工業場景下的5G網絡切片部署方案

白月維 張慧麗,2 孟亞東 初彥萍,2

（1.河北電信設計咨詢有限公司，河北石家莊 050021；2.石家莊市寬帶接入與傳送網絡優化技術創新中心，河北石家莊 050021）

5G時代，行業客戶將萬物引入網絡，之前人與人通信對網絡模型的要求是一致的，萬物互聯后，對網絡模型的要求碎片化，抄表類的連接與車聯網類的連接對網絡模型的要求完全不同，如服務時間、帶寬要求、時延要求、終端數量規模等都存在差異。為了提供差異化信號傳輸服務，5G網絡必須做到“一專多能”，網絡切片技術成為打造5G網絡多元化和差異化服務能力的關鍵技術之一。

1.5G在工業領域應用場景

1.1 工業自動化控制

自動化控制是制造工廠中最基礎的應用，核心是閉環控制系統。典型的閉環控制過程，周期低至ms級別，所以要求通信系統的時延達到ms級別甚至更低才能保證控制系統實現精確控制，對可靠性也有極高的要求[1]。如果通信系統本身時延過大，或者在數據傳送時數據誤碼率較高，可能導致生產過程中良品率下降甚至引起生產停機，造成巨大的財產損失。因此，低延時、高可靠的網絡是保證整個生產線正常運行的必要條件。

5G網絡可提供超低時延、超高帶寬、超大連接的網絡能力，使得閉環控制應用通過5G網絡連接成為可能。

1.2 基于云端控制的工業機器人

在智能制造生產場景中，需要機器人有自組織和協同的能力來滿足柔性生產的要求，基于云端控制的機器人是最佳選擇。和傳統的機器人相比，云化機器人需要通過網絡連接到云端的控制中心[2]。

5G網絡可以達到低至1ms的空口時延，并且支持99.999%的連接可靠性，同時具備Gbps級別的數據傳輸速率，使5G能夠滿足云端控制機器人對時延、可靠性、大帶寬的挑戰。5G網絡的上述能力，通過特有的網絡切片技術為云化機器人應用提供端到端定制化的專屬網絡。

1.3 云AR

在未來智能工廠生產過程中，增強現實AR將發揮重要作用，在智能制造過程中可用于監控流程和生產流程；生產任務分步指引，如手動裝配過程指導；遠程專家業務支撐，如遠程維護[3]。云AR終端僅具備連接和顯示等功能，信息處理功能上移到云端，AR終端和云端通過5G網絡連接，云AR使AR終端成本大幅降低，可獲得云端無限能力，必將得到大量應用。

AR終端通過5G網絡實時獲取必要的信息，如生產環境數據、生產設備數據、以及故障處理指導信息。AR終端的顯示內容必須與AR終端中攝像頭的運動同步，才能避免視覺失步現象。通常從視覺移動到AR圖像反應時間低于20ms，才會有較好的同步性，所以要求從攝像頭傳送數據到云端，再到AR顯示內容的云端回傳時間需要小于20ms，除去屏幕刷新和云端處理的時延，要求無線網絡的雙向傳輸時延在10ms以內才能滿足實時性體驗的需求[4]。5G網絡空口時延可以達到低至1ms，能夠滿足云AR的時延要求。

1.4 物聯網

5G網絡帶來更快的網速，使大規模設備互聯、大數據交互成為可能，有力地推動了物聯網發展。3GPP協議中定義的5G三大場景包含了豐富的功能應用需求，如eMBB能支撐遠程視頻監控、視頻會議等高帶寬的應用場景；mMTC能滿足大量低功耗嵌入式終端的數據連接與傳輸需求，uRLLC能滿足遠程手術、自動駕駛等對時延和可靠性要求較高的應用場景。

1.5 4K/8K超高清視頻

超高清視頻技術與工業互聯網結合，可以實現產品缺陷的精細識別、精密定位測量等環節。超高清視頻技術與機器視覺、人工智能等新技術結合，依托5G所特有的廣域移動能力、大帶寬、低時延的網絡特性，可應用于機器人巡檢、人機協作交互等場景，提高工業自動化、智能化水平。

2.切片劃分

切片可以根據業務、區域、虛擬運營商、用戶等進行劃分，以滿足不同業務和區域的特定要求。

2.1 按業務劃分

不同的垂直行業中的業務有不同的SLA要求，可以針對特定的業務劃分不同的切片，比如：

（1）eMBB切片：VR/AR、超高清視頻等。

（2）mMTC切片：智慧城市、智慧農業等。

（3）uRLLC切片：自動駕駛、遠程醫療等。

2.2 按區域劃分

根據區域進行切片劃分，運營商在建立覆蓋全國的大切片的基礎上也可以針對不同工業園區、商業中心、體育場所等流量大或連接比較密集的區域建立熱點切片。當終端進入該區域的時候可以優先接入該熱點切片，離開該區域時可以接入更大的切片。

2.3 按虛擬運營商劃分

針對不同的虛擬運營商建立不同的切片，以保證各個運營商能夠進行獨立的運營。

2.4 按用戶劃分

針對不同的用戶群組（比如不同的用戶行為、用戶的網絡環境等）進行劃分以提供差異化或定制服務。

3.切片部署策略

切片可以根據不同的SLA、成本等要求采取不同的部署策略。

3.1 分布式部署與集中部署

針對不同的SLA的要求，如時延、帶寬等要求進行不同的部署，在全國建立多級數據中心，如全國數據中心、區域數據中心、邊緣數據中心等。比如uRLLC切片的UPF下沉部署在邊緣數據中心，甚至站點機房中，而對于mMTC切片的UPF可以集中部署在全國數據中心，如圖1所示。

圖1 切片部署策略示意圖

3.2 共享與獨立部署

通過權衡成本、安全性、隔離性等要求采用不同網元的共享類型，如GROUP A、B、C等，如表1所示。

表1 不同共享類型的特點和應用場景

在Group A架構中，控制面和媒體面網元都不共享，實現不同核心網實例之間的邏輯隔離，UE可以從不同的核心網實例獲取服務。其特點是在每個網絡切片內都有獨立的簽約管理/移動管理功能來處理UE的業務請求。Group A架構會有增加網絡和空口信令的潛在副作用，但是另一方面，網絡的核心網部分是最容易實現隔離的。

在Group B架構中，部分控制面網元共享，媒體面和其他部分控制面網元不共享。

在Group C架構中，控制面網元在網絡切片之間是共用的，而媒體面網元對于不同的網絡切片是分別處理的。

上述3種潛在的網絡切片解決方案架構，最終采納Group B，如圖2所示，Group C作為特例歸入Group B，Group A不再繼續考慮。

圖2 Group B解決方案架構

一個網絡切片是在一個PLMN內部定義的，并且應該包括核心網控制面和用戶面網絡功能。以及在服務PLMN中至少還包括以下其中一項：下一代無線接入網絡NG-RAN、非3GPP網絡互通功能N3IWF和非3GPP接入網絡。

對于每個PLMN，一個PDU會話屬于且僅屬于一個特性的網絡切片實例。盡管不同的網絡切片可能具有相同的DNN編號，但是不同的網絡切片實例不共享PDU會話。

通過網絡切片實例建立到數據網絡的用戶面連接包含2個步驟：首先執行注冊管理流程，選擇一個包含所需切片集合的AMF；然后通過一個或多個網絡切片實例建立一到多個到目標數據網絡的PDU會話。

4.終端切片選擇

運營商可以針對不同組的UE部署多個提供完全相同特征的不同網絡切片實例。為UE提供服務的AMF網元在邏輯上屬于為UE提供服務的網絡切片實例，即對于服務于UE的網絡切片實例該AMF網元是共享的。

在UE和AMF交互的注冊流程中網絡為UE選擇網絡切片實例集合，切片選擇過程中AMF一般會和NSSF交互，并且有可能觸發改變當前注冊的AMF。

終端會根據PCF下發給UE的URSP（UE Route Selection Policy）中的切片選擇策略NSSP進行切片的選擇。策略的匹配根據應用的名稱或者APPID，如Game App選擇切片S-NSSAI-a，APP1、APP2選擇切片 S-NSSAI-b，匹配不上的則選擇切片S-NSSAI-c。

5.網絡切片方案

基于運營商全網架構提供端到端切片實現方案需要針對統一的網絡基礎設施資源進行統一資源管理和資源調度。端到端切片實現方案基于完整的邏輯網絡，包括核心網、傳輸網、5G接入網等，如圖3所示。不同切片間相互隔離、互不影響，為不同的業務場景分配不同的虛擬資源，通過切片配置提供差異化的服務。同時，在本地搭建MEC實現工業園區多種類型業務數據本地化存儲和計算，從而保障數據的安全性、工業化控制高效性。

圖3 網絡切片方案示意圖

6.問題與挑戰

（1）網絡切片轉換：漫游場景下本地網絡切片如果不能支持用戶接入網絡就會造成用戶網絡中斷，一個可能的解決方案是將用戶轉換到默認切片下，但是在切片轉換過程中如何保持IP會話的連通性、偵測轉換時機的任務應該交給用戶終端還是交給網絡是需要考慮的問題。（2）用戶狀態維持：用戶的狀態信息可能會在多個切片中傳遞，如何管理用戶狀態是一個關鍵問題。（3）異廠家組網兼容性：5G網絡切片在實際部署中還可能會面臨異廠家切片互操作的問題，不同廠家設備間的差異也會導致設備組網時網絡資源的共享存在風險。（4）多業務并發風險：盡管網絡切片為提供差異化業務帶來便利，但在構建不同網絡切片時，業務對網絡架構的差異化需求可能對網元部署帶來挑戰。