陳 騁,南蜀崇(華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江杭州 310053)
5G 正朝著進(jìn)一步綜合化、智能化的方向邁進(jìn),并促進(jìn)著物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展[1]。作為端到端業(yè)務(wù)路徑的一部分,基于5G 傳輸承載網(wǎng)需求構(gòu)建的切片分組網(wǎng)(SPN)可滿足大帶寬、低時(shí)延、高效率的綜合業(yè)務(wù)需求[2]。同時(shí)5G 網(wǎng)絡(luò)需提供面向垂直行業(yè)的應(yīng)用需求,這要求承載網(wǎng)須具備業(yè)務(wù)隔離和獨(dú)立運(yùn)維的能力,使不同類型的業(yè)務(wù)承載在如同相互獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)上[3-4]。
車聯(lián)網(wǎng)是5G 業(yè)務(wù)端到端開(kāi)通方案中重要應(yīng)用場(chǎng)景之一,是垂直行業(yè)中研究的重點(diǎn)課題,且現(xiàn)階段針對(duì)5G+車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的應(yīng)用測(cè)試和研究較少,當(dāng)前尚存在大量技術(shù)問(wèn)題亟待解決[5-7]。文獻(xiàn)[5]總體分析了車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)融合、加速發(fā)展的趨勢(shì);文獻(xiàn)[6]研究了面向車聯(lián)網(wǎng)的MEC 技術(shù)并在對(duì)應(yīng)場(chǎng)景進(jìn)行分析;文獻(xiàn)[7]對(duì)5G 車聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)和車聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)案例提出解決方案;文獻(xiàn)[8]對(duì)面向5G/6G 的FlexE 時(shí)隙分配問(wèn)題進(jìn)行探討;文獻(xiàn)[9]對(duì)FlexE 切片技術(shù)的主要功能和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析。
網(wǎng)絡(luò)切片功能是5G SPN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一,可通過(guò)有序整合網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)現(xiàn)特定場(chǎng)景下的用戶和業(yè)務(wù)需求。從單一業(yè)務(wù)角度分析,切片技術(shù)能夠針對(duì)性地滿足各類型業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求。從垂直行業(yè)角度分析,切片技術(shù)能夠帶來(lái)更加獨(dú)立的管理模式以及更優(yōu)的業(yè)務(wù)能力,促進(jìn)全新“5G+生態(tài)”智慧平臺(tái)的構(gòu)建,帶來(lái)大量全新商業(yè)模式。從多業(yè)務(wù)角度分析,切片技術(shù)能夠針對(duì)性地為各類業(yè)務(wù)精準(zhǔn)劃分出獨(dú)立的邏輯網(wǎng)絡(luò)資源,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)差異化承載并具有獨(dú)立管理維護(hù)能力。本文旨在傳輸網(wǎng)的分片隔離技術(shù)做深度探討,基于切片技術(shù)原理和“5G+車聯(lián)網(wǎng)”垂直行業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署進(jìn)行重點(diǎn)分析,通過(guò)搭建試驗(yàn)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,驗(yàn)證5G車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的傳輸網(wǎng)切片功能和業(yè)務(wù)承載能力。
切片技術(shù)分別通過(guò)管理面、控制面、轉(zhuǎn)發(fā)面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的邏輯隔離[10-11]。
管理面隔離后具有功能如下:獨(dú)立的切片網(wǎng)絡(luò)管理、獨(dú)立切片拓?fù)湟晥D、分片下的業(yè)務(wù)管理配置、性能監(jiān)控、告警和日志、故障處理等??刂泼娓綦x后具有功能如下:分配的標(biāo)簽控件,標(biāo)簽分發(fā)信令結(jié)果,以及切片內(nèi)的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑計(jì)算等。管控融合平臺(tái)將隔離后的管理面和控制面功能進(jìn)行整合,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)路徑分析與決策,統(tǒng)籌管理業(yè)務(wù)發(fā)放和運(yùn)維。使SPN 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基站上線業(yè)務(wù)快速開(kāi)通、基礎(chǔ)配置自動(dòng)化生成與下發(fā)、路徑自動(dòng)規(guī)劃等特性。
承載網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)面的切片技術(shù)可分為軟切片技術(shù)和硬切片技術(shù),其分類如表1所示[12]。實(shí)際建設(shè)中,往往需要使用多種隔離技術(shù)組合,以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)切片的端到端隔離的效果。
表1 切片技術(shù)分類
FlexE技術(shù)通過(guò)時(shí)隙交叉技術(shù)無(wú)需解析相關(guān)節(jié)點(diǎn),做到了基于物理層的用戶業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā),從而使鏈路上單跳設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間間隔不大于1 μs,以滿足開(kāi)通端到端的低時(shí)延高可靠通信(uRLLC)場(chǎng)景的超低時(shí)延需求[14-15]。
FlexE 基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。FlexE Client 通過(guò)64b/66b 的編碼方式將數(shù)據(jù)流傳遞至FlexE Shim 層;然后將編碼后的數(shù)據(jù)塊承載在長(zhǎng)度為20 Slot的Sub-Calendar 邏輯單元上,整合多個(gè)邏輯單元形成Calendar 組件。其中,每個(gè)邏輯單元前均有開(kāi)銷Slot,通過(guò)多個(gè)開(kāi)銷Slot 構(gòu)成開(kāi)銷幀和開(kāi)銷復(fù)幀形成FlexE 帶內(nèi)管理通道,具備傳遞FlexE 接口之間的配置、管理和鏈路信息的功能。最后將Calendar 組件映射至FlexE Group 層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)承載與帶寬分配。其中FlexE Group 通過(guò)多個(gè)以太網(wǎng)PHY 層綁定形成,使得多路低速率MAC 層數(shù)據(jù)流共享1路或者多路PHY,并實(shí)現(xiàn)物理隔離、互不干擾。
圖1 FlexE結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為FlexE復(fù)用/解復(fù)用工作機(jī)制示意圖。FlexE復(fù)用過(guò)程:將不同速率的業(yè)務(wù)塊通過(guò)64b/66b 的編碼并按照分配算法映射至Calendar 組件的指定位置,同時(shí)將該業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的身份信息映射至FlexE 開(kāi)銷配置復(fù)幀中。FlexE技術(shù)屬于剛性管道切片技術(shù),只要有足夠多的空余Slot,就能夠隨時(shí)復(fù)用進(jìn)新的業(yè)務(wù)。FlexE 解復(fù)用過(guò)程中,在接收端分別實(shí)現(xiàn)包括同步、刪除對(duì)齊碼和解擾等操作,然后基于FlexE 開(kāi)銷塊中的對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)位置信息,提取對(duì)應(yīng)Slot,然后通過(guò)64b/66b 解碼模塊解析出完整數(shù)據(jù)包分配到客戶側(cè)。
圖2 FlexE復(fù)用/解復(fù)用工作機(jī)制示意圖
基于FlexE 切片的復(fù)用和解復(fù)用機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)帶寬的靈活動(dòng)態(tài)調(diào)整。通過(guò)開(kāi)銷形成的帶內(nèi)管理通道可實(shí)現(xiàn)子接口之間的配置調(diào)整,從而修改Calendar 組件中對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)的Slot 配置情況,使網(wǎng)絡(luò)具備動(dòng)態(tài)調(diào)整業(yè)務(wù)帶寬功能。
車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)屬于端到端業(yè)務(wù),試驗(yàn)網(wǎng)總體部署采用“FlexE 1G 顆粒度+時(shí)間同步+三層到邊緣+SR-TP+隨流檢測(cè)(iFIT)”技術(shù)方案。參考uRLLC 以及車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)規(guī)范指標(biāo)[13],本試驗(yàn)網(wǎng)中車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)預(yù)期低時(shí)延目標(biāo)為:試驗(yàn)車輛-控制倉(cāng)環(huán)回總時(shí)延<10 ms,承載網(wǎng)時(shí)延<3 ms。車聯(lián)網(wǎng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。
圖3 車聯(lián)網(wǎng)總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
通過(guò)搭建SPN 傳輸網(wǎng)絡(luò),將L3 虛擬專用網(wǎng)(VPN)
[6]下沉至接入層,5G 基站業(yè)務(wù)通過(guò)SPN 系統(tǒng)上傳至核心網(wǎng)移動(dòng)邊緣計(jì)算(MEC)[11]平臺(tái),通過(guò)省干傳送網(wǎng)將控制信息傳送到網(wǎng)絡(luò)云化引擎(NCE)進(jìn)行試驗(yàn)。SPN系統(tǒng)將L3 部署至接入層,實(shí)現(xiàn)流量的就近轉(zhuǎn)發(fā);分別將城域核心層SPN-匯聚層SPN、匯聚層SPN 接入層劃分為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(IGP)0域和IGP 1域。傳輸承載網(wǎng)架構(gòu)及具體配置分別如圖4和表2所示。
表2 SPN系統(tǒng)硬件配置
圖4 傳輸承載網(wǎng)架構(gòu)
通過(guò)管控融合平臺(tái)完成業(yè)務(wù)路徑分析與決策,統(tǒng)籌管理業(yè)務(wù)發(fā)放和運(yùn)維。現(xiàn)網(wǎng)部署的新型網(wǎng)管為“管理+控制+分析”平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)80K 等效SPN 網(wǎng)元數(shù)的管理。管控融合平臺(tái)通過(guò)實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌鸭胺?wù)等級(jí)協(xié)議(SLA)數(shù)據(jù)采集,NCE 完成業(yè)務(wù)路徑分析與決策,再將優(yōu)化后的路徑自動(dòng)下發(fā)給SPN 設(shè)備。相較于傳統(tǒng)網(wǎng)管系統(tǒng),理論上可減少業(yè)務(wù)開(kāi)通過(guò)程中的時(shí)間和人力成本。其中,業(yè)務(wù)發(fā)放和運(yùn)維的人工復(fù)雜度O可由式(1)表示:
式中:
R——大小為1×4 的矩陣,R(k)=(r1(k),r2(k,k+1),r3(k,k+1),r4(k,k+1)),矩陣中k、r1、r2、r3、r4分別表示正序第k(1≤k≤N)個(gè)基站設(shè)備,車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)單基站業(yè)務(wù)開(kāi)通時(shí)間、設(shè)備單跳電路配置數(shù)、同環(huán)路設(shè)備電路配置數(shù)以及故障時(shí)電路配置數(shù)
E(N,4)——大小為N×4 的單位矩陣,其中,N=max[N1,N2,N3,N4],N1、N2、N3、N4分別表示業(yè)務(wù)涉及基站總數(shù)、工作路徑需配置電路數(shù)、同環(huán)路需配置電路數(shù)以及故障時(shí)需處理的電路數(shù)
A——r1、r2、r3、r4分別對(duì)應(yīng)的復(fù)雜度系數(shù),AT=(a,b,c,d)
轉(zhuǎn)發(fā)面采用FlexE 1G 顆粒分片技術(shù),實(shí)現(xiàn)物理隔離差異化承載。通過(guò)FlexE 切片配置在城域匯聚層至城域核心層給車聯(lián)網(wǎng)專享通道1GE的同時(shí),分配1G顆粒普通通道給模擬業(yè)務(wù)作為參照。正常工作路徑傳輸距離如圖5所示,工作路由為①—④—⑦,備用路由按照SR計(jì)算得出最短路徑。
圖5 工作路徑傳輸距離
理論單跳傳輸鏈路時(shí)延可表示為T=L/v光纖。其中,光纖中光速降低31%,約為v光纖=2×108km/s。則業(yè)務(wù)理論單向時(shí)延Tsum可表示為:
式中:
L(i,i+1)——設(shè)備i和設(shè)備i+1 之間單跳鏈路距離
ti——單向鏈路中第i個(gè)設(shè)備的時(shí)延,1≤i≤n,n為單向鏈路上設(shè)備總數(shù)。通過(guò)圖5可計(jì)算接入層至MEC的理論最小傳輸鏈路時(shí)延為335 μs,滿足5G uRLLC業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)
切片功能部署后,通過(guò)NCE 將車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)分片從1G 顆粒提升至2G 顆粒,實(shí)現(xiàn)FlexE 帶寬調(diào)整?;贔lexE 復(fù)用/解復(fù)用工作機(jī)制可以知道FlexE 切片技術(shù)能實(shí)現(xiàn)帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)整功能。并在帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)整前后對(duì)時(shí)延、丟包率以及抖動(dòng)敏感度等影響車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的正常開(kāi)通的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和分析。
傳統(tǒng)核心網(wǎng)的配置方案難以滿足車聯(lián)網(wǎng)等低時(shí)延業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求,同時(shí)會(huì)造成帶寬的浪費(fèi)。因此,核心網(wǎng)通過(guò)云化+CU分離方式并將U面下沉實(shí)現(xiàn)帶寬的高效利用。此時(shí)的低時(shí)延業(yè)務(wù)便能通過(guò)下沉至城域核心層的MEC進(jìn)行處理。
針對(duì)上述試驗(yàn)網(wǎng),將系統(tǒng)設(shè)置①、②、③、④、⑤、⑥共6 個(gè)鏈路故障點(diǎn),對(duì)SPN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所有故障場(chǎng)景進(jìn)行理論分析,并驗(yàn)證SR技術(shù)降低業(yè)務(wù)中斷風(fēng)險(xiǎn)的功能。共計(jì)存在種鏈路中斷場(chǎng)景。假設(shè)單鏈路發(fā)生中斷概率均為P,則各場(chǎng)景發(fā)生概率為p=PN(1 -P)6-N。則所有鏈路中斷場(chǎng)景下車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)不中斷概率的數(shù)學(xué)期望Q,如式(3)所示。
式中:
pi——第i場(chǎng)景發(fā)生的概率
n——車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)不中斷總場(chǎng)景數(shù)
N——鏈路中斷的總場(chǎng)景數(shù)
對(duì)比傳統(tǒng)網(wǎng)管和管控融合平臺(tái)上端到端業(yè)務(wù)配置,相關(guān)對(duì)比參數(shù)如表3所示。
表3 業(yè)務(wù)配置情況
從表3 中分析可知,管控融合平臺(tái)可提高業(yè)務(wù)開(kāi)通效率,業(yè)務(wù)開(kāi)通時(shí)間降低91.6%,大幅度降低配置時(shí)間;管控融合平臺(tái)配置電路復(fù)雜度較傳統(tǒng)網(wǎng)管系統(tǒng)大大降低,僅需考慮端到端業(yè)務(wù)的兩端端點(diǎn),且NCE 自動(dòng)管理接入層同環(huán)路的基站,無(wú)需再次配置,試驗(yàn)網(wǎng)的業(yè)務(wù)配置人工復(fù)雜度降低60%;提高業(yè)務(wù)穩(wěn)定性,業(yè)務(wù)開(kāi)通以及故障處理均大幅降低人工操作頻率。綜上,總體業(yè)務(wù)開(kāi)通配置人工復(fù)雜度O大幅減小,測(cè)試結(jié)果符合部署預(yù)期。
圖6為可視化業(yè)務(wù)時(shí)延鏈路。設(shè)置工作路徑距離3 跳,通過(guò)管控融合平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)逐跳、單跳設(shè)備和鏈路時(shí)延、丟包率可視,故障定位從原本的50 min 縮短至約15 min,故障排查效率大幅提升。
圖6 可視化業(yè)務(wù)鏈路
對(duì)比相同條件下的普通業(yè)務(wù)和車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的性能指標(biāo),車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)性能是否發(fā)生擁塞導(dǎo)致時(shí)延增加,對(duì)FlexE隔離功能進(jìn)行測(cè)試。
由表4 可以知道,車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)時(shí)延基本符合理論推導(dǎo)時(shí)延結(jié)果。常規(guī)場(chǎng)景下的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和普通業(yè)務(wù)的時(shí)延和丟包率相差不大;但在擁塞場(chǎng)景下,普通業(yè)務(wù)的時(shí)延極速增大,雖L1層的平均速率上升但出現(xiàn)較高丟包情況,通道出現(xiàn)了明顯的劣化,業(yè)務(wù)的可靠性大大降低。而擁塞場(chǎng)景下的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)時(shí)延幾乎不變,抖動(dòng)小,且L1 層平均速率穩(wěn)定,依舊未出現(xiàn)丟包。驗(yàn)證了車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中FlexE 切片能夠做到很好的轉(zhuǎn)發(fā)面隔離。車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)中,最大單向時(shí)延與平均單向時(shí)延之差小于2 μs,保證了專享通道中的業(yè)務(wù)具有超低時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)不敏感的特性,且具有極高的可靠性保障。
表4 不同場(chǎng)景下的不同業(yè)務(wù)帶寬性能
調(diào)整前后業(yè)務(wù)各參數(shù)變化如表5 所示。FlexE 帶寬調(diào)整過(guò)程中業(yè)務(wù)L1層平均速率基本不變,業(yè)務(wù)無(wú)中斷、丟包率仍為0%,具有優(yōu)良的可靠性;最大單向時(shí)延與平均單向時(shí)延之差小于2 μs,約占總時(shí)延的0.5%,保持對(duì)抖動(dòng)不敏感性,F(xiàn)lexE 帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)整性能完全滿足車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。
表5 FlexE帶寬調(diào)整表
理論推導(dǎo)共計(jì)64 種場(chǎng)景,其中,24 種場(chǎng)景不會(huì)發(fā)生業(yè)務(wù)中斷,40 種場(chǎng)景會(huì)發(fā)生業(yè)務(wù)中斷。假設(shè)單鏈路故障概率P為10%,表6 為鏈路斷點(diǎn)和業(yè)務(wù)不中斷概率情況。
表6 鏈路斷點(diǎn)和業(yè)務(wù)不中斷概率情況
測(cè)試結(jié)果顯示,鏈路不中斷概率為53%,所有鏈路中斷場(chǎng)景下業(yè)務(wù)不中斷概率的數(shù)學(xué)期望Q=42.4%。當(dāng)鏈路故障點(diǎn)為1 時(shí),均能通過(guò)自動(dòng)倒換保證物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)正常開(kāi)通;當(dāng)鏈路故障點(diǎn)大于等于4時(shí)(大部分由重大災(zāi)難引發(fā)),車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)無(wú)法開(kāi)通。這里主要分析鏈路斷點(diǎn)為2或3時(shí)的情況。
當(dāng)鏈路斷點(diǎn)為2 時(shí),共計(jì)存在15 斷點(diǎn)情況,其中5種業(yè)務(wù)中斷,存在33.3%業(yè)務(wù)中斷概率。當(dāng)鏈路斷點(diǎn)為3時(shí),共計(jì)20種斷點(diǎn)方式,其中14種業(yè)務(wù)中斷,存在70%業(yè)務(wù)中斷概率。其中,部分場(chǎng)景可通過(guò)在接入域增加備用路由、將MEC 雙歸在2 個(gè)核心節(jié)點(diǎn)等方式,提升業(yè)務(wù)不中斷概率,進(jìn)一步降低中斷風(fēng)險(xiǎn),提升網(wǎng)絡(luò)安全性。
本文通過(guò)搭建SPN 試驗(yàn)網(wǎng)系統(tǒng),針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)這類5G商用化重點(diǎn)開(kāi)通業(yè)務(wù),對(duì)切片功能以及車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)承載功能進(jìn)行研究。采用“FlexE 1G 顆粒度+時(shí)間同步+三層到邊緣+SR-TP+iFIT”技術(shù)方案對(duì)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行部署。
測(cè)試結(jié)果表明:試驗(yàn)網(wǎng)的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)滿足本文預(yù)期時(shí)延目標(biāo);FlexE 隔離和帶寬調(diào)整功能真實(shí)有效,且具有較好的低時(shí)延和抖動(dòng)敏感度低的特點(diǎn);業(yè)務(wù)承載通過(guò)SR保護(hù)倒換功能使網(wǎng)絡(luò)連接靈活,降低業(yè)務(wù)中斷風(fēng)險(xiǎn)。本文搭建的SPN 試驗(yàn)網(wǎng)系統(tǒng)能有效滿足以車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)為主的低時(shí)延、高可靠連接的uRLLC 業(yè)務(wù)開(kāi)通需求。試驗(yàn)網(wǎng)部署方案可為后期5G SPN 大規(guī)模建設(shè)及端到端業(yè)務(wù)開(kāi)通打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),為車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展和相關(guān)新型交通體系積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
根據(jù)測(cè)試結(jié)果,針對(duì)車聯(lián)網(wǎng)這類垂直行業(yè)5G應(yīng)用場(chǎng)景需求,后期計(jì)劃根據(jù)測(cè)試結(jié)果調(diào)整SPN 網(wǎng)絡(luò)部署,進(jìn)一步提高業(yè)務(wù)穩(wěn)定性,降低中斷風(fēng)險(xiǎn),并在其他地(市)逐步搭建SPN 網(wǎng)絡(luò),促進(jìn)5G 業(yè)務(wù)規(guī)模化開(kāi)通,構(gòu)建“5G+生態(tài)”智慧平臺(tái)。