《电子技术应用》
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5G网络切片在公网应急保障中的应用研究
2020年电子技术应用第2期
王秋红,朱雪田
中国电信股份有限公司研究院,北京102209
摘要: 应急保障通信系统作为日常通信系统的重要补充,在灾害发生时起着至关重要的作用。提出了一种基于5G网络切片的公网应急资源优先保障技术方案,在明确应急保障通信系统的各种场景对网络的性能需求的基础上,基于典型的应急保障通信系统架构,论述了应急保障系统的5G网络切片实现流程。该方案可实现应急业务的5G网络资源优先保障,保证信息的实时交互与共享,提升信息决策的科学性和及时性。
中图分类号: TN929.5
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.209004
中文引用格式: 王秋红,朱雪田. 5G网络切片在公网应急保障中的应用研究[J].电子技术应用,2020,46(2):14-17.
英文引用格式: Wang Qiuhong,Zhu Xuetian. Research on 5G network slice application in emergency protection[J]. Application of Electronic Technique,2020,46(2):14-17.
Research on 5G network slice application in emergency protection
Wang Qiuhong,Zhu Xuetian
China Telecom Corporation Research Institute,Beijing 102209,China
Abstract: As an important supplement to the daily communication system, the emergency support communication system plays a vital role in the event of a disaster. Aiming at the requirements of the emergency support system in the event of a disaster, this paper proposes a technical solution based on 5G network slicing. Based on the flexible network customization capabilities of 5G, the performance requirements of various scenarios of the emergency support communication system on the network are analyzed. Based on the typical emergency support communication system architecture, the implementation process of the 5G network slicing of the emergency support system is discussed to realize the priority guarantee of 5G network resources for emergency services, ensure the real-time interaction and sharing of information, and improve the scientificity and timeliness of information decision-making.
Key words : 5G;emergency protection;network slice;priority guarantee

0 引言

    第五代移动通信技术(5G)能够以全新的网络架构和性能,赋能应急管理、交通运输、医疗健康、智能运维等垂直行业的信息化发展,满足各行业数字化转型的需求。对于5G业务ITU提出三大应用场景:增强型移动宽带、高可靠低时延通信和海量连接[1],3GPP协议已经定义通过3种类型的网络切片支持,从而避免每种业务都重新建立独立网络造成的建网成本巨大和制约业务发展的问题。

    5G技术为基于公网构建应急保障专网的可能性提供了理论支撑。网络切片的引入给网络带来了极大的灵活性,主要体现在按需定制、实时部署、动态保障。公网应急保障场景提出了按需定制、动态保障、安全稳定的需求,网络切片可以最大化地保障应急专网的拓扑灵活配置和资源专属可保障的需求,成为应急通信行业新的解决方案。

    本文从快速构建应急通信专网的应用场景入手,分析了网络切片在公网应急保障场景中的模板参数和关键技术?;诘湫偷?a class="innerlink" href="http://www.fxfyla.com.cn/tags/应急保障通信系统" target="_blank">应急保障通信系统架构,论证应急保障系统的5G网络切片实现流程。

1 网络切片技术

    网络切片技术是5G网络的重要特性,该技术可实现将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端的网络,每个虚拟网络之间(包括接入、传输和核心网)逻辑独立,任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其他的虚拟网络。网络切片技术优势在于运营商基于业务场景的需要,自主定义切片对应的网络特性,包括延迟、速率、连接密度、频谱效率、流量容量和网络效率等,通过网络配置的灵活性保证用户体验。同时,单个切片更改和添加在网络管理层面具有独立性,无需考虑对网络其他部分的影响。在一个网络切片中,至少可以分为无线网子切片、承载网子切片和核心网子切片三部分,如图1所示。

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    5G标准将不同的业务应用对网络的需求归结为3种典型场景:eMBB切片、uRLLC切片和mMTC切片,不同行业应用可以使用不同切片网络进行承载。5G网络切片具有端到端、业务隔离、按需定制和自动运维的典型特征,可做到端到端动态按需部署网络能力(规格、位置等),保证切片具有独立的生命周期管理,切片之间互不影响,实现自动化运维。

2 应急保障场景

    应急通信通常是指当前通信网络设施被破坏时,为达到特殊通信保障需求的临时紧急通信网络。国家应急管理部2018年提出打造“工专互补、宽窄融合、固移融合”多维无线通信网络目标,并提出“系统化、扁平化、立体化、智能化、人性化”发展要求。在抢险救灾等应急场景下,5G网络切片的按需定制和业务隔离的特点将发挥重要作用。

    当自然灾害发生时,灾区原有基础通信设施、道路设施、电力设施等会遭受不同程度的损坏,第一时间的受灾信息有效传输和现场指挥调度是灾害救援的关键。主要应用场景包括:

    (1)应急业务的5G网络资源优先保障

    当自然灾害发生时,灾区原有基础通信设施遭受不同程度的损坏,由于公网话务量激增,会导致公众通信拥塞和瘫痪,既无法进行调度指挥,也无法保障政府决策与支持系统的信息传输畅通。该场景下,利用当前的可用硬件资源,通过网络切片重新部署一张虚拟网络,优先保障救灾人员的通信需求。

    (2)本地公用网络的快速恢复

    对于自然灾害导致传输网络中断的受灾场景,由于本地5G基站和省级核心网连接中断,将导致业务受阻。通过本地部署5G本地化核心网,在保证用户签约数据进行人工同步的前提下,可以基于基本完好的灾区基站快速恢复本地移动网络通信,满足基本通信需求。

    (3)现场应急通信系统快速构建

    对于自然灾害导致本地通信网络基本瘫痪的受灾场景,一方面无法利用公网现有设施通信;另一方面即使是未被破坏的公网设施,也会由于用户突增导致网络阻塞。该场景下的应急通信要求具有非常高的机动性、灵活性和适应性?;谟笔酵ㄐ懦?、便携式基站和系留式无人机等方式,部署网络切片,把这些应急通信设备接入到网络中,构建覆盖灾区的5G临时应急通信网络,在保证现场各救援队伍通信调度的同时,也可以进一步服务于灾区群众。

    本文将针对5G公网应急优先保障场景进行重点论述。

3 公网优先保障方案

3.1 性能指标要求

    公网应急资源优先保障场景主要包括面向抢险救灾专业人员和普通公众用户的两类网络切片。

    (1)抢险救灾专业人员

    保障救灾人员具备基本联网能力,保障接入成功率和接入用户数量,并保证一定的通话质量。

    (2)普通公众用户

    保障普通公众用户具备基本的联网通信能力和一定的接入成功率。

    由于在应急保障通信系统中,应急业务的5G网络资源优先保障,因此这两个网络切片端到端的网络性能不尽相同,具体性能指标如表1和表2所示[2]。

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3.2 应急保障切片实现方案

    端到端网络切片部署是由切片管理系统将切片租户需求分解为无线、传输、核心网各域的网络配置参数,如图2所示。由于网络配置参数包含QoS相关参数(时延、速率、丢包率、抖动等)、容量相关参数(用户数、激活用户数)、业务相关参数(覆盖区域、应用场景、安全隔离)等众多内容,因此合理分配配置参数将直接影响切片能否满足切片业务的需求[3]。

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    在网络切片部署中,给出合理的无线、传输、核心网子切片模型以及部署资源需求、配置参数推荐,能最大化匹配租户需求和提升网络资源使用效率。

3.2.1 应急保障切片创建

    5G网络切片包括切片设计、部署使能、切片运行、闭环优化、运维、能力开放等。为了保证切片的敏捷的特征和业务独特性,切片可以定制化设计,包括切片模版设计(GST)和实例化设计。模版设计阶段通过通信服务管理功能(CSMF)、切片管理功能(NSMF)和子切片管理功能(NSSMF)的协同,实现能力通报、能力分解和能力匹配。在切片实例化设计阶段,需要根据具体订单需求触发:当租户需要使用网络切片时,可以选用预置的切片模板或定制模版,并通过CSMF、NSMF和NSSMF逐层确认部署信息,进行实例化部署,产生一个可用的切片网络。

    根据表1和表2信息可知,救灾用户对网络时延、可靠性等性能指标要求较高,可以在eMBB和uRLLC切片的基础上定制不同业务和等级的子切片。而普通用户只要支持基本的接入能力即可,对性能指标要求较低,但是接入量会比较频繁,可以在eMBB切片的基础上定制不同业务和等级的子切片。结合应急保障场景中不同用户的个性化需求,图3流程可以实现网络切片按需定制,相关流程如下:

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    (1)救灾指挥中心登录门户网站订购服务,结合自己的需求选择订单及SLA,例如用户对于接入成功率有要求,则选择“高可靠”切片,可保证资源的占有率,同时选择好其他SLA参数(如最大用户数、切片服务区域、切片中终端的移动等级、切片资源共享等级);

    (2)切片管理系统根据租户对切片的SLA要求进行接入网、传输网、核心网等的SLA分解,进而进行各域资源配置,包括带宽、时延等。切片设计完成后,进行测试验证,避免设计过程存在问题,早发现早解决;

    (3)救灾中心在“切片商城”选择满足自己需求的切片,并提交订单进行付费;

    (4)切片设计完成测试验证,且用户完成付费后,进行在线部署激活自动开通,该过程包含切片的运维过程(如:智能监控、故障排除等)。

3.2.2 应急保障切片管理

    网络切片的目的在于根据不同业务迥然不同的业务需求灵活地进行资源分配。在资源分配的过程中,如果无线接入网、承载网和核心网各自为政,缺乏全局的资源调配,网络切片势必难以达到其应有的效果。因此,5G对网络切片采用横跨无线接入网、承载网和核心网的端到端切片管理架构,实现对各类资源及QoS的端到端管理。应急保障网络端到端管理架构如图4所示。

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    5G网络切片分配的资源情况与网络切片类型以及其所提供的服务密切相关,网络切片管理过程中需要通过参数表明切片性能指标,以指导切片资源分配的过程。

    网络切片必须满足其上运行业务的服务等级(Service Level Agreement,SLA)的要求,该要求可以通过网络参数进行描述。单个切片的管理参数分为3类:描述切片服务质量的QoS参数、描述切片服务能力的容量参数和描述其所支持业务类型的业务参数[4]。切片管理过程中,切片管理系统需要将切片参数依据实际需求分解至各个子网。

3.2.3 应急保障切片资源调配

    随着灾情的发展,不可预知的情况也非常复杂,网络也需要做动态的调整和部署,切片网络的复杂性使得网络切片资源动态调整和调度面临很大挑战。其中,切片资源智能调配可以解决应急保障网络需求的快速变化导致的网络切片资源动态调配和管理问题,如图5所示,基于切片业务量预测和根据预测结果制定切片资源调整策略,相应流程如下。

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    在资源调配系统中,灾情现场的业务数据(例如:区域的基础设施恢复程度、灾区的交通恢复程度、区域的医疗救护等)将通过切片管理系统传送给业务量预测模板;业务量预测??榻惺莘治?、业务量预测,并将预测结果发送给智能策略???。针对分析结果,智能策略??榭梢灾贫ㄏ嘤Φ淖试磁渲貌呗?,并下发给切片管理系统,实时调整不同切片之间的资源,实现闭环自愈。该闭环管理模式可以保证最优的网络资源配比。

    切片资源智能调配系统通过与切片管理系统对接,智能地调配切片资源,可以高效解决业务需求高动态带来的网络切片管理问题,满足不同应急保障场景的差异化需求,提供端到端QoS保障能力。

4 结论

    本文从快速构建应急通信专网的应用场景入手,分析了应急保障通信系统的各种场景对网络的性能需求,提出了一种面向公网应急资源优先保障的5G网络切片的技术方案?;诘湫偷挠北U贤ㄐ畔低臣芄?,论述了应急保障系统的5G网络切片实现流程。该方案可实现应急业务的5G网络资源优先保障,保证信息的实时交互与共享,提升信息决策的科学性和及时性。

参考文献

[1] 3GPP TS 23.501.System architecture for the 5G system;stage 2[S].2018.

[2] 中国电信北京研究所,华为技术有限公司,国网江苏省电子公司.5G网络切片使能智能电网[Z].2018.

[3] IMT-2020(5G)推进组.基于AI的智能切片管理和协同白皮书[Z].2019.

[4] 3GPP TS 23.502.Procedures for the 5G system;stage 2[S].2018.



作者信息:

王秋红,朱雪田

(中国电信股份有限公司研究院,北京102209)

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