5G承载网络切片技术和应用方案分析

5G网络切片是5G 独立组网（SA）的标志性技术之一，也是5G赋能垂直行业的重要利器。2020年我国运营商、研究机构、设备商和产业各界全面启动了5G网络切片的系列技术规范研制、切片管理系统研发、端到端测试验证和行业应用试点工作。由于端到端网络切片涉及面向行业客户的业务运营、多专业的网络协同规划以及管理和运维等多方面工作，因此需要联合研究和解决一些关键技术和应用问题，从而推动5G+垂直行业融合业务的应用推广。

5G网络切片是提供特定网络能力的端到端逻辑专用网络，由无线（AN）、承载（TN）和核心网（CN）3个专业的子网络切片实例组成，5G端到端网络切片架构如图 1所示。网络切片在业务域需实现AN-TN以及TN-CN之间在数据转发面的对接标识互通和端到端服务等级协议（SLA）保障。网络切片的管理域分为3层，通信服务管理功能（CSMF）与运营商的业务支撑系统（BSS）集成在一起，负责切片业务运营；网络切片管理功能（NSMF）和运营支撑系统（OSS）一起配合实现端到端网络切片的规划、部署和运维功能；各专业的网络子切片管理功能（NSSMF）分别与各自的管控系统配合实现子网络切片的管理和运维。

为了支撑5G端到端网络切片面向广大垂直行业的规模应用，业界需重点推动两方面工作：一是在业务域实现各子域的网络切片对接标识和优先级等信息互通，并支撑管理域实现端到端SLA性能指标的分解和保障；二是在管理域实现网络切片的协同规划和管控运维，需重点推动NSMF功能规范和系统研发，以及NSMF与各专业NSSMF之间的标准北向接口（NBI）及其信息模型的统一，从而实现切片全生命周期的管理运维并推动AN-TN-CN的异厂家互通。

为推动相关标准化工作，2019年12月，CCSA成立了5G网络端到端切片特设项目组，目前已召开五次工作组会议，审议通过了《5G网络切片 端到端总体技术要求》、《5G网络切片 基于切片分组网络（SPN）承载的端到端切片对接技术要求》、《5G网络切片 基于IP承载的端到端切片对接技术要求》三项行标送审稿和《5G网络切片 服务等级协议（SLA）保障技术要求》的征求意见稿，并正在开展《5G网络端到端切片标识研究》和《5G网络切片SLA控制技术研究》两项课题。

图1 5G端到端网络切片架构

通过分析近期开展的5G端到端网络切片测试验证情况，各厂家的网络切片协同管控功能还处于初级阶段，需重点解决以下三大关键问题，才能提升切片业务快速开通和端到端SLA保障等业务运营能力，全力支撑5G+垂直行业的应用推广。

第一，推动开发网络切片的动态资源规划和自动编排能力。目前支持情况是根据业务的SLA需求，采用在NSMF上人工选择事先规划好的切片模板方式实现静态规划和编排，或者手工输入切片业务的最大并发连接数、带宽、时延、隔离需求和可靠性等性能指标参数，并且这些参数配置并不能与承载网络资源的相关带宽配置和真实的时延性能匹配。后续应推动开发支持网络沙箱仿真系统和SLA性能监测数据的智能分析功能，来支撑各类切片模板的动态规划和自动编排能力。

第二，推动统一规范NSMF和TN-NSSMF之间标准北向接口功能要求和信息模型。目前该接口没有可参考的国际标准规范，主要是各运营商协同设备商来规范NSMF和TN-NSSMF功能规范以及之间的北向接口信息模型，CCSA的相关TC和5G网络切片特设组已在今年陆续推动相关行标研制，后续需加强协调，统一规范共性功能要求和接口规范，有利于产业协同发展。

第三，支持端到端时延等SLA指标科学分解和网络切片性能的智能化运维能力。对于工业控制和车联网等要求确定性低时延和高可靠性的垂直行业客户，需要结合业务的源宿节点涉及的承载网络规模，利用网络层和业务层OAM实现高精度的单向时延等性能监测，来评估承载子网络切片的时延实际满足业务情况，从而实现端到端时延指标的科学有效分解。目前端到端网络切片的测试主要依赖5G手机终端和核心网之间FTP下载等数据业务来验证带宽和时延性能，测量结果受无线空口环境影响较大，并且缺乏跨域无线、承载和核心网的端到端OAM机制实现性能监测。因此需提升端到端切片性能监测和智能化运维能力，推动开发端到端高精度的OAM机制和性能测试工具来验证不同隔离特性、优先级和保护方案配置的网络切片配置对各类5G业务性能的影响，更好支撑端到端SLA保障。

支撑5G+垂直行业的承载网络切片技术和服务类型

为了支撑面向5G+垂直行业的网络切片服务，基于SPN的5G承载网络正在推动开发和增强的关键技术包括以下4个方面。

一是支持不同资源隔离特性。5G承载网络切片资源分为预配置的网络接口资源和按需配置的VPN业务资源。FlexE/MTN接口和MTN通道具备硬隔离特性，分组隧道、VPN和QoS调度属于软隔离，两种资源可以一对一专用，也可以一对多复用。

二是支持灵活带宽调整能力。根据业务需求提供支持不同颗粒度的网络带宽配置，并支持在线带宽调整以及高精度的时延、丢包等性能监测能力；针对垂直行业中10Mbit/s~100Mbit/s带宽需求的工业控制等高隔离和高可靠性业务需求，需要推动承载网络统一开发支持N×10Mbit/s~100Mbit/s的小颗粒技术方案，并支撑现网平滑升级演进。

三是具备确定性低时延特性。对于采用MTN接口和MTN通道的TDM时隙隔离的网络切片，在入口不拥塞情况下，接入汇聚和核心的SPN设备分别具有小于3us或10us转发时延和小于1us的抖动性能。对于采用分组隧道的VPN+QoS软颗粒的网络切片，可增强QoS队列调度机制和IEEE 802.1的TSN技术方案，提升分组转发的确定性时延性能。

四是按需提供高可靠性。承载网络支持多种小于50ms的电信级网络保护技术和抗多点故障的秒级动态路由恢复技术，对于提出99.9999%超高可靠性要求的智能电网、工业控制和车联网等业务，需要综合配置多种网络保护、设备和关键板卡的冗余保护方案来实现超高可靠性保障。

承载网络应重点提升切片资源的按需动态配置和智能化运维能力，为行业客户提供与其SLA相匹配的优享、专享和尊享级别SPN承载网络切片服务类型，具体如表1所示。

表1 基于SPN的5G承载网络切片服务类型、特性和典型应用场景

5G+智能电网的SPN网络切片技术应用方案

5G+智能电网主要分为电力生产控制类Ⅰ区、生产非控制类Ⅱ区、生产信息类Ⅲ区和信息管理类Ⅳ区共四大类业务，具体业务包括配电网差动保护、同步相量测量（PMU）、智能化的配电自动化、用电负荷需求侧响应、智能巡检和设施运行状态监测等。按照其四大类业务的承载需求特性和典型组网，图2给出了5G+智能电网的SPN承载网络切片组网应用方案。

图 2 5G+智能电网的SPN承载网络切片组网应用方案

5G+智能电网的SPN网络切片应用方案建议如表2所示。一方面，按照电网的分区隔离要求，电网I、II区和Ⅲ、Ⅳ区业务分别采用两个FlexE/MTN通道实现硬切片隔离，为5G终端、继电保护设备到5GC-U（电力专用）提供高安全隔离、确定性低时延和低抖动等SLA性能保障；另一方面，电力视频监控和信息采集是电网的重要信息管理类业务，通过专享切片中不同的专用VPN承载，实现不同业务之间的软隔离，不同VPN业务间可通过优先级实现QoS调度，保障高优先级业务的带宽和时延性能。

表2 5G+智能电网的SPN网络切片应用方案建议

5G网络切片重点推动工作建议

5G网络端到端切片服务能力需持续提升，重点推动各专业协同拉通自动化配置流程、SLA指标分解、SLA监测保障和智能化运维能力，并与垂直行业应用需求密切结合，提出功能易用、性能可靠和运维方便的网络切片服务业务。5G承载网络需重点推动网络切片资源的动态规划和差异化SLA配置模板设计，特别是面向确定性低时延和超高可靠要求的生产控制类业务，要推进研发支持小颗粒硬管道技术、高精准时延和丢包性能监测、业务无损保护和智能化运维保障等重点工作，协同推动技术方案的统一标准化、芯片和设备的产业化及规模商用进程，支撑5G网络切片服务成为赋能垂直行业发展的重要利器。（李芳 赵俊峰 李振文）