二號站登錄網址_中移雄研諮詢洞察:5G端到端網絡切片技術應用研究報告

在全球經濟進入数字化轉型的關鍵時期,5G網絡作為数字化社會的關鍵基礎設施,將不再局限於傳統通信網絡的業務領域,滿足各行各業数字化轉型的需求是5G網絡即將承擔的新使命。垂直行業客戶加速向数字化、智能化轉型,而轉型的基石是数字化網絡鏈接,行業客戶的生產園區及業務場景對無線網絡覆蓋質量、時延要求、上行容量、數據保密性、設備移動性、網絡控制權的要求均高於公共大網,並且傳統電信的商業模式無法滿足行業用戶的需求,因此特定場景需要定製化、綜合型、靈活便捷的無線專用網絡,而網絡切片作為5G關鍵技術之一,是實現行業專網的基礎技術。

網絡切片

3GPP與5G-ACIA定義的5G垂直行業專用網絡包含四個主要場景,用於指導組織機構如何申請並部署自己的5G專用網絡,也包括獨立部署專用網絡和非獨立部署專用網絡。獨立部署專用網絡指獨立部署一套物理專用網絡;根據與公網復用資源和互動程度進行劃分,非獨立部署包含共享RAN、共享RAN與控制面、完全公網部署(網絡切片)三個場景,其中網絡切片又分為Group A/B/C三個選項。

Group A:完全不共享。每個切片完全獨立,分別擁有各自完整的控制面與用戶面功能實體。

Group B:控制面功能部分共享。部分控制面功能(如移動性管理、鑒權功能)在切片間共享,其餘的控制面功能(如會話管理)與用戶面功能則是各切片專用的。此架構支持用戶在同一時間接入控制面功能部分共享的多個網絡切片。此架構的切片隔離性  ,但用戶在同一時間只能接入一個網絡切片。

Group C:控制面功能完全共享。各切片的控制面功能完全共享,只有用戶面功能是各切片專用。此架構的隔離性  ,只在用戶面實現了隔離,此架構也支持用戶在同一時間接入控制面功能完全共享的多個網絡切片。

非獨立部署專用網絡主要關注場景三端到端網絡切片實現與應用,強調在公用網絡基礎上,在滿足用戶業務特性需求的前提下(如信息保密等級等),為用戶制定一張從接入到傳輸到核心端到端專屬的邏輯專用網絡。

網絡切片的發展歷程

從2015年開始,3GPP啟動了5G相關的標準研究和制定工作,並計劃在R14-R16這三個大版本中完成相關標準的制定。網絡切片作為5G的重要技術,3GPP  在R14階段由SA1的TR 22.864報告中提出了網絡切片的需求,隨後SA2在TR 23.799中對網絡切片方案進行了初步研究,在R15階段SA2正式把切片的相關概念、方案寫入了TS 23.501中。SA5對於切片管理進行了研究並進行了網管設備的標準化,SA3則負責研究切片的安全方面的問題。3GPP在TR28.801定義了通信服務管理功能(CSMF,Communication Service Management Function)、網絡切片管理功能(NSMF,Network Slice Management Function)、網絡子切片管理功能(NSSMF,Network Slice Subnet Management Function),三者協同完成網絡切片端到端設計和實例化部署。此外RAN接入網對網絡切片技術也進行了研究和探討,並最終在RAN側支持網絡切片功能,實現端到端的切片。R17可能會繼續深入研究RAN切片升級規範等內容,同時更新現有協議並涵蓋更多的新技術。受疫情影響,3GPP近日宣布將下兩批5G相關技術協議的發布推遲3個月,根據新時間表,第三階段的R16規範將於6月完成,隨後R17的預定日期將推遲到2021年12月。

除了3GPP,目前ITU、MGMN、ETSI等主要標準組織都先後開展了網絡切片的標準化研究,但目前這些組織對於切片的研究主要還是停留在架構、需求等較高的層次,關於切片的實現等較具體的內容目前主要還是由3GPP負責制定。

端到端網絡切片

1、端到端網絡切片的概念

5G網絡切片是針對業務差異化、多租戶需求提供的一類解決方案技術的統稱,旨在通過功能、性能、隔離和運維等多方面的靈活設計,使得運營商能夠基於垂直行業的需求創建定製化的專用網絡。3GPP TS38.300標準中定義,網絡切片是一個允許根據每個客戶要求進行差異化處理的概念。通過切片,移動網絡運營商(MNO)可以將客戶視為屬於不同的租戶類型,每個租戶都有不同的服務要求,這些要求根據服務級別協議(SLA,Service level Agreement)和訂閱來決定每個租戶有資格使用的切片類型。

從本質上講,5G網絡切片是將5G物理網絡劃分為多個虛擬網絡稱之為網絡切片,每個切片都擁有自己獨立的網絡資源和管控能力,根據不同的服務需求如時延、帶寬、安全性和可靠性等來劃分,以靈活地應對不同地網絡應用場景。在5G時代,應用場景多樣化,使用一個統一的網絡架構來同時滿足所有的服務請求效率低也不易實現。通過網絡切片技術在一個獨立的物理網絡上切分出多個邏輯網絡,從而避免了為每一個服務建設一個專用的物理網絡[1]。

網絡切片的價值在於網絡切片即服務(Network Slice as a Service),可以為不同垂直行業提供不同、相互隔離、功能可定製的網絡服務,實現客戶定製化網絡切片的設計、部署和運維。用戶性能可以得到保障,租戶會與運營商簽訂服務合同,其中規定了租戶使用的業務所對應的SLA。SLA通常包括安全性/私密性、可見性/可管理性、可靠性/可用性,以及具體的業務特徵(業務類型、空口需求、定製化網絡功能等)和相應的性能指標(時延、吞吐率、丟包率、掉話率等),同時拉通各域來實現端到端SLA保證。

2、網絡切片的整體架構

網絡切片是一種按需組網的方式,可以讓運營商在統一的基礎設施上分離出多個虛擬的端到端網絡,每個網絡切片從無線接入網承載網再到核心網上進行邏輯隔離,以適配各種各樣類型的應用。垂直行業提供各種類型的可保證的網絡連接服務,是端到端網絡切片整體架構設計的目標。網絡切片可基於傳統的專有硬件構建,也可基於NFV/SDN的通用基礎設施構建。為了實現低成本高效運營,應盡可能採用統一基礎架構,網絡切片的整體架構由基礎設施層、網絡切片管理層及網絡切片層(運行在基礎設施之上的網絡切片實例)組成。如圖1所示,其中基礎設施層為網絡切片提供所需的資源和基礎能力;網絡切片層基於基礎設施層,聚合所需要的網絡功能形成端到端的邏輯網絡(網絡切片實例);切片管理層負責網絡切片生命周期的管理,保障網絡切片實例可滿足垂直行業提出的業務性能相關的指標。

圖1 網絡切片整體架構圖

3、網絡切片的優點

第一  化。根據業務場景需求對所需網絡功能進行定製化裁剪和靈活組網,優化業務流程和數據路由,使得網絡資源的利用達到  化。由於每個切片都是根據該服務或使用該切片的服務所需要的交付複雜性進行定製的,因此切片網絡還允許更深入地了解有關網絡資源的利用情況。

第二,動態性。網絡切片能夠滿足用戶的動態需求,例如用戶臨時提出某種業務需求,網絡具有動態分配資源的能力,從而提高網絡資源利用率。

第三,安全性。通過網絡切片,可以將當前某個業務應用的網絡資源與其它業務應用的網絡資源區分開、隔離開,每個分片的擁塞、過載、配置的調整不影響其他分片,增強整體網絡的健壯性和可靠性,保證當前業務質量的同時也提供了可靠的安全保護機制。

第四,靈活性。業務需求和用戶數量可能出現動態變化,網絡切片需要彈性和靈活的擴展,比如必要時可以將一個網絡切片與其它網絡切片進行融合,以更靈活地適配用戶動態的業務需求,對用戶而言,這種彈性的使用方式還使得根據使用量計費成為可能。

垂直行業的網絡需求

不同行業對網絡的要求是多樣化的,例如智能家居、智能電網、智能農業和智能抄表需要大量的額外連接和頻繁傳輸小型數據包的服務支撐,自動駕駛和工業控制要求毫秒級時延和接近100%的可靠性,在工業應用中,端到端等待時間的要求範圍在1000毫秒到5毫秒以下,而對於任務關鍵型應用則需要後者,運動控制更需要實時傳輸,而娛樂信息服務則要求高質量的固定或移動寬帶連接。同時從網絡質量角度考慮,垂直行業用戶更希望網絡保持一個穩定的、可預測的服務質量,如果跟公眾移動寬帶網絡或其它垂直行業的網絡混和使用的話,可用帶寬將無法保障,因此垂直行業更希望能獨佔頻譜,這樣可用性、安全性都會更高。

垂直行業對網絡服務的需求表明,5G網絡需要更加靈活以支撐不同業務場景和環境下的差異性連接,而5G網絡切片就是打造定製化的5網絡專用通道,針對不同的業務場景需求提供差異化的專屬跑道,使運營商以更靈活高效的方式滿足垂直行業用戶的多樣性需求。

5G網絡切片在垂直行業中的應用

5G網絡切片技術賦能垂直行業,可實現定製化的網絡提供,讓很多不可能的應用變成可能。以下對電力、自動駕駛、工業三個行業進行分析。

1、電力

智能電網的業務需求廣泛,包含eMBB、uRLLC和mMTC三大場景,同時對網絡安全可靠性要求較高,採用不同的網絡切片服務,可以根據不同業務特點更有針對性地解決智能電網的數據�集傳遞等通信傳輸需求。5G網絡切片技術可實現超大帶寬、端到端低延遲、海量連接、廣域覆蓋和非視距傳輸,可充分滿足智能電網對通信網絡的需求。5G網絡切片也有對應的能力匹配,促成了比特與瓦特的強強聯手。雖然智能電網的應用還處在一個初級階段,但是電力行業對5G網絡高度關注,未來將會有更多有關5G電力切片應用的研究。

2、自動駕駛

業界對車輛間通信的研究要遠早於5G的相關研究。利用車輛內傳感器(如照相機、雷達和激光)也可以實現自動駕駛。但是5G提供的嚴格低延遲高可靠傳輸可以將車輛通信帶入下一個更高的等級,例如從輔助駕駛到協作自動化駕駛。車輛通信依賴於一張廣泛覆蓋的移動通信網絡,包括對高功率、遠郊和鄉野的覆蓋。因此,運營商對自動駕駛行業的生態發展來說是至關重要的角色。出於安全考慮,自動駕駛公司可能會發展其私有的雲環境來加載自動駕駛應用。為了解決性能需求,垂直行業客戶必須與運營商實現資源和服務的無縫整合。

3、工業4.0

受IoT、工業自動化和雲計算等技術發展的影響,製造業也正在經曆數字化轉型過程。製造商通常同時具備其生態系統中多種不同的業務角色,一方面他們可能是外部客戶的供應商,提供机械組件、技術方案等;另一方面,他們也是其他解決方案的使用者,例如数字化平台。尤其是對於工業機器控制等應用,工業園區中的通信通常是受限的。製造商將通過利用自己的雲資源使用更嚴格的專用網絡,由於製造業的業務範圍呈國際化,甚至可能分佈在不同的國家,因此打造全球性網絡切片對於這種用例就至關重要。此外,全球網絡切片概念還將為垂直客戶帶來業務發展方面的增值,因為在一個統一的平台下,可以屏蔽不同管理域之間業務談判的複雜性。

5G網絡切片的應用發展前景

隨着5G時代行業專網的發展,運營商將面臨更大的挑戰,能力、頻段和標準三者缺一不可,行業專網是拓展行業市場的重要抓手,通過行業專網,可以將個人用戶上網需求與企業上雲需求結合起來,實現個人業務與政企業務的融合,此外還可以充分發揮5G網絡切片能力和邊緣計算能力,實現面向行業客戶的雲網融合。網絡切片作為5G關鍵技術之一,符合行業專網的需求,同時具備運營商的獨特優勢,因此網絡切片應成為行業專網的  方案。網絡切片允許靈活的系統架構來處理垂直行業的差異化需求,電信運營商應該充分發揮網絡連接的優勢,通過深度融合不斷提升電信行業與垂直行業的融合創新力度,與垂直行業共同探索5G應用對應的網絡切片模式,激髮網絡切片賦能垂直行業的活力。