5G定制網端到端切片部署方案

周 娟

（安徽電信規劃設計有限責任公司，安徽 合肥 230000）

0 引 言

5G技術的興起掀起了生產要素智能化轉型升級的熱潮，由于行業客戶的需求多樣且應用場景復雜，獨立部署的傳統行業專用網已經不能很好地滿足行業客戶數字化轉型升級的業務需求。通過網絡切片技術，實現業務需求與網絡資源的靈活匹配，虛擬出多個滿足不同業務應用場景和差異化需求的5G切片網絡，充分共享物理網絡資源。5G定制網絡端到端切片部署涉及無線網、承載網、核心網等統一網絡分片管理，對各個區域的資源進行調度，實現端到端能力的聯通[1,2]。

1 網絡切片

第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）將網絡切片定義為提供特定網絡能力和網絡特性的端到端邏輯網絡。具體來說，該網絡可以根據運營商和客戶之間簽署的業務服務水平協議（Service Level Agreement，SLA），為不同的垂直行業、不同的客戶以及不同的業務提供相互隔離、可定制的網絡服務。網絡切片邏輯結構如圖1所示。

圖1 網絡切片邏輯結構

國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）為5G定義了增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、大規模機器類型通信（massive Machine Type Communication，mMTC）、低時延高可靠通信（ultra-Reliable Low Latency Communication，URLLC）3大應用場景，不同應用場景對網絡的具體需求不一樣。eMBB對帶寬要求高，mMTC對連接密度要求高，URLLC對時延、可靠性要求高。對于不同的業務，可以通過網絡切片分配相應所需的資源，無線網、承載網、核心網多專業協同，為不同業務建立相互隔離的端到端邏輯專用網絡，提升業務體驗。

5G網絡的軟件化、自動化和模塊化保證了網絡切片功能的實現，5G網絡切片可滿足垂直行業各種場景和敏捷網絡建設的需求，網絡功能由虛擬網元和網絡管理系統實現。網絡切片技術允許運營商切分出硬件基礎設施中的多個虛擬端到端網絡，每個網絡切片實現了設備、接入網、傳輸網以及核心網的邏輯隔離，適應各種業務，滿足用戶的不同需求。不同客戶業務場景的需求對應不同的網絡切片實例，網絡切片實例包括網絡、存儲、計算和其他資源。

5G網絡的低延遲、高可靠性和大連接等特點為運營商在垂直產業的發展奠定了基礎，靈活的網絡切片可以滿足垂直行業的多樣化需求。在統一的物理設施中實現多種網絡服務，提供多級隔離和安全，降低運營商的網絡建設成本和維護成本[3]。

對于企業用戶來說，網絡切片可以保證業務的服務質量水平，滿足定制業務的需求，實現業務的快速開放。此外，網絡切片還可以幫助企業用戶降低網絡建設成本。企業用戶通過使用切片而不是單獨構建網絡，有效降低了網絡建設的成本和風險。

2 網絡切片架構

3GPP協議中的網絡切片管理模型包括通信服務管理（Communication Service Management Function，CSMF）、網絡切片管理（Network Slice Management Function，NSMF）和網絡切片子網管理（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF）。CSMF可以實現從業務需求到網絡切片需求的映射，5G網絡切片CSMF的功能由客戶關系管理（Customer Relationship Management，CRM）/門戶承擔，CRM實現5G業務受理、自助訂購等功能。NSMF可以實現網絡切片實例（Network Slice Instance，NSI）的編排管理，并將整個切片的SLA分解為切片子網的SLA。NSSMF可以實現對網絡切片子網實例（Network Slice Subnet Instance，NSSI）的管理和編排，將SLA映射為網絡服務實例和配置要求，并向管理和網絡編排（Management and Network Orchestration，MANO） 下達指令執行。

網絡切片管理需要調動各種基礎資源，包括無線網、承載網和核心網。根據分層管理架構，無線網、承載網和核心網都有自己的NSSMF，即RANNSSMF、TN-NSSMF和CN-NSSMF。NSMF的部署與保障域中的NSSMF對接，實現切片到無線、傳輸和核心網子切片的實例化接口。NSMF可以采集無線、傳輸和核心網的性能與告警數據。對于CN-NSSMF，通過云計算、虛擬化技術和MANO編排能力，實現5G核心網（5G Core，5GC）切片子網的創建、隔離和全生命周期管理；對于TN-NSSMF，通過調用云調度、傳輸、網絡之間互連的協議（Internet Protocol，IP）以及無線接入網絡IP化（Internet Protocol Radio Access Network，IP RAN）等網絡能力，實現虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）、光傳送網（Optical Transport Network，OTN）、靈活以太網（Flexible Ethernet，FlexE）等端到端承載網絡切片；對于RAN-NSSMF，實現基于時間的5G業務質量標識（5G QoS Identifier，5QI）以及基于小區和位置的切片[4]。

端到端切片管理系統架構如圖2所示。

圖2 端到端切片管理系統架構

3 各網絡實現切片的方式與適應場景

3.1 無線網

無線網絡切片本質上是對空口資源的分配，主要支持切片級優先級調度、空口資源的接納控制、獨立頻段硬切換以及專用基站4種方式的網絡切片。其中，切片級優先級調度對應的資源利用率最高，劃分獨立頻段的硬切換和專用基站對應的安全性最高[5]。

（1）切片級優先級調度。基于5QI切片級的優先級調度，根據業務需求和特點進行設置，有服務質量（Quality of Service，QoS）保證、無資源隔離、成本低，適用于廣覆蓋場景下的低價值切片。

（2）空口資源的接納控制。預留一定比例的物理資源，根據需要分配資源，無線資源有隔離需求，適合高價值切片。

（3）獨立頻段硬切換。劃分獨立頻段的硬切片，可復用于不同物理位置的企業端客戶生產區域，采用行業自有專用頻段或運營商為行業規劃專門頻段，適用于區域覆蓋的高價值切片。

（4）專用基站。物理基站專用，對于有高隔離需求的行業部署。

3.2 承載網

承載網主要支持VPN軟切片和FlexE硬切片2種切片方式，可以滿足多樣化的業務需求。

VPN軟切片通過VLAN、L2/L3 VPN等分段路由（Segment Routing，SR）隧道方式進行邏輯隔離，實現層次化QoS、帶寬共享和靈活調整。充分利用線路側線帶寬資源，支持eMBB等大帶寬業務的需求，適用于有帶寬保障且無傳輸資源隔離要求的場景。FlexE硬切片以時隙交叉支持低時延轉發，剛性管道可以更好地保證業務隔離和安全防御能力，主要用于政務、軍事、金融等高價值專線[6-8]。

傳統的分組設備對客戶消息采用逐跳轉發策略，網絡中的每個節點設備都需要在介質訪問控制（Media Access Control，MAC）層和多協議標記交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）層解析數據包，這種解析需要耗費大量時間，單個設備的轉發時延高達數十微秒。基于FlexE的SPN Channel通過時隙交叉技術實現了基于物理層的用戶業務流轉發，用戶報文不需要在網絡的中間節點進行解析，業務流交叉過程幾乎是瞬間完成，實現了單跳設備1～10 μs的轉發時延[9]。

3.3 核心網

5G核心網具有基于服務的架構（Service Based Architecture，SBA）和分布式部署的特點。在SBA架構下，5G網絡切片具有多種形式，能夠按需編排，支持網絡功能（Network Functions，NF）共享，有效提升了云資源利用率。此外，分布式體系架構可以支持跨數據通信（Data Communication，DC）部署。

核心網實現網絡切片有3種模式，即完全共享、部分獨占以及完全獨占，如圖3所示。

圖3 5G核心網切片部署方式

完全共享模式通常適用于2C網絡的普通業務，對安全隔離沒有特殊要求。部分獨占模式結合行業實際需求，通過共享大部分網元功能和少量網元功能獨占，在安全隔離要求和成本之間實現最佳平衡，能夠滿足大多數通用行業的網絡切片分級要求[10]。完全獨占模式等同于建設一張完整的5G核心網專網，其安全隔離性最好，但建設和運營成本也最高，只適用于極少數需要超高安全隔離性且對成本不敏感的特殊行業。

4 結 論

端到端切片部署初期主要對MBB類切片能力進行成熟商用，后續根據標準和產業成熟度逐步增加uRLLC和mMTC類切片的應用。通過建成統一的網絡切片管理，對各域資源進行調度，拉通端到端能力。完善監控及保障手段，實現端到端閉環SLA保障。端到端的網絡切片可滿足垂直行業多種場景、敏捷建網的需求，充分賦能企業數字化轉型，滿足業務安全隔離的要求，具有廣闊的發展前景。