文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.209004
中文引用格式： 王秋紅，朱雪田. 5G網(wǎng)絡(luò)切片在公網(wǎng)應(yīng)急保障中的應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(2)：14-17.
英文引用格式： Wang Qiuhong，Zhu Xuetian. Research on 5G network slice application in emergency protection[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(2)：14-17.
0 引言
第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)能夠以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和性能，賦能應(yīng)急管理、交通運(yùn)輸、醫(yī)療健康、智能運(yùn)維等垂直行業(yè)的信息化發(fā)展，滿足各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求。對(duì)于5G業(yè)務(wù)ITU提出三大應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、高可靠低時(shí)延通信和海量連接[1]，3GPP協(xié)議已經(jīng)定義通過(guò)3種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)切片支持，從而避免每種業(yè)務(wù)都重新建立獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)造成的建網(wǎng)成本巨大和制約業(yè)務(wù)發(fā)展的問(wèn)題。
5G技術(shù)為基于公網(wǎng)構(gòu)建應(yīng)急保障專(zhuān)網(wǎng)的可能性提供了理論支撐。網(wǎng)絡(luò)切片的引入給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了極大的靈活性，主要體現(xiàn)在按需定制、實(shí)時(shí)部署、動(dòng)態(tài)保障。公網(wǎng)應(yīng)急保障場(chǎng)景提出了按需定制、動(dòng)態(tài)保障、安全穩(wěn)定的需求，網(wǎng)絡(luò)切片可以最大化地保障應(yīng)急專(zhuān)網(wǎng)的拓?fù)潇`活配置和資源專(zhuān)屬可保障的需求，成為應(yīng)急通信行業(yè)新的解決方案。
本文從快速構(gòu)建應(yīng)急通信專(zhuān)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景入手，分析了網(wǎng)絡(luò)切片在公網(wǎng)應(yīng)急保障場(chǎng)景中的模板參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)。基于典型的應(yīng)急保障通信系統(tǒng)架構(gòu)，論證應(yīng)急保障系統(tǒng)的5G網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)流程。
1 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)
網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)的重要特性，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)切割成多個(gè)虛擬的端到端的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)之間（包括接入、傳輸和核心網(wǎng)）邏輯獨(dú)立，任何一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障都不會(huì)影響到其他的虛擬網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于運(yùn)營(yíng)商基于業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需要，自主定義切片對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)特性，包括延遲、速率、連接密度、頻譜效率、流量容量和網(wǎng)絡(luò)效率等，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性保證用戶體驗(yàn)。同時(shí)，單個(gè)切片更改和添加在網(wǎng)絡(luò)管理層面具有獨(dú)立性，無(wú)需考慮對(duì)網(wǎng)絡(luò)其他部分的影響。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片中，至少可以分為無(wú)線網(wǎng)子切片、承載網(wǎng)子切片和核心網(wǎng)子切片三部分，如圖1所示。
5G標(biāo)準(zhǔn)將不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求歸結(jié)為3種典型場(chǎng)景：eMBB切片、uRLLC切片和mMTC切片，不同行業(yè)應(yīng)用可以使用不同切片網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行承載。5G網(wǎng)絡(luò)切片具有端到端、業(yè)務(wù)隔離、按需定制和自動(dòng)運(yùn)維的典型特征，可做到端到端動(dòng)態(tài)按需部署網(wǎng)絡(luò)能力(規(guī)格、位置等)，保證切片具有獨(dú)立的生命周期管理，切片之間互不影響，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)維。
2 應(yīng)急保障場(chǎng)景
應(yīng)急通信通常是指當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施被破壞時(shí)，為達(dá)到特殊通信保障需求的臨時(shí)緊急通信網(wǎng)絡(luò)。國(guó)家應(yīng)急管理部2018年提出打造“工專(zhuān)互補(bǔ)、寬窄融合、固移融合”多維無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)，并提出“系統(tǒng)化、扁平化、立體化、智能化、人性化”發(fā)展要求。在搶險(xiǎn)救災(zāi)等應(yīng)急場(chǎng)景下，5G網(wǎng)絡(luò)切片的按需定制和業(yè)務(wù)隔離的特點(diǎn)將發(fā)揮重要作用。
當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，災(zāi)區(qū)原有基礎(chǔ)通信設(shè)施、道路設(shè)施、電力設(shè)施等會(huì)遭受不同程度的損壞，第一時(shí)間的受災(zāi)信息有效傳輸和現(xiàn)場(chǎng)指揮調(diào)度是災(zāi)害救援的關(guān)鍵。主要應(yīng)用場(chǎng)景包括：
(1)應(yīng)急業(yè)務(wù)的5G網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)先保障
當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，災(zāi)區(qū)原有基礎(chǔ)通信設(shè)施遭受不同程度的損壞，由于公網(wǎng)話務(wù)量激增，會(huì)導(dǎo)致公眾通信擁塞和癱瘓，既無(wú)法進(jìn)行調(diào)度指揮，也無(wú)法保障政府決策與支持系統(tǒng)的信息傳輸暢通。該場(chǎng)景下，利用當(dāng)前的可用硬件資源，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片重新部署一張?zhí)摂M網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)先保障救災(zāi)人員的通信需求。
(2)本地公用網(wǎng)絡(luò)的快速恢復(fù)
對(duì)于自然災(zāi)害導(dǎo)致傳輸網(wǎng)絡(luò)中斷的受災(zāi)場(chǎng)景，由于本地5G基站和省級(jí)核心網(wǎng)連接中斷，將導(dǎo)致業(yè)務(wù)受阻。通過(guò)本地部署5G本地化核心網(wǎng)，在保證用戶簽約數(shù)據(jù)進(jìn)行人工同步的前提下，可以基于基本完好的災(zāi)區(qū)基站快速恢復(fù)本地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信，滿足基本通信需求。
(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)快速構(gòu)建
對(duì)于自然災(zāi)害導(dǎo)致本地通信網(wǎng)絡(luò)基本癱瘓的受災(zāi)場(chǎng)景，一方面無(wú)法利用公網(wǎng)現(xiàn)有設(shè)施通信；另一方面即使是未被破壞的公網(wǎng)設(shè)施，也會(huì)由于用戶突增導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞。該場(chǎng)景下的應(yīng)急通信要求具有非常高的機(jī)動(dòng)性、靈活性和適應(yīng)性。基于應(yīng)急式通信車(chē)、便攜式基站和系留式無(wú)人機(jī)等方式，部署網(wǎng)絡(luò)切片，把這些應(yīng)急通信設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建覆蓋災(zāi)區(qū)的5G臨時(shí)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，在保證現(xiàn)場(chǎng)各救援隊(duì)伍通信調(diào)度的同時(shí)，也可以進(jìn)一步服務(wù)于災(zāi)區(qū)群眾。
本文將針對(duì)5G公網(wǎng)應(yīng)急優(yōu)先保障場(chǎng)景進(jìn)行重點(diǎn)論述。
3 公網(wǎng)優(yōu)先保障方案
3.1 性能指標(biāo)要求
公網(wǎng)應(yīng)急資源優(yōu)先保障場(chǎng)景主要包括面向搶險(xiǎn)救災(zāi)專(zhuān)業(yè)人員和普通公眾用戶的兩類(lèi)網(wǎng)絡(luò)切片。
(1)搶險(xiǎn)救災(zāi)專(zhuān)業(yè)人員
保障救災(zāi)人員具備基本聯(lián)網(wǎng)能力，保障接入成功率和接入用戶數(shù)量，并保證一定的通話質(zhì)量。
(2)普通公眾用戶
保障普通公眾用戶具備基本的聯(lián)網(wǎng)通信能力和一定的接入成功率。
由于在應(yīng)急保障通信系統(tǒng)中，應(yīng)急業(yè)務(wù)的5G網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)先保障，因此這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片端到端的網(wǎng)絡(luò)性能不盡相同，具體性能指標(biāo)如表1和表2所示[2]。
3.2 應(yīng)急保障切片實(shí)現(xiàn)方案
端到端網(wǎng)絡(luò)切片部署是由切片管理系統(tǒng)將切片租戶需求分解為無(wú)線、傳輸、核心網(wǎng)各域的網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)，如圖2所示。由于網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)包含QoS相關(guān)參數(shù)(時(shí)延、速率、丟包率、抖動(dòng)等)、容量相關(guān)參數(shù)(用戶數(shù)、激活用戶數(shù))、業(yè)務(wù)相關(guān)參數(shù)(覆蓋區(qū)域、應(yīng)用場(chǎng)景、安全隔離)等眾多內(nèi)容，因此合理分配配置參數(shù)將直接影響切片能否滿足切片業(yè)務(wù)的需求[3]。
在網(wǎng)絡(luò)切片部署中，給出合理的無(wú)線、傳輸、核心網(wǎng)子切片模型以及部署資源需求、配置參數(shù)推薦，能最大化匹配租戶需求和提升網(wǎng)絡(luò)資源使用效率。
3.2.1 應(yīng)急保障切片創(chuàng)建
5G網(wǎng)絡(luò)切片包括切片設(shè)計(jì)、部署使能、切片運(yùn)行、閉環(huán)優(yōu)化、運(yùn)維、能力開(kāi)放等。為了保證切片的敏捷的特征和業(yè)務(wù)獨(dú)特性，切片可以定制化設(shè)計(jì)，包括切片模版設(shè)計(jì)(GST)和實(shí)例化設(shè)計(jì)。模版設(shè)計(jì)階段通過(guò)通信服務(wù)管理功能(CSMF)、切片管理功能(NSMF)和子切片管理功能(NSSMF)的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)能力通報(bào)、能力分解和能力匹配。在切片實(shí)例化設(shè)計(jì)階段，需要根據(jù)具體訂單需求觸發(fā)：當(dāng)租戶需要使用網(wǎng)絡(luò)切片時(shí)，可以選用預(yù)置的切片模板或定制模版，并通過(guò)CSMF、NSMF和NSSMF逐層確認(rèn)部署信息，進(jìn)行實(shí)例化部署，產(chǎn)生一個(gè)可用的切片網(wǎng)絡(luò)。
根據(jù)表1和表2信息可知，救災(zāi)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、可靠性等性能指標(biāo)要求較高，可以在eMBB和uRLLC切片的基礎(chǔ)上定制不同業(yè)務(wù)和等級(jí)的子切片。而普通用戶只要支持基本的接入能力即可，對(duì)性能指標(biāo)要求較低，但是接入量會(huì)比較頻繁，可以在eMBB切片的基礎(chǔ)上定制不同業(yè)務(wù)和等級(jí)的子切片。結(jié)合應(yīng)急保障場(chǎng)景中不同用戶的個(gè)性化需求，圖3流程可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片按需定制，相關(guān)流程如下：
(1)救災(zāi)指揮中心登錄門(mén)戶網(wǎng)站訂購(gòu)服務(wù)，結(jié)合自己的需求選擇訂單及SLA，例如用戶對(duì)于接入成功率有要求，則選擇“高可靠”切片，可保證資源的占有率，同時(shí)選擇好其他SLA參數(shù)(如最大用戶數(shù)、切片服務(wù)區(qū)域、切片中終端的移動(dòng)等級(jí)、切片資源共享等級(jí))；
(2)切片管理系統(tǒng)根據(jù)租戶對(duì)切片的SLA要求進(jìn)行接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)等的SLA分解，進(jìn)而進(jìn)行各域資源配置，包括帶寬、時(shí)延等。切片設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，避免設(shè)計(jì)過(guò)程存在問(wèn)題，早發(fā)現(xiàn)早解決；
(3)救災(zāi)中心在“切片商城”選擇滿足自己需求的切片，并提交訂單進(jìn)行付費(fèi)；
(4)切片設(shè)計(jì)完成測(cè)試驗(yàn)證，且用戶完成付費(fèi)后，進(jìn)行在線部署激活自動(dòng)開(kāi)通，該過(guò)程包含切片的運(yùn)維過(guò)程(如：智能監(jiān)控、故障排除等)。
3.2.2 應(yīng)急保障切片管理
網(wǎng)絡(luò)切片的目的在于根據(jù)不同業(yè)務(wù)迥然不同的業(yè)務(wù)需求靈活地進(jìn)行資源分配。在資源分配的過(guò)程中，如果無(wú)線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)各自為政，缺乏全局的資源調(diào)配，網(wǎng)絡(luò)切片勢(shì)必難以達(dá)到其應(yīng)有的效果。因此，5G對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片采用橫跨無(wú)線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)的端到端切片管理架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)資源及QoS的端到端管理。應(yīng)急保障網(wǎng)絡(luò)端到端管理架構(gòu)如圖4所示。
5G網(wǎng)絡(luò)切片分配的資源情況與網(wǎng)絡(luò)切片類(lèi)型以及其所提供的服務(wù)密切相關(guān)，網(wǎng)絡(luò)切片管理過(guò)程中需要通過(guò)參數(shù)表明切片性能指標(biāo)，以指導(dǎo)切片資源分配的過(guò)程。
網(wǎng)絡(luò)切片必須滿足其上運(yùn)行業(yè)務(wù)的服務(wù)等級(jí)(Service Level Agreement，SLA)的要求，該要求可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行描述。單個(gè)切片的管理參數(shù)分為3類(lèi)：描述切片服務(wù)質(zhì)量的QoS參數(shù)、描述切片服務(wù)能力的容量參數(shù)和描述其所支持業(yè)務(wù)類(lèi)型的業(yè)務(wù)參數(shù)[4]。切片管理過(guò)程中，切片管理系統(tǒng)需要將切片參數(shù)依據(jù)實(shí)際需求分解至各個(gè)子網(wǎng)。
3.2.3 應(yīng)急保障切片資源調(diào)配
隨著災(zāi)情的發(fā)展，不可預(yù)知的情況也非常復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)也需要做動(dòng)態(tài)的調(diào)整和部署，切片網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性使得網(wǎng)絡(luò)切片資源動(dòng)態(tài)調(diào)整和調(diào)度面臨很大挑戰(zhàn)。其中，切片資源智能調(diào)配可以解決應(yīng)急保障網(wǎng)絡(luò)需求的快速變化導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)切片資源動(dòng)態(tài)調(diào)配和管理問(wèn)題，如圖5所示，基于切片業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)和根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果制定切片資源調(diào)整策略，相應(yīng)流程如下。
在資源調(diào)配系統(tǒng)中，災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)(例如：區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施恢復(fù)程度、災(zāi)區(qū)的交通恢復(fù)程度、區(qū)域的醫(yī)療救護(hù)等)將通過(guò)切片管理系統(tǒng)傳送給業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)模板；業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果發(fā)送給智能策略模塊。針對(duì)分析結(jié)果，智能策略模塊可以制定相應(yīng)的資源配置策略，并下發(fā)給切片管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)調(diào)整不同切片之間的資源，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自愈。該閉環(huán)管理模式可以保證最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)資源配比。
切片資源智能調(diào)配系統(tǒng)通過(guò)與切片管理系統(tǒng)對(duì)接，智能地調(diào)配切片資源，可以高效解決業(yè)務(wù)需求高動(dòng)態(tài)帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)切片管理問(wèn)題，滿足不同應(yīng)急保障場(chǎng)景的差異化需求，提供端到端QoS保障能力。
4 結(jié)論
本文從快速構(gòu)建應(yīng)急通信專(zhuān)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景入手，分析了應(yīng)急保障通信系統(tǒng)的各種場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能需求，提出了一種面向公網(wǎng)應(yīng)急資源優(yōu)先保障的5G網(wǎng)絡(luò)切片的技術(shù)方案。基于典型的應(yīng)急保障通信系統(tǒng)架構(gòu)，論述了應(yīng)急保障系統(tǒng)的5G網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)流程。該方案可實(shí)現(xiàn)應(yīng)急業(yè)務(wù)的5G網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)先保障，保證信息的實(shí)時(shí)交互與共享，提升信息決策的科學(xué)性和及時(shí)性。
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作者信息:
王秋紅，朱雪田
(中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京102209)