基于5G切片專線的組網(wǎng)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)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(lián)。相比4G網(wǎng)絡(luò)，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(yīng)用場景帶來不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)多樣化的需求，而5G網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)切片提供了網(wǎng)絡(luò)資源的靈活分配、網(wǎng)絡(luò)能力的靈活組合，為5G時代打造多樣化、差異化服務(wù)提供了有力保障。在5G 2B組網(wǎng)中應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，應(yīng)用固網(wǎng)組網(wǎng)的智能傳送網(wǎng)（smart transport network，STN）技術(shù)、光傳送網(wǎng)絡(luò)（optical transport network，OTN）技術(shù)，按需定制組網(wǎng)，滿足不同行業(yè)用戶的多樣化需求。運(yùn)營商通過5G切片專線組網(wǎng)與2B行業(yè)用戶組網(wǎng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用相結(jié)合，加速推動“5G+”與實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合，支撐工業(yè)、制造、物流等行業(yè)進(jìn)行數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展轉(zhuǎn)型[1]。

2 5G網(wǎng)絡(luò)切片

5G網(wǎng)絡(luò)切片（network slice）可以實(shí)現(xiàn)在5G SA架構(gòu)中，將同一基礎(chǔ)設(shè)施的物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個按需定制的端到端、專用虛擬網(wǎng)絡(luò)，物理隔離或邏輯隔離。對每個虛擬專用網(wǎng)絡(luò)配置不同的功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在時延、速率、連接數(shù)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(wǎng)絡(luò)端到端切片涵蓋了無線網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)[3]，對接模型如圖1所示。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)端到端切片對接模型

5G SA新增簽約切片標(biāo)識（S-NSSAI），網(wǎng)絡(luò)側(cè)確定相應(yīng)的組網(wǎng)配置邏輯，以實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)對該切片業(yè)務(wù)的端到端承接。

2.1 無線網(wǎng)絡(luò)切片

5G無線網(wǎng)絡(luò)的切片資源包括空口資源和設(shè)備資源，空口資源在調(diào)度時能提供資源預(yù)留或基于優(yōu)先級的資源搶占，設(shè)備資源可以在調(diào)度時被某切片專用，或者基于設(shè)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(nèi)存、隊(duì)列等[2]。上述通過設(shè)置優(yōu)先級，搶占式共享資源來實(shí)現(xiàn)調(diào)度，即軟切片的方式，而資源隔離，實(shí)現(xiàn)專用調(diào)度為硬切片的方式。

無線網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在運(yùn)營商提供的網(wǎng)絡(luò)能力應(yīng)用上，考慮業(yè)務(wù)需求和組網(wǎng)成本，當(dāng)前應(yīng)用較多的是基于QoS機(jī)制的GBR/Non-GBR類5QI提供不同業(yè)務(wù)等級的軟切片方式，承載網(wǎng)、核心網(wǎng)提供QoS協(xié)同。在實(shí)現(xiàn)上，打通終端接入切片網(wǎng)絡(luò)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(wù)場景對應(yīng)TAC（來自用戶訂閱或核心子網(wǎng)切片實(shí)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(yù)留、RB資源獨(dú)享、載頻獨(dú)享、基站獨(dú)享的方式實(shí)現(xiàn)通用或特定行業(yè)切片。

2.2 承載網(wǎng)切片

5G承載網(wǎng)STN，采用FlexE技術(shù)可實(shí)現(xiàn)硬管道的業(yè)務(wù)隔離，通過不同硬切片分配獨(dú)享的接口資源。還可采用PQ隊(duì)列調(diào)度或WFQ隊(duì)列調(diào)度，通過不同QoS的軟切片為不同等級的業(yè)務(wù)提供差異化保障。

5G切片專線端到端組網(wǎng)通過切片映射VLAN的方式實(shí)現(xiàn)，無線基站所有2B業(yè)務(wù)S-NSSAI映射到承載網(wǎng)2B通道的同一VLAN。承載網(wǎng)融合網(wǎng)關(guān)到5G核心網(wǎng)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(wǎng)綁定不同的軟/硬通道，與S-NSSAI對應(yīng)。

2.3 核心網(wǎng)切片

SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，核心網(wǎng)的各網(wǎng)絡(luò)功能被拆分成眾多細(xì)顆粒的模塊化組建，最小的模塊化組件即微服務(wù)[2]。根據(jù)業(yè)務(wù)使用所需時延或帶寬等要求的不同，可以將切片的微服務(wù)靈活部署在網(wǎng)絡(luò)的不同位置。各微服務(wù)可以被切片獨(dú)享或不同切片共享，獨(dú)享時每個切片各有一套核心網(wǎng)，也可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求部分共享、部分獨(dú)享，如核心網(wǎng)用戶面UPF共享、UPF下沉用戶園區(qū)獨(dú)享，以降低時延和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)本地卸載。

5G切片組網(wǎng)通過S-NSSAI和VLAN映射實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)的端到端打通。在此基礎(chǔ)上，考慮經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)用QoS端到端映射、調(diào)度的軟切片，可在帶寬、時延、丟包率、抖動等網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)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(guān)系規(guī)劃見表1。

表1 5QI-DSCP/TC-EXP映射關(guān)系

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

3 5G切片專線端到端組網(wǎng)設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)常見2B用戶業(yè)務(wù)場景，應(yīng)用固網(wǎng)STN專線、STN入云專線、OTN專線，及5G切片技術(shù)，搭建5G切片專線，即從5G核心網(wǎng)UPF設(shè)備到2B用戶固網(wǎng)側(cè)站點(diǎn)或云內(nèi)系統(tǒng)的固網(wǎng)段專線。

3.1 STN

IPRAN以IP/MPLS協(xié)議及其關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，面向移動基站業(yè)務(wù)、通道類業(yè)務(wù)承載。STN是一種結(jié)合IPRAN及PTN技術(shù)的增強(qiáng)型分組組網(wǎng)技術(shù)，一方面實(shí)現(xiàn)3G/4G/5G等移動回傳業(yè)務(wù)，5G承載更進(jìn)一步引入大容量STN設(shè)備和SRv6/FlexE等新技術(shù)；另一方面，STN技術(shù)疊加在基站業(yè)務(wù)承載網(wǎng)上，可實(shí)現(xiàn)對2B客戶業(yè)務(wù)場景的智能分組化傳送，提供靈活的業(yè)務(wù)接入和靈活配置帶寬的能力，運(yùn)營商應(yīng)用STN技術(shù)打造端到端高可靠保障的二層以太智能專線產(chǎn)品[4]，為2B客戶提供以太專線、云專線、云網(wǎng)等業(yè)務(wù)的融合承載[5]。

通過U設(shè)備內(nèi)置測試或儀表測試發(fā)現(xiàn)，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?yún)R聚端口速率能力可達(dá)10 Gbit/s。應(yīng)用STN專線、STN入云專線，可實(shí)現(xiàn)從5GC到2B客戶固網(wǎng)側(cè)站點(diǎn)或云內(nèi)系統(tǒng)的通信。

3.2 OTN

OTN技術(shù)結(jié)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(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可提供100 Gbit/s以上的接入?yún)R聚端口速率[6]。大帶寬場景下，可提供骨干網(wǎng)單向時延不超過5.5 ms/1 000 km的能力。運(yùn)營商應(yīng)用OTN技術(shù)為2B客戶提供高質(zhì)量、大帶寬、低時延的專線產(chǎn)品。

3.3 5G 切片專線組網(wǎng)

將STN技術(shù)、OTN技術(shù)、5G切片技術(shù)應(yīng)用于5G切片專線組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)5G接入與STN、OTN接入方式組合的多種點(diǎn)到點(diǎn)/入云專線，支持多個5G側(cè)終端共用一條專線，具體如下。

（1）5G-STN組網(wǎng)方式

5G網(wǎng)絡(luò)與STN拼接，通過網(wǎng)絡(luò)切片與QoS統(tǒng)一調(diào)度，提供多個5G終端和STN固網(wǎng)接入的點(diǎn)到點(diǎn)專線連接。專線一端通過5G無線接入，另一端用戶固網(wǎng)站點(diǎn)通過以太專線的U設(shè)備有線接入。5G-STN組網(wǎng)方案如圖2所示。

圖2 5G-STN組網(wǎng)方案

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

（2）5G-STN入云方式

5G網(wǎng)絡(luò)與STN拼接，通過STN在云側(cè)的延伸，提供5G終端到云內(nèi)VPC的點(diǎn)到點(diǎn)連接。專線一端為5G無線接入，另一端接入云。5G-STN入云組網(wǎng)方案如圖3所示。

圖3 5G-STN入云組網(wǎng)方案

5G切片專線5G-STN入云方組網(wǎng)式適用于用戶應(yīng)用系統(tǒng)部署在云上的場景，專線能力同5G-STN場景。

（3）5G-OTN組網(wǎng)方式

5G網(wǎng)絡(luò)與OTN拼接，通過網(wǎng)絡(luò)切片與QoS統(tǒng)一調(diào)度，提供多個5G終端和OTN固網(wǎng)接入的點(diǎn)到點(diǎn)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(shè)備有線接入。5G-OTN組網(wǎng)方案如圖4所示。

圖4 5G-OTN組網(wǎng)方案

5G切片專線5G-OTN組網(wǎng)方式，可提供更高質(zhì)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(wǎng)有5G-OTN、5G-STN、5G-STN入云3種實(shí)現(xiàn)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(wù)端路由協(xié)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(dú)占的剛性管道，而STN專線主要提供非物理隔離、帶寬可復(fù)用的管道。實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)速率、剛性獨(dú)占、是否訪問云資源等需求選擇組網(wǎng)方式。

4 5G切片專線組網(wǎng)關(guān)鍵配置

5G切片專線在核心網(wǎng)上的配置分為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)配置和5G切片專線業(yè)務(wù)配置兩部分，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)配置內(nèi)容根據(jù)運(yùn)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(wù)配置內(nèi)容根據(jù)每條專線的不同業(yè)務(wù)需求進(jìn)行個性化配置。其中，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)配置主要包括全局QoS映射、UDM/PCF用戶簽約模板預(yù)配置、UPF-N3口配置等。5G切片專線業(yè)務(wù)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(wù)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(cè)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(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)專線側(cè)的配置。即5GC與融合網(wǎng)關(guān)設(shè)備、固網(wǎng)專線本身的配置，實(shí)現(xiàn)5G切片專線從無線網(wǎng)、承載網(wǎng)到核心網(wǎng)端到端的打通。

5G切片專線在無線網(wǎng)絡(luò)的配置主要包括：5QI參數(shù)的配置，并根據(jù)表1中5QI-DSCP/TC-EXP映射關(guān)系，配置到承載網(wǎng)DSCP/TC的映射；每個用戶所使用的S-NSSAI在無線基站側(cè)的配置，以及切片與基站出口2B通道VLAN的綁定關(guān)聯(lián)。

5 5G切片專線組網(wǎng)測試

按照上述組網(wǎng)方案進(jìn)行數(shù)據(jù)配置，在運(yùn)營商機(jī)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(wǎng)絡(luò)配置后，開展網(wǎng)絡(luò)接入測試、業(yè)務(wù)連通性測試及切片限制業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)功能測試，本次測試在運(yùn)營商機(jī)房就近部署測試環(huán)境，考慮不同類專線性能特點(diǎn)已明確，在現(xiàn)網(wǎng)中應(yīng)用成熟，故測試主要圍繞固移協(xié)同組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接入、業(yè)務(wù)連通性、5G切片設(shè)置有效性開展，具體測試步驟如下。

圖5 測試環(huán)境

5.1 網(wǎng)絡(luò)接入測試

（1）測試步驟

在5G終端上設(shè)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(wǎng)絡(luò)連接是否正常。

（2）測試結(jié)果記錄

用簽約的DNN接入后，終端可正確獲取到地址，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)正常。驗(yàn)證5G切片專線5GC可正常分配終端IP地址，5G網(wǎng)絡(luò)通信正常。

網(wǎng)絡(luò)接入測試驗(yàn)證了5G切片專線5GC可正常分配終端IP地址，終端接入5G網(wǎng)絡(luò)通信正常。

5.2 業(yè)務(wù)連通性測試

（1）測試步驟

從5G終端到固網(wǎng)終端進(jìn)行ping測試，觀察是否ping通無丟包。

（2）測試結(jié)果記錄

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

圖6 終端ping測試

業(yè)務(wù)連通性測試驗(yàn)證了5G切片專線端到端通信正常，固移協(xié)同組網(wǎng)方案和數(shù)據(jù)配置可實(shí)施。

5.3 5G業(yè)務(wù)接入?yún)^(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(wù)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(wù)區(qū)。在業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)。

（2）測試結(jié)果記錄

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

圖8 終端在業(yè)務(wù)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(wù)區(qū)，終端獲取地址失敗、接入失敗，核心網(wǎng)接口消息顯示非接入?yún)^(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(wù)區(qū)接入?yún)^(qū)時核心網(wǎng)的消息記錄

ping測試不成功，如圖11所示。終端在非業(yè)務(wù)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(wù)區(qū)接入時的ping測試

圖12 終端在非業(yè)務(wù)區(qū)接入時獲取IP地址

5G業(yè)務(wù)接入?yún)^(qū)功能測試，驗(yàn)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(yàn)證了5G切片專線組網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)配置方案的可落地實(shí)施，為5G終端訪問用戶內(nèi)部固網(wǎng)側(cè)站點(diǎn)提供了專線接入的固移協(xié)同解決方案，并利用5G切片設(shè)置測試了區(qū)域限制接入功能。測試結(jié)果說明了5G切片專線應(yīng)用在業(yè)務(wù)接入時，可提供范圍靈活選擇和網(wǎng)絡(luò)端到端個性化服務(wù)上的價值，為后續(xù)網(wǎng)絡(luò)切片在5G固移組網(wǎng)場景中進(jìn)一步提供豐富的網(wǎng)絡(luò)能力應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖7 終端在業(yè)務(wù)區(qū)接入時核心網(wǎng)的消息記錄

6 結(jié)束語

5G切片專線利用固移協(xié)同組網(wǎng)技術(shù)，通過切片標(biāo)識與VLAN映射打通終端接入切片網(wǎng)絡(luò)的端到端流程，實(shí)現(xiàn)5G接入訪問用戶固定站點(diǎn)、云內(nèi)系統(tǒng)、多種接入類型站點(diǎn)互通等組網(wǎng)方式。

在5G切片應(yīng)用上，結(jié)合各行業(yè)5G切片專線組網(wǎng)需求，現(xiàn)階段以軟切片的實(shí)現(xiàn)方式為主，通過無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)協(xié)同基于QoS機(jī)制的GBR/Non-GBR類5QI提供不同業(yè)務(wù)等級，通過邏輯隔離的方式按需提供端到端的差異化服務(wù)，較易實(shí)現(xiàn)。而網(wǎng)絡(luò)切片要實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)專用、承載網(wǎng)FlexE通道、核心網(wǎng)5GC或部分5GC專用的端到端物理隔離，成本代價較高，還需結(jié)合用戶實(shí)際業(yè)務(wù)場景的需求評估成本，按需提供。

5G網(wǎng)絡(luò)切片以原生云超分布式架構(gòu)為基礎(chǔ)，5G切片專線組網(wǎng)在切片運(yùn)營、專線搭建和開通、管理流程上，通過全領(lǐng)域自動化編排、配置，可以快速部署網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力[7]。5G切片專線組網(wǎng)還可以利用邊緣計(jì)算、霧計(jì)算等技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)效率和制造成本，提升行業(yè)智能競爭力[8]。萬物互聯(lián)時代，基于D2D的網(wǎng)絡(luò)接入可考慮在巨量終端場景應(yīng)用[9]，而新興的全息通信及工業(yè)自動化場景，還可進(jìn)一步研究智能開放的6G技術(shù)，以適應(yīng)多元化服務(wù)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的需求[10]。