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）

0 引言

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。

1 切片技術(shù)

1.1 切片技術(shù)的分類

切片技術(shù)分別通過管理面、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

1.2 基于FlexE技術(shù)的原理分析

FlexE技術(shù)通過時(shí)隙交叉技術(shù)無需解析相關(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)邏輯單元前均有開銷Slot，通過多個(gè)開銷Slot 構(gòu)成開銷幀和開銷復(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)用過程：將不同速率的業(yè)務(wù)塊通過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。通過開銷形成的帶內(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。

2 試驗(yàn)網(wǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 總體SPN網(wǎng)絡(luò)部署

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)

2.2 切片功能部署

通過管控融合平臺(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)開通過程中的時(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)的正常開通的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和分析。

2.3 業(yè)務(wù)承載部署

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)

3 試驗(yàn)網(wǎng)測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 切片功能測(cè)試

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)開通效率，業(yè)務(wù)開通時(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)整過程中業(yè)務(wù)L1層平均速率基本不變，業(yè)務(wù)無中斷、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

3.2 業(yè)務(wù)承載測(cè)試

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)，均能通過自動(dòng)倒換保證物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)正常開通；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)無法開通。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。

4 結(jié)論

本文通過搭建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)?；_通，構(gòu)建“5G+生態(tài)”智慧平臺(tái)。