網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在礦山通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用研究

劉海鵬， 周淑秋

(中國(guó)勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院， 北京 100048)

0 引言

井下業(yè)務(wù)需求種類(lèi)繁多、差異巨大。以視頻傳輸為代表的實(shí)時(shí)監(jiān)控類(lèi)業(yè)務(wù)需要超高帶寬；實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操控、井下自動(dòng)駕駛、應(yīng)急救援等業(yè)務(wù)需要超高可靠性和超低傳輸時(shí)延；井下智能感知類(lèi)業(yè)務(wù)需要超大規(guī)模的可連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量支持。為同時(shí)滿(mǎn)足各類(lèi)業(yè)務(wù)差異化需求，當(dāng)前礦山通信網(wǎng)絡(luò)引入了多種軟硬件設(shè)備和協(xié)議，這種多源異構(gòu)的系統(tǒng)架構(gòu)具有資源共享率低、維護(hù)升級(jí)困難、垂直業(yè)務(wù)部署配置不夠靈活高效等問(wèn)題[1-2]。基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network，SDN)[3]、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)[4]的網(wǎng)絡(luò)切片(Network Slice，NS)[5-7]技術(shù)來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)和以5G為代表的移動(dòng)通信領(lǐng)域，基于一套通用硬件設(shè)備可映射出滿(mǎn)足不同業(yè)務(wù)需求的多張?zhí)摂M網(wǎng)絡(luò)，可很好地解決業(yè)務(wù)垂直配置問(wèn)題，并且不同虛擬網(wǎng)絡(luò)之間的安全隔離性能夠得到很好的保證，是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的關(guān)鍵[8-9]。本文將NS技術(shù)應(yīng)用于礦山通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了基于NS的礦山通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，闡述了NS架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例(Network Slice Instance，NSI)生命周期管理、NS隔離策略，給出了針對(duì)典型業(yè)務(wù)的NS劃分方法及工作狀態(tài)實(shí)例。

1 基于NS的礦山通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于NS的礦山通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

應(yīng)用層對(duì)應(yīng)的是礦山通信網(wǎng)絡(luò)上承載的各項(xiàng)應(yīng)用；傳輸層對(duì)應(yīng)來(lái)源于多個(gè)廠(chǎng)商的數(shù)據(jù)傳輸接入設(shè)備；感知層對(duì)應(yīng)井下業(yè)務(wù)終端，是業(yè)務(wù)的實(shí)際使用者和承載者，主要包括面向“人、機(jī)、環(huán)”的各種感知設(shè)備、視頻設(shè)備、語(yǔ)音設(shè)備、單/雙向通信設(shè)備等。

NS在礦山通信網(wǎng)絡(luò)中的部署分為業(yè)務(wù)實(shí)例層、NSI層、資源層，分別與應(yīng)用層、傳輸層、感知層對(duì)應(yīng)。業(yè)務(wù)實(shí)例層負(fù)責(zé)具體井下業(yè)務(wù)創(chuàng)建及生命周期維護(hù)；NSI層通過(guò)將所有核心交換、傳輸和接入設(shè)備的井上/井下部分全部抽象為獨(dú)立的NS來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化，生成可對(duì)用戶(hù)服務(wù)水平協(xié)議(Service Level Agreement，SLA)進(jìn)行定制、邏輯獨(dú)立、業(yè)務(wù)隔離的NSI，不同需求的業(yè)務(wù)訂購(gòu)使用者可對(duì)生成的NSI進(jìn)行定制使用；資源層負(fù)責(zé)對(duì)NSI層提供計(jì)算、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、無(wú)線(xiàn)接入等功能，包括井下所有可被虛擬化的網(wǎng)絡(luò)資源和物理設(shè)施。NSI層同資源層之間可采用標(biāo)準(zhǔn)SDN南向接口進(jìn)行連接。

圖1 基于NS的礦山通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Mine communication network architecture based on NS

基于目前井下設(shè)備實(shí)際部署情況及未來(lái)礦山通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展戰(zhàn)略綜合考量，將礦山通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)劃分為非獨(dú)立和獨(dú)立2個(gè)發(fā)展階段。在目前的非獨(dú)立階段需要將現(xiàn)有不同廠(chǎng)商硬件設(shè)備虛擬化并屏蔽底層差異。未來(lái)升級(jí)到獨(dú)立階段后，將采用通用網(wǎng)絡(luò)核心組件和底層硬件，極大節(jié)約網(wǎng)絡(luò)部署成本，提高功能靈活性和可擴(kuò)展性。

2 NS在礦山通信網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)

2.1 NS架構(gòu)

參照ETSI(European Telecommunications Standards Institute，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì))規(guī)范[10]，NS架構(gòu)如圖2所示。

通信業(yè)務(wù)管理功能模塊負(fù)責(zé)按照指定NS模板發(fā)起端到端NSI的創(chuàng)建請(qǐng)求，每一個(gè)NSI都可能由若干子切片構(gòu)成，子切片則可能分別來(lái)源于井下核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、接入網(wǎng)。NS管理功能模塊將創(chuàng)建請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給每一個(gè)相關(guān)子切片子網(wǎng)管理功能模塊，并將創(chuàng)建的子切片進(jìn)行無(wú)縫拼接來(lái)組成完整的NSI。NS選擇功能模塊主要負(fù)責(zé)針對(duì)業(yè)務(wù)配置詳細(xì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來(lái)生成全新NS，或者將業(yè)務(wù)加入已有的NS。井下接入網(wǎng)子切片子網(wǎng)管理功能模塊通過(guò)井下接入網(wǎng)控制器更新接入設(shè)備參數(shù)。井下基站代理向井下接入網(wǎng)控制器提供物理網(wǎng)絡(luò)功能。井下核心網(wǎng)子切片子網(wǎng)管理功能模塊將指令信息轉(zhuǎn)發(fā)給NFV編排器，NFV編排器主要負(fù)責(zé)井下多接入邊緣計(jì)算(Multi-access Edge Computing，MEC)[11-12]應(yīng)用及其他NFV功能的部署。井下傳輸網(wǎng)子切片子網(wǎng)管理功能模塊作為數(shù)據(jù)流量的主要通路,負(fù)責(zé)接收、轉(zhuǎn)發(fā)上行/下行數(shù)據(jù)流量。 NFV設(shè)備接收NFV編排器和SDN傳輸網(wǎng)控制器發(fā)送的各種配置、查詢(xún)指令，并向上提供本地設(shè)備的計(jì)算資源服務(wù)。在礦山通信網(wǎng)絡(luò)非獨(dú)立階段，如果井下只有少量轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備且傳輸距離有限，建議相關(guān)核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)子切片子網(wǎng)管理功能模塊合并。

圖2 NS架構(gòu)Fig.2 NS architecture

2.2 NSI生命周期管理

在礦山通信網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)NSI都是由NS模板生成的。NS模板類(lèi)似于軟件程序設(shè)計(jì)方法面向?qū)ο笙到y(tǒng)中“類(lèi)”的概念，如果多個(gè)NS具有類(lèi)似的網(wǎng)絡(luò)主要性能指標(biāo)(Key Performance Indicators，KPI)，可以將這些NS抽象化為1個(gè)NS模板，對(duì)模板業(yè)務(wù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)例化操作后會(huì)生成具體的“對(duì)象”，即NSI。每個(gè)NS模板內(nèi)各網(wǎng)絡(luò)KPI參數(shù)要求可在NS管理功能模塊處根據(jù)需要實(shí)時(shí)定制和動(dòng)態(tài)修改。NS模板定制完成后放到模板列表中供通信業(yè)務(wù)管理功能模塊使用。

每個(gè)NSI的生命周期都會(huì)經(jīng)歷創(chuàng)建、激活、狀態(tài)切換、去激活、消亡等階段。井下業(yè)務(wù)由于其多樣性和復(fù)雜性，每個(gè)業(yè)務(wù)可能定制并關(guān)聯(lián)到不止1個(gè)NSI，允許跨不同NSI的業(yè)務(wù)存在。時(shí)間上也允許業(yè)務(wù)對(duì)于NSI的依附性根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整，業(yè)務(wù)同NSI之間的關(guān)聯(lián)是一種以時(shí)間為自變量的一對(duì)多對(duì)應(yīng)關(guān)系。相關(guān)關(guān)聯(lián)操作主要由NS管理功能模塊/NS選擇功能模塊發(fā)起和參與完成。

2.3 NS隔離策略

由于井下業(yè)務(wù)種類(lèi)繁多，不同業(yè)務(wù)性能、彈性、安全性、隱私方面等指標(biāo)差異巨大，對(duì)業(yè)務(wù)的分區(qū)分級(jí)進(jìn)行隔離必不可少。由于業(yè)務(wù)同NS的特殊對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)業(yè)務(wù)的隔離等同于實(shí)現(xiàn)NS隔離。礦山通信網(wǎng)絡(luò)中采用虛擬化技術(shù)將井下核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、接入網(wǎng)不同網(wǎng)元功能進(jìn)行抽象并映射加載到不同的網(wǎng)絡(luò)虛擬機(jī)中，從而利用NS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)元功能的實(shí)例化，完成對(duì)虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(Virtual Network Function，VNF)的靈活管理和配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同NSI之間的邏輯隔離，保證不同NS所承載業(yè)務(wù)之間互不干擾。

針對(duì)井下核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、接入網(wǎng)可設(shè)計(jì)不同的隔離策略。SDN傳輸網(wǎng)控制器負(fù)責(zé)對(duì)每個(gè)NSI所有隔離屬性進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置和管理，NFV編排器負(fù)責(zé)每個(gè)NSI關(guān)于隔離要求的全局性操作。根據(jù)實(shí)際情況，多個(gè)NSI可共用同一個(gè)NFV編排器來(lái)實(shí)現(xiàn)各自垂直業(yè)務(wù)的隔離操作。

3 NS劃分及工作狀態(tài)實(shí)例

3.1 典型NS劃分

NS是業(yè)務(wù)的載體，業(yè)務(wù)是NS的使用者，NS同業(yè)務(wù)之間存在特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)NS進(jìn)行劃分首先需要對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行劃分。根據(jù)井下業(yè)務(wù)特性，將井下業(yè)務(wù)大致分為時(shí)延敏感類(lèi)、帶寬敏感類(lèi)和連接數(shù)量敏感類(lèi)3個(gè)基本大類(lèi)。時(shí)延敏感類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延有極高要求，例如井下無(wú)人駕駛業(yè)務(wù)[13]、實(shí)時(shí)交互業(yè)務(wù)(如虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)操作視頻直播)等均要求超低時(shí)延。帶寬敏感類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)帶寬有較高要求，例如綜采工作面作業(yè)視頻直播業(yè)務(wù)需要將大量數(shù)據(jù)在短時(shí)間內(nèi)傳輸至井上，因此對(duì)上行帶寬要求高，而多媒體視頻會(huì)議業(yè)務(wù)對(duì)上下行帶寬均有較高要求。連接數(shù)量敏感類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)單位空間內(nèi)可連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量(連接密度)有較高要求，例如對(duì)井下環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器業(yè)務(wù)及對(duì)井下礦工身體狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)的可穿戴式無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)傳感器業(yè)務(wù)[14]均對(duì)連接密度有較高要求，2種傳感器業(yè)務(wù)的共同特點(diǎn)是傳感器種類(lèi)多且數(shù)量大，不同之處主要體現(xiàn)在環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器物理位置相對(duì)固定，而無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)傳感器物理位置跟隨礦工在井下位置的移動(dòng)而不斷變化。

井下業(yè)務(wù)的大致劃分為NS模板的參數(shù)選擇提供參考依據(jù)?；?個(gè)NS模板，理論上可實(shí)例化出多個(gè)業(yè)務(wù)屬性范圍相當(dāng)?shù)煌耆嗤腘SI。同時(shí)由于業(yè)務(wù)的復(fù)雜性，每一個(gè)業(yè)務(wù)可能同時(shí)歸屬于不同的2個(gè)或多個(gè)NSI，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系可由NS選擇功能模塊提供。

3.2 NS工作狀態(tài)實(shí)例

典型井下業(yè)務(wù)下NS工作狀態(tài)如圖3所示(圖中紅色代表VNF處于已授權(quán)、已激活、待啟用狀態(tài)，綠色代表VNF處于已授權(quán)、已激活、已啟用狀態(tài))。設(shè)定礦山通信網(wǎng)絡(luò)中已根據(jù)作業(yè)需要和用戶(hù)需求定制完成相應(yīng)NS模板并實(shí)例化出3個(gè)NSI：NSI1為時(shí)延敏感類(lèi)業(yè)務(wù)定制切片實(shí)例；NSI2為帶寬敏感類(lèi)業(yè)務(wù)定制切片實(shí)例；NSI3為連接數(shù)量敏感類(lèi)業(yè)務(wù)定制切片實(shí)例。NSI1通過(guò)子切片NSS1對(duì)應(yīng)VNF1(WiFi接入)，直接對(duì)應(yīng)VNF2(5G接入)；NSI2通過(guò)子切片NSS2對(duì)應(yīng)VNF3(上行高帶寬)，直接對(duì)應(yīng)VNF4(下行高帶寬)；NSI3通過(guò)子切片NSS3對(duì)應(yīng)VNF5(環(huán)境傳感器連接)，直接對(duì)應(yīng)VNF6(無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)傳感器連接)。無(wú)人駕駛礦車(chē)行駛過(guò)程中經(jīng)過(guò)WiFi服務(wù)區(qū)時(shí)，對(duì)時(shí)延有較高要求，但對(duì)帶寬無(wú)特殊要求，NS工作狀態(tài)如圖3(a)所示。在5G信號(hào)覆蓋區(qū)域，將綜采工作面作業(yè)畫(huà)面通過(guò)視頻直播向井上監(jiān)控中心傳輸，此時(shí)對(duì)上行帶寬有較高要求，NS工作狀態(tài)如圖3(b)所示。井上井下同步召集多媒體視頻會(huì)議，此時(shí)對(duì)上下行帶寬均有較高要求，但對(duì)時(shí)延無(wú)要求，NS工作狀態(tài)如圖3(c)所示。井上人員通過(guò)VR操作對(duì)井下綜采工作面設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，此時(shí)對(duì)上下行帶寬和時(shí)延均有較高要求，NS工作狀態(tài)如圖3(d)所示。從圖3可看出，井下人員設(shè)備工作需求變化、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化、人員設(shè)備物理位置變化均會(huì)觸發(fā)NS工作狀態(tài)的變化和遷移。

(a) 無(wú)人駕駛(WiFi網(wǎng)絡(luò))

(b) 綜采工作面作業(yè)視頻直播

(c) 多媒體視頻會(huì)議

(d) VR操作視頻直播

4 結(jié)語(yǔ)

將NS技術(shù)應(yīng)用于礦山通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)動(dòng)態(tài)修改NS模板內(nèi)各網(wǎng)絡(luò)KPI參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)NSI生命周期的管理，滿(mǎn)足了業(yè)務(wù)對(duì)NS按需定制、靈活使用的需求；通過(guò)對(duì)NSI隔離屬性進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置和管理，以及對(duì)NSI隔離要求進(jìn)行全局性操作，實(shí)現(xiàn)NS隔離，達(dá)到NS所承載業(yè)務(wù)之間互不干擾的目的。基于典型業(yè)務(wù)對(duì)NS劃分，滿(mǎn)足了礦山通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)差異化垂直業(yè)務(wù)的靈活配置需求。