基于5G切片專線的組網技術和實現方法

張艷

（中國電信股份有限公司福建分公司，福建 福州 350001）

1 引言

5G時代萬物智能、萬物互聯。相比4G網絡，5G不僅考慮人與人，還考慮人與物、物與物的連接。不同行業(yè)豐富的應用場景帶來不同業(yè)務對網絡多樣化的需求，而5G網絡3種典型場景eMBB、uRLLC、mMTC擁有大帶寬、低時延、廣連接的性能優(yōu)勢，5G網絡切片提供了網絡資源的靈活分配、網絡能力的靈活組合，為5G時代打造多樣化、差異化服務提供了有力保障。在5G 2B組網中應用5G網絡切片技術，應用固網組網的智能傳送網（smart transport network，STN）技術、光傳送網絡（optical transport network，OTN）技術，按需定制組網，滿足不同行業(yè)用戶的多樣化需求。運營商通過5G切片專線組網與2B行業(yè)用戶組網、業(yè)務應用相結合，加速推動“5G+”與實體經濟融合，支撐工業(yè)、制造、物流等行業(yè)進行數字化、網絡化、智能化的發(fā)展轉型[1]。

2 5G網絡切片

5G網絡切片（network slice）可以實現在5G SA架構中，將同一基礎設施的物理網絡劃分為多個按需定制的端到端、專用虛擬網絡，物理隔離或邏輯隔離。對每個虛擬專用網絡配置不同的功能，實現網絡在時延、速率、連接數等方面的不同性能，滿足不同行業(yè)豐富、多樣化的需求[2]。

5G網絡端到端切片涵蓋了無線網、承載網和核心網[3]，對接模型如圖1所示。

圖1 5G網絡端到端切片對接模型

5G SA新增簽約切片標識（S-NSSAI），網絡側確定相應的組網配置邏輯，以實現5G網絡對該切片業(yè)務的端到端承接。

2.1 無線網絡切片

5G無線網絡的切片資源包括空口資源和設備資源，空口資源在調度時能提供資源預留或基于優(yōu)先級的資源搶占，設備資源可以在調度時被某切片專用，或者基于設置的切片優(yōu)先級與其他切片通過搶占的方式共享使用，如CPU、內存、隊列等[2]。上述通過設置優(yōu)先級，搶占式共享資源來實現調度，即軟切片的方式，而資源隔離，實現專用調度為硬切片的方式。

無線網絡切片技術在運營商提供的網絡能力應用上，考慮業(yè)務需求和組網成本，當前應用較多的是基于QoS機制的GBR/Non-GBR類5QI提供不同業(yè)務等級的軟切片方式，承載網、核心網提供QoS協同。在實現上，打通終端接入切片網絡的端到端流程，通過新增簽S-NSSAI與VLAN（承載接入）綁定，以及與業(yè)務場景對應TAC（來自用戶訂閱或核心子網切片實例信息）綁定，以支撐UE注冊、會話建立等階段的切片選擇和接入。在硬切片方式中，可通過RB資源預留、RB資源獨享、載頻獨享、基站獨享的方式實現通用或特定行業(yè)切片。

2.2 承載網切片

5G承載網STN，采用FlexE技術可實現硬管道的業(yè)務隔離，通過不同硬切片分配獨享的接口資源。還可采用PQ隊列調度或WFQ隊列調度，通過不同QoS的軟切片為不同等級的業(yè)務提供差異化保障。

5G切片專線端到端組網通過切片映射VLAN的方式實現，無線基站所有2B業(yè)務S-NSSAI映射到承載網2B通道的同一VLAN。承載網融合網關到5G核心網UPF N6口之間規(guī)劃VLAN ID范圍，按用戶來分配使用，不同VLAN的子接口在承載網綁定不同的軟/硬通道，與S-NSSAI對應。

2.3 核心網切片

SA網絡架構下，核心網的各網絡功能被拆分成眾多細顆粒的模塊化組建，最小的模塊化組件即微服務[2]。根據業(yè)務使用所需時延或帶寬等要求的不同，可以將切片的微服務靈活部署在網絡的不同位置。各微服務可以被切片獨享或不同切片共享，獨享時每個切片各有一套核心網，也可以根據業(yè)務需求部分共享、部分獨享，如核心網用戶面UPF共享、UPF下沉用戶園區(qū)獨享，以降低時延和實現數據本地卸載。

5G切片組網通過S-NSSAI和VLAN映射實現無線網、承載網、核心網的端到端打通。在此基礎上，考慮經濟性，應用QoS端到端映射、調度的軟切片，可在帶寬、時延、丟包率、抖動等網絡指標方面提供差異化保障。其中，基于QoS的GBR/Non-GBR類5QI端到端映射關系規(guī)劃見表1。

表1 5QI-DSCP/TC-EXP映射關系

根據不同業(yè)務場景對速率、時延等的差異化需求，選擇配置不同的5QI參數，滿足業(yè)務端到端的需求。

3 5G切片專線端到端組網設計

結合現網常見2B用戶業(yè)務場景，應用固網STN專線、STN入云專線、OTN專線，及5G切片技術，搭建5G切片專線，即從5G核心網UPF設備到2B用戶固網側站點或云內系統的固網段專線。

3.1 STN

IPRAN以IP/MPLS協議及其關鍵技術為基礎，面向移動基站業(yè)務、通道類業(yè)務承載。STN是一種結合IPRAN及PTN技術的增強型分組組網技術，一方面實現3G/4G/5G等移動回傳業(yè)務，5G承載更進一步引入大容量STN設備和SRv6/FlexE等新技術；另一方面，STN技術疊加在基站業(yè)務承載網上，可實現對2B客戶業(yè)務場景的智能分組化傳送，提供靈活的業(yè)務接入和靈活配置帶寬的能力，運營商應用STN技術打造端到端高可靠保障的二層以太智能專線產品[4]，為2B客戶提供以太專線、云專線、云網等業(yè)務的融合承載[5]。

通過U設備內置測試或儀表測試發(fā)現，STN專線可提供0～1 000 km單向時延≤25 ms、 1 000～2 000 km單向時延≤35 ms、2 000～3 000 km單向時延≤50 ms的能力，接入匯聚端口速率能力可達10 Gbit/s。應用STN專線、STN入云專線，可實現從5GC到2B客戶固網側站點或云內系統的通信。

3.2 OTN

OTN技術結合了光域傳輸和電域處理的優(yōu)勢，可提供端到端的剛性透明管道，具備長距離、大容量的傳輸能力，以及強大的組網能力，可提供100 Gbit/s以上的接入匯聚端口速率[6]。大帶寬場景下，可提供骨干網單向時延不超過5.5 ms/1 000 km的能力。運營商應用OTN技術為2B客戶提供高質量、大帶寬、低時延的專線產品。

3.3 5G 切片專線組網

將STN技術、OTN技術、5G切片技術應用于5G切片專線組網，實現5G接入與STN、OTN接入方式組合的多種點到點/入云專線，支持多個5G側終端共用一條專線，具體如下。

（1）5G-STN組網方式

5G網絡與STN拼接，通過網絡切片與QoS統一調度，提供多個5G終端和STN固網接入的點到點專線連接。專線一端通過5G無線接入，另一端用戶固網站點通過以太專線的U設備有線接入。5G-STN組網方案如圖2所示。

圖2 5G-STN組網方案

5G切片專線5G-STN組網場景為用戶提供多種速率的非物理隔離管道，帶寬可復用、成本低、接入方便。

（2）5G-STN入云方式

5G網絡與STN拼接，通過STN在云側的延伸，提供5G終端到云內VPC的點到點連接。專線一端為5G無線接入，另一端接入云。5G-STN入云組網方案如圖3所示。

圖3 5G-STN入云組網方案

5G切片專線5G-STN入云方組網式適用于用戶應用系統部署在云上的場景，專線能力同5G-STN場景。

（3）5G-OTN組網方式

5G網絡與OTN拼接，通過網絡切片與QoS統一調度，提供多個5G終端和OTN固網接入的點到點專線連接。專線一端通過5G無線接入，另一端通過OTN專線的CPE設備有線接入。5G-OTN組網方案如圖4所示。

圖4 5G-OTN組網方案

5G切片專線5G-OTN組網方式，可提供更高質量、更大帶寬、更低時延的專線能力，物理隔離、保證帶寬，適用于用戶剛性管道需求的場景。

5G切片專線組網有5G-OTN、5G-STN、5G-STN入云3種實現方式，可提供本地專線和長途專線。其中，STN專線、STN入云專線、OTN專線均為用戶提供端到端透明傳輸能力，均不參與用戶業(yè)務端路由協議。但在可提供的端口速率上OTN更高，同時，OTN專線可提供物理隔離、帶寬獨占的剛性管道，而STN專線主要提供非物理隔離、帶寬可復用的管道。實際應用中可根據速率、剛性獨占、是否訪問云資源等需求選擇組網方式。

4 5G切片專線組網關鍵配置

5G切片專線在核心網上的配置分為網絡基礎配置和5G切片專線業(yè)務配置兩部分，網絡基礎配置內容根據運營商提前規(guī)劃好的信息先做全局配置，5G切片專線業(yè)務配置內容根據每條專線的不同業(yè)務需求進行個性化配置。其中，網絡基礎配置主要包括全局QoS映射、UDM/PCF用戶簽約模板預配置、UPF-N3口配置等。5G切片專線業(yè)務配置主要包含切片配置、DNN配置、終端地址池配置、UPF-N6口（如VPN、路由等）配置、碼號簽約專線業(yè)務配置等涉及每開通一條專線時需要增加的配置。

5G切片專線在承載側的配置分為兩部分：第一部分主要包含從基站到5GC UPF段移動回傳網絡部分的配置，主要是S-NSSAI和VLAN映射、QoS端到端映射的配置，以實現5G網絡2B通道的打通和軟切片的QoS保障；第二部分主要是從UPF到固網專線側的配置。即5GC與融合網關設備、固網專線本身的配置，實現5G切片專線從無線網、承載網到核心網端到端的打通。

5G切片專線在無線網絡的配置主要包括：5QI參數的配置，并根據表1中5QI-DSCP/TC-EXP映射關系，配置到承載網DSCP/TC的映射；每個用戶所使用的S-NSSAI在無線基站側的配置，以及切片與基站出口2B通道VLAN的綁定關聯。

5 5G切片專線組網測試

按照上述組網方案進行數據配置，在運營商機房就近部署，搭建測試環(huán)境。5G-STN場景測試環(huán)境如圖5（a）所示，5G-STN入云場景測試環(huán)境如圖5（b）所示，5G-OTN場景測試環(huán)境如圖5（c）所示。

按照如圖5測試環(huán)境完成網絡配置后，開展網絡接入測試、業(yè)務連通性測試及切片限制業(yè)務接入區(qū)功能測試，本次測試在運營商機房就近部署測試環(huán)境，考慮不同類專線性能特點已明確，在現網中應用成熟，故測試主要圍繞固移協同組網的網絡接入、業(yè)務連通性、5G切片設置有效性開展，具體測試步驟如下。

圖5 測試環(huán)境

5.1 網絡接入測試

（1）測試步驟

在5G終端上設置定制DNN測試，觀察5G終端是否可以正確獲取IP地址以及網絡連接是否正常。

（2）測試結果記錄

用簽約的DNN接入后，終端可正確獲取到地址，網絡狀態(tài)正常。驗證5G切片專線5GC可正常分配終端IP地址，5G網絡通信正常。

網絡接入測試驗證了5G切片專線5GC可正常分配終端IP地址，終端接入5G網絡通信正常。

5.2 業(yè)務連通性測試

（1）測試步驟

從5G終端到固網終端進行ping測試，觀察是否ping通無丟包。

（2）測試結果記錄

5G終端使用簽約的DNN接入，可以ping通固網終端的IP地址，未丟包，如圖6所示。

圖6 終端ping測試

業(yè)務連通性測試驗證了5G切片專線端到端通信正常，固移協同組網方案和數據配置可實施。

5.3 5G業(yè)務接入區(qū)功能測試

（1）測試步驟

選取兩個基站，一個基站配置切片信息，作為業(yè)務區(qū)，另一個基站配置區(qū)域限制接入切片信息，作為非業(yè)務區(qū)。在業(yè)務區(qū)切片下簽約定制DNN，測試終端分別在不同基站下接入網絡。

（2）測試結果記錄

? 將5G終端配置定制DNN，在5G業(yè)務區(qū)接入，終端獲取地址成功，接入成功，核心網N4口消息記錄如圖8所示。

圖8 終端在業(yè)務區(qū)接入時的互相ping測試

終端互相ping測試地址成功，如圖9所示。

? 將5G終端移動至非業(yè)務區(qū)，終端獲取地址失敗、接入失敗，核心網接口消息顯示非接入區(qū)的TAC切片不支持接入，記錄如圖10所示。

圖10 終端在非業(yè)務區(qū)接入區(qū)時核心網的消息記錄

ping測試不成功，如圖11所示。終端在非業(yè)務區(qū)接入時獲取IP地址失敗如圖12所示。

圖11 終端在非業(yè)務區(qū)接入時的ping測試

圖12 終端在非業(yè)務區(qū)接入時獲取IP地址

5G業(yè)務接入區(qū)功能測試，驗證了可通過配置不同切片限制區(qū)域接入訪問。通過本次測試，驗證了5G切片專線組網技術和數據配置方案的可落地實施，為5G終端訪問用戶內部固網側站點提供了專線接入的固移協同解決方案，并利用5G切片設置測試了區(qū)域限制接入功能。測試結果說明了5G切片專線應用在業(yè)務接入時，可提供范圍靈活選擇和網絡端到端個性化服務上的價值，為后續(xù)網絡切片在5G固移組網場景中進一步提供豐富的網絡能力應用奠定了基礎。

圖7 終端在業(yè)務區(qū)接入時核心網的消息記錄

6 結束語

5G切片專線利用固移協同組網技術，通過切片標識與VLAN映射打通終端接入切片網絡的端到端流程，實現5G接入訪問用戶固定站點、云內系統、多種接入類型站點互通等組網方式。

在5G切片應用上，結合各行業(yè)5G切片專線組網需求，現階段以軟切片的實現方式為主，通過無線網、承載網、核心網協同基于QoS機制的GBR/Non-GBR類5QI提供不同業(yè)務等級，通過邏輯隔離的方式按需提供端到端的差異化服務，較易實現。而網絡切片要實現無線網專用、承載網FlexE通道、核心網5GC或部分5GC專用的端到端物理隔離，成本代價較高，還需結合用戶實際業(yè)務場景的需求評估成本，按需提供。

5G網絡切片以原生云超分布式架構為基礎，5G切片專線組網在切片運營、專線搭建和開通、管理流程上，通過全領域自動化編排、配置，可以快速部署網絡服務能力[7]。5G切片專線組網還可以利用邊緣計算、霧計算等技術，進一步優(yōu)化生產效率和制造成本，提升行業(yè)智能競爭力[8]。萬物互聯時代，基于D2D的網絡接入可考慮在巨量終端場景應用[9]，而新興的全息通信及工業(yè)自動化場景，還可進一步研究智能開放的6G技術，以適應多元化服務、異構網絡的需求[10]。