡(luò)的普通業(yè)務(wù)，對安全隔離沒有特殊要求。部分獨占模式結(jié)合行業(yè)實際需求，通過共享大部分網(wǎng)元功能和少量網(wǎng)元功能獨占，在安全隔離要求和成本之間實現(xiàn)最佳平衡，能夠滿足大多數(shù)通用行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)切片分級要求[10]。完全獨占模式等同于建設(shè)一張完整的5G核心網(wǎng)專網(wǎng)，其安全隔離性最好，但建設(shè)和運營成本也最高，只適用于極少數(shù)需要超高安全隔離性且對成本不敏感的特殊行業(yè)。

4 結(jié) 論

端到端切片部署初期主要對MBB類切片能力進行成熟商用，后續(xù)根據(jù)標(biāo)準和產(chǎn)業(yè)成熟度逐步增加uRLLC和mMTC類切片的應(yīng)用。通過建成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)切片管理，對各域資源進行調(diào)度，拉通端到端能力。完善監(jiān)控及保障手段，實現(xiàn)端到端閉環(huán)SLA保障。端到端的網(wǎng)絡(luò)切片可滿足垂直行業(yè)多種場景、敏捷建網(wǎng)的需求，充分賦能企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，滿足業(yè)務(wù)安全隔離的要求，具有廣闊的發(fā)展前景。