面向垂直行業的5G網絡規劃設計方法論及產品化解決方案

肖子玉，呂紅衛，趙存，韓研，蘇堅

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

1 引言

2020年，5G網絡建設穩步推進。截至2020年年底，我國已開通5G基站超過71.8萬個，5G網絡已實現全國地級以上城市及重點縣市的連續覆蓋[1]。中國5G網絡建設率先采用SA技術架構[2]，滿足toC（公眾網）業務發展的需求，同時探索toB（行業專網）業務的潛在應用空間。

根據3GPP標準[3]，5G SA架構核心網為滿足4G/5G互操作的要求，數據層網元UDM/UDR、PCF/UDR需實現4G/5G網元融合部署。控制層和媒體層需滿足SMF與 PGW-C、UPF與PGW-U的網元融合部署要求。同時，為滿足未來網絡演進和組網優化需求，新建網元還需具備2G/3G/4G/5G融合演進能力。5G SA核心網共享網絡云資源池，并采用網絡切片技術分別部署toC、toB核心網網絡子切片，保證toC網絡邏輯獨立，大流量安全穩定運行，toB網絡能力可以按需持續增強和剪裁，并獨立演進[4]。

隨著5G網絡的逐步建成和完善，現階段可以提供eMBB（enhanced mobile broadband，增強型移動寬帶）和較低時延的網絡能力，將催生垂直行業應用的發展。不同垂直行業的應用場景差異較大，服務需求要素呈現多樣化和定制化的要求，包括垂直行業業務場景、服務指標和商業模式的多樣化要求，以及速率、時延、可靠性、隔離、安全等的定制化要求。以上網絡能力、指標和商業模式均顯著地影響網絡規劃建設目標。網絡規劃需解決端到端資源靈活布局、端到端網絡能力按需配置的問題。因此，5G網絡規劃建設面臨著按需規劃、敏捷建設的挑戰。

2 方法論探討

從市場和產業發展看，2021—2022年5G產業鏈將逐步成熟，隨著uRLLC（ultra reliable and low latency communication，超可靠低時延通信）的逐步引入，網絡將從現有的eMBB網絡能力按需擴展低時延、高可靠能力[3]。面向行業應用的網絡能力逐步增強，自動化網絡切片能力、QoS保障能力逐步形成，推動行業應用快速增長。面向垂直行業專網的定制化需求，本文提出toB場景化規劃設計方法論，聚焦精準識別、按需投放和網絡彈性，按需規劃，敏捷建網。

2.1 垂直行業客戶與運營商間的SLA

服務等級協議（service level agreement，SLA）是運營商與垂直行業客戶之間簽訂的服務協議的一部分，是面向商業應用的較為成熟的指標體系。SLA中包含了客戶對于運營商提供服務及網絡的相關需求。SLA的作用如下。

·運營商根據SLA中的特定要求來定制網絡并提供服務。

·客戶通過簽訂的SLA來衡量網絡服務能力。

·SLA應包括服務類型、資源分配、服務區域/時間、保障等級/能力等；同時SLA受運營商的網絡資源以及管理能力的限制。

·SLA可根據客戶需求以及運營商能力變化而修改。

根據ITU-T對SLA的內容指南[5]，SLA要實現以上功能，則需具備如圖1所示的內容。包括以下幾點：描述相關的商務部分，如一般條款、服務違例處理和計費信息等；描述有關服務的部分，如服務內容和服務等級；描述與技術相關的內容，給出和QoS參數、備份和災害恢復機制、技術支持基礎設施等相關的技術部分；QoS報告包括監控和報告要求。

圖1 ITU-T對SLA內容的描述示意圖[5]

2.2 場景化規劃設計方法論概述

toC業務是近中期5G網絡的主要業務和收入來源，隨著網絡逐步實現城區的連續覆蓋，未來toB專網的規劃與建設首先要依托于已有的基礎網絡，然后根據需求進行定制加強。

具體而言，網絡云化和網絡切片為5G網絡帶來了靈活的按需部署的能力。

網絡切片是5G的關鍵技術之一。它可以通過邏輯的網絡切片技術將云化的網絡分成不同服務能力的端到端專網，使得在面向多樣化的垂直行業提供業務時，5G移動網絡可以在公共資源中形成一個個的專用資源網絡空間，不同的資源空間為不同能力需求的某個行業或某個客戶提供滿足其需求的特定的或個性化的服務。

對于網絡切片技術面向商業應用，必須能滿足商用服務的水平和能力，在此引入SLA作為5G網絡切片技術商用實施的不可或缺的指標體系，以SLA商用服務指標體系定義網絡切片對網絡能力的需求，形成基于SLA的面向網絡切片的場景化規劃設計方法論。它的要點是將行業客戶的需求集定義為三大要素：標準業務集、質量要求、商業模式。三要素組合形成垂直行業場景。典型場景可以標準化為產品。因此，場景化5G網絡規劃設計即“產品+解決方案”，通過將典型場景的“產品化設計+整體方案”的打包實施，應對多樣化、定制化和端到端全專業一體化規劃設計的挑戰。場景化5G網絡規劃設計包括但不限于場景設計、網絡切片劃分設計、切片部署方案設計、切片內網元功能設計、切片容量參數設計、切片監控及彈性策略設計等，如圖2所示。

圖2 5G基于SLA的場景化設計方法論[6]

端到端網絡切片技術將5G網絡分成不同服務能力的端到端專網，使5G移動網絡面向多樣化的垂直行業提供業務時可以在公共資源中形成一個個的專用資源網絡，為不同能力需求的某個行業或某個客戶提供滿足其需求的特定的或個性化的服務。5G網絡云+邊緣云基礎設施同時服務于toC大網和toB專網，資源共享。網絡資源規劃面向市場發展目標，結合toC、toB需求特性可以先行準備。針對toB各行業典型場景和需求模型，按需靈活部署網絡切片，實現toB業務快速接入。

2.3 場景化規劃設計方法論

2.3.1 面向市場，資源準備

5G網絡切片運行于網絡云、邊緣計算、傳輸、承載和無線網絡基礎設施之上。網絡云基礎設施服務于toC大網和toB專網，其規劃面向市場發展目標先行部署。服務于toC和toB的5GC以網絡切片的形式存在，按需進行編排和部署。如何為面向toB的多樣化和定制化需求進行資源準備？在場景化規劃設計方法中，通過標準業務集、質量要求和商業模式的梳理，形成針對各個垂直行業細分市場的典型場景SLA需求組合產品。結合市場預測對各個細分行業的發展目標和分布特征，將各典型場景疊加，并依據場景間的業務峰值關系，適當引入調整系數，以及資源利用率系數，可得所需資源的總和。所需資源以建設節奏劃分為資源規劃的實施方案。

2.3.2 需求識別，精準匹配

場景化規劃設計方法中的需求識別和精準匹配是指，當垂直行業客戶申請接入5G網絡提供的業務時，收集客戶所需SLA業務需求，將客戶需求與典型場景對應的產品進行對比分析，修訂該類場景“默認”（或慣例）的需求，以滿足實際案例要求，將需求轉化為網絡配置的模板，形成toB網絡能力設計的精準匹配。

對于核心網規劃而言，toC業務核心網是由運營商統一定義業務能力，客戶接入使用。而toB核心網是行業客戶提出業務能力要求，運營商通過網絡規劃設計滿足客戶的需求。因此運營商需提前將典型需求場景規劃為標準化產品，產品規劃包括場景設計、網絡切片設計、網絡切片監控及容量彈性策略設計。從市場需求確定場景和總規模，完成資源總體規劃和按需建設。服務于toB的5GC以網絡切片的形式存在，當行業客戶申請業務時，核心網才能實現按需進行網絡切片的編排和部署。

2.3.3 方案場景化，按需投放

當經過精準識別的業務需求映射為對5G網絡的網絡指標需求之后，通過面向行業場景的標準化方案，實現網絡資源的按需投放。

toB業務在不同場景下可以采用公網、公網切片、公網切片+專用網元（MEC和UPF）、專網等解決方案。針對不同業務場景，規劃體系一方面針對同類型場景（如物流園區）制定菜單式網絡方案，提供與商業合同匹配的多種選擇方式，助力網絡快速部署和變現。場景化網絡切片方案，面向toB客戶的通用行業切片，采用專用號段或專用VPN，為所有垂直行業客戶提供服務。通過新增子切片的方式，滿足不同SLA垂直行業客戶的需求。考慮成本優先的原則，則相同SLA需求的客戶盡可能共用切片。企業專用切片面向需要物理隔離的客戶。對隔離性要求較高的客戶，可全物理隔離；對隔離性要求不高，但對SLA要求比較高的業務，可以控制面共享，客戶面獨立；對時延要求較高的業務，客戶面可下沉到邊緣機房部署。

2.3.4 資源彈性配置，效益提升

5G網絡具有強大的資源彈性能力。5G網絡規劃設計需適應虛擬化網絡設計態和運行態的全生命周期模式，形成面向全生命周期設計的模型驅動網絡規劃設計能力。5G網絡設計不僅包括功能模型、部署模型、配置模型的設計，還包括監控模型設計。本文提出的面向toB專網的規劃體系可以發揮5G網絡資源的彈性特點，降低基礎資源投入，提升業務感知與投資效益。

在核心網層面，5GC網絡子切片基于“網絡云+邊緣云”部署，按需編排，實現資源彈性配置。比如5GC網元和硬件資源池物理資源可按需共享或專用，網元的部署位置可位于集中資源池、地市中心或邊緣節點，網絡容量性能指標可由資源池的彈性擴縮能力來保證，網絡容災能力可通過云網協同按需配置來實現。基于“網元”“資源”“位置”“彈性”“容災”“隔離”六維彈性資源配置方法，可實現網絡切片、QoS、DNN（data network name）的按需配置，以最低成本最優設計滿足toB客戶SLA需求。

2.3.5 5G場景化規劃設計交付流程

5G場景化規劃設計和交付流程包括以下3個環節，即產品設計、資源規劃、產品化工程實施與交付，如圖3所示。

圖3 5G場景化規劃設計與交付流程

其中，產品設計環節主要包括以下工作：

· 典型場景SLA匯集，形成典型場景的SLA需求集數據庫；

·典型場景SLO（service level objective）網絡能力方案集設計，形成滿足典型場景SLA需求的網絡能力指標集SLO數據庫；

·典型場景標準產品庫，根據SLO網絡能力要求形成的標準化方案產品庫，產品庫包含標準基線產品和可擴展、可增強、可替換的產品模塊方案設計。形成可以按需定制化投放的產品庫。

資源規劃環節是采用傳統的toC網絡規劃對市場發展目標的預測，結合toB市場預測對各個細分行業的發展目標和分布特征，將各典型場景疊加，并依據場景間的業務峰值關系，適當引入調整系數以及資源利用率系數，可得所需資源的總和。所需資源以建設節奏劃分為資源規劃的實施方案。5G網絡運行于網絡云、邊緣計算、傳輸、承載和無線網絡基礎設施之上。網絡云基礎設施服務于toC大網和toB專網，其規劃面向市場發展目標先行部署。

產品化工程實施與交付環節包含以下工作：

·產品化按需彈性編排部署，選擇和配置典型場景產品，完成針對toB項目需求進行專用或共享網絡切片的核心網、傳達網、承載網、無線網的資源編排；

·產品化邊緣部署，選擇和配置典型場景產品，結合與周邊環境的工程實施，完成邊緣產品資源和方案的按需投放和部署；

·端到端拉通配置，結合產品化局數據模板、IP地址規劃等配置方案，完成端到端跨專業拉通配置和聯調；

·驗收測試和交付，結合典型場景SLO產品數據形成按需工程驗收測試要求，并實施測試驗收和交付。

3 5G場景化規劃設計納入網絡切片全生命周期管理

5G網絡切片全生命周期管理[7]中包含兩個階段——準備階段和運行態管理階段。其中，準備階段即場景化規劃設計階段（設計態），如圖4所示，包括業務產品設計、網絡資源設計和模板設計。產品設計針對各個垂直行業細分市場的典型場景SLA需求組合的產品或服務，定義的范圍包括功能、性能、質量和規模要求。網絡資源設計即根據業務預測和成本考量，運營商預先設計部署一組服務/產品所必需的網絡資源。模板設計是服務/產品的要素需求轉換為網絡切片配置參數的一系列模板，以便運營商進行網絡切片設計時選擇對應于場景/業務的產品或產品組合的模板，進行網絡切片實例化配置。

圖4 面向SLA的網絡切片生命周期示意圖

5G網絡切片全生命周期管理中運行態管理階段包含服務生成、激活、運行監控管理、去激活和退出服務等階段。其中，衡量網絡服務能力是否達到SLA要求指標的監控，如KPI（key performance indicator）和KQI（key quality indicator），需在運行監控管理狀態進行。網絡監控管理系統根據網絡切片/切片子網定義的SLA保證策略進行KPI和KQI等指標監控，當KPI不能滿足策略中定義的性能時，它將觸發SLA保證措施，包括調整網元配置和網絡參數，以確保性能可以連續滿足網絡切片/切片子網的SLA需求。因此，當SLA保證策略觸發網絡配置和參數調整時，將反饋給網絡切片設計態（準備階段），更新端到端網絡資源信息、拓撲信息和占用信息，形成從設計態到運行態的網絡自動優化的閉環流程，如圖5所示。

圖5 監控和評估網絡資源閉環示意圖

4 算法和實現

以上5G場景化規劃設計方法論中提出了一項重要概念，即產品化。產品化是面向多樣化、定制化、離散化和端到端跨專業垂直行業規劃設計和交付需求的重要保障。為實現產品化目標，面向SLO的網絡規劃設計平臺功能模塊設計如圖6所示，其算法流程如下：

圖6 面向SLO的網絡規劃設計平臺功能模塊設計

步驟1通過典型行業和場景匹配形成SLA指標集；

步驟2調用網絡能力指標庫，根據案例SLA指標集查詢匹配，得到符合需求的網絡能力指標組合；

步驟3網絡能力指標庫匹配方案庫，形成案例方案，寫入案例方案庫；

步驟4將案例SLA指標集、案例網絡能力集和案例方案進行導出和展示。

目前，5G場景化規劃設計工具已集成超過10類行業和應用場景，如圖7所示。行業和應用場景庫的生成均來自現網試點或實踐案例，面向垂直行業的需求未來還有待進一步探索和完善。在實踐中，通過實際案例設計、場景化工具平臺的設計和開發，完成了面向toB場景化規劃設計方法論的驗證。

圖7 規劃設計平臺客戶界面示意圖

5 結束語

本文提出并論述了以下3方面觀點。

（1）提出并詳細論述了面向5G垂直行業專網的網絡規劃設計方法論，其面向垂直行業多樣化、定制化需求，提出的規劃設計方法論，基于“要素+能力”的網絡技術體系，面向未來行業業務布局，聚焦精準識別、按需投放和網絡彈性的規劃能力，實現按需規劃，敏捷建網的目標。

（2）提出了將面向垂直行業場景化規劃設計，即5G網絡切片規劃設計階段納入網絡切片全生命周期管理流程，完善了網絡設計態和運行態的閉環流程，形成從設計態到運行態的網絡自動優化閉環管理。

（3） 在方法論基礎上提出端到端場景化規劃設計平臺算法和架構，意在提升面向垂直行的專網規劃設計的數字化水平和效率。

隨著未來5G網絡能力的進一步提升和更多典型場景實踐，本文所提方法論也將進一步在實踐中完善。