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5G 网络切片如何赋能?中通院 41 页报告详述 5G 端到端 SLA 行业需求 | 中国信通院报告

2020-09-29 作者:中美贸易新闻网

网络切片,是 5G 引入的一个全新概念。

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即根据不同行业应用对网络带宽、时延、安全性、可靠性、地理覆盖范围等 SLA 需求,从端到端网络基础设施上按需 “切”出多个相互隔离的、安全的、SLA可保障的逻辑网络。

网络切片改变了过去“一刀切”和“尽力而为”的网络模式,通过专用、隔离和 SLA 可保障的“切片”为各行各业提供差异化服务,从而推动车联网、智能工厂、无人机等海量垂直行业应用,使能全社会数字化转型。

然而,我们的网络,就是一台台硬件设备。网络上,是飞奔的比特数据流。这切片,到底是咋回事呢?硬件设备能切吗?数据能切吗?怎么切?

关于 5G 网络切片,我们有太多疑问了。

近日,中国信通院发布了《5G端到端切片SLA 行业需求研究》报告(以下简称《报告》)。《报告》基于 5G 端到端切片的典型网络架构,结合业界常用的 SLA 相关标准,定义了行业联接 SLA需求的马斯洛模型,从业务可用、安全可信、自主可控三个维度描绘了行业 SLA 需求的分级体系,并形成了 5G 切片 SLA 分级调色板,并给出了相应建议。

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文档来源:中国信通院

一、研究背景和意义

1、发展现状及存在问题

5G 不仅是移动通信技术的一次代际跃迁,更将成为行业应用创新的“主阵地”。

与历届移动通信技术主要满足“人人互联”通信需求相比,5G 更重视人与物、物与物的通信需求,更多聚焦于为垂直行业赋能赋智,加速开启“万物互联”新时代。5G 网络切片将共享的物理基础设施切割成了多个独立的虚拟网络,为不同业务提供独立运行、相互隔离的定制化专用网络服务,是 5G 服务垂直行业的关键切入点。工业、医疗、能源等行业应用方对 5G 切片技术表现出极大的热情,希望借此推动业务模式创新,促进产业转型升级。

5G 网络切片的技术标准和网络基础基本就绪。

5G 网络切片作为一个按需定制的端到端的逻辑网络涉及无线、传输、核心网和管理域,在今年 7 月冻结的 3GPP R16 版本中,5G 网络切片已经初步实现 eMBB 和 uRLLC 类切片的基本功能和基本流程的定义,为第一波 5G 部署和网络切片业务商用奠定了坚实基础。与此同时,5G SA 网络初步商用,为端到端网络切片技术的应用创造了基础条件。今年我国四大运营商 5G 网络建设均以 SA 独立组网方式为主,全面推进 5G SA 网络商用步伐。中国电信预计于今年 9 月开展 5G SA 商用,经过一年时间测试调整后可开展规模化商用;中国联通也于今年第三季度启动 5G SA 公测计划,当前正在招募公测用户;中国移动计划今年第四季度实现 SA 成熟。深圳全面完成了 5G SA 组网,累计建成超过 4.6 万个 5G 基站,网络建设步入了第二个阶段,各种各样的 5G 行业应用落地将成为当前的重点。

5G 网络切片 SLA 等级划分对规模商用至关重要,而目前还没有清晰的定义。

由于网络切片面向不同行业及场景提供不同网络能力的组合,如何定义和划分不同等级的 SLA(服务等级协议)对网络切片服务的提供者以及消费者都至关重要,然而目前对切片进行 SLA 等级划分还面临多方面的问题。

首先,在行业用户方面,虽然部分行业应用场景已经基于SA 网络开展了一些试验,但大多数行业客户对网络切片能力并没有清晰的认识,不清楚网络切片如何与自身的行业应用场景相匹配、切片所能够带来的商业价值以及如何选购切片。

其次,在运营商方面,5G 切片 SLA 等级划分涉及行业应用场景众多且各行业专业性强,需要通信企业与行业客户进行大量的共同探索研究,需要行业龙头企业深度参与切片 SLA 等级标准的定义和划分。

最后,在切片管理方面,切片的划分并非越多越好,如何达到运营管理复杂度与客户需求多样性之间的平衡是一个很大挑战,能够同时满足服务双方的清晰的 SLA 规范和服务质量管理流程需要通过市场的多次验证和更新迭代才可以完成。

2、研究意义

5G 行业融合应用已经进入到关键探索期,研究如何对 5G 网络切片 SLA 等级划分是加快 5G 网络切片在各行业落地应用和规模推广的重要前提,对行业用户、运营商、政府(行业主管部门)都有积极而深远的意义。

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5G 网络切片 SLA 等级划分帮助行业用户了解切片并利用好切片。

用户对网络切片的了解需要一定的认知过程,清晰的 SLA 指标有助于行业用户直观感受到网络切片所能提供的服务类别及其差别,并参考 SLA 标准所定义的服务等级,选择适合自己行业业务特性的网络切片服务,从而降低了行业间沟通的壁垒,推进 5G 融合应用的落地,让行业用户早日享受 5G 技术所带来的红利。


5G 网络切片 SLA 等级划分能有效提高运营商服务行业用户的能力。

首先,运营商在参与 SLA 标准制定过程中可以更深入的了解行业对 5G 的应用需求,制定出符合大部分行业需求的网络切片服务。

其次,SLA 标准有助于降低运营商的运营成本。运营商基于不同的 SLA 标准制定灵活的差别化定价服务,提供可协商服务价格和保障等级的沟通平台,有助于在满足行业客户多样化定制网络需求和降低 5G运维成本之间达到有效的平衡。

最后,SLA 标准可提升运营商切片的服务质量。运营商借助切片 SLA 管理平台,可以为大量行业应用提供 5G 网络切片服务,同时能
够精准地控制单个切片的服务质量。

5G 网络切片 SLA 等级划分为行业主管部门提供决策参考。

一是为政策监管的研究提供判断标准和参考依据。各行业对安全要求较高,5G 应用于各行业需要从行业管理顶层制定 5G 网络、终端、数据方面的安全技术指标,需要建立通信行业与各行业的安全认证对接机制。若要将 5G 作为行业用网的可选技术之一,在技术指标制定过程中,政府需要参考 5G 网络能力的量化指标和行业标准,清晰的 SLA 等级指标将是一个重要参考。

二是为构建产业互联网"联接力"的评估体系奠定基础。通过 SLA 分级,可以量化行业数字化的联接能力,用于国家评估行业数字化的实际效果,分析存在的短板和调整投资方向。

综上,清晰的 SLA 等级划分是千行百业和 5G 技术之间的沟通桥,是 5G 端到端切片满足各行业多样化差异化通信能力要求并且迈向规模化商业运营的第一步。充分了解各行业的 5G 业务需求及其对 5G 网络切片的确定性 SLA 要求,并支撑客户确定性的联接体验,是现阶段的重要工作。

二、5G 端到端切片的典型网络架构

5G 网络切片在 3GPP TS23.501 中已经定义,通过将物理网络切分为多个逻辑网络实现一网多用,使运营商能够在一个物理网络之上构建多个专用的、虚拟的、隔离的、按需定制的逻辑网络,来满足不同行业用户对网络能力的不同需求(如时延,带宽,连接数等)。


5G 网络切片需要基于 SA网络架构实现。3GPP R15 协议基于 5G SA 架构定义了切片标识和 E2E 标识用户群,说明了切片如何使能差异化。通常只有复杂的网络和终端配置才能实现对某类用户群的差异化,而2G/3G/4G/5G NSA 等协议缺少 E2E 统一标识某类用户群的手段。


5G 网络切片是端到端的架构设计,包含多个子域,且涉及管理面、控制面和用户面等三个层面。

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1、端到端切片管理架构

主要包含以下几个关键部件∶


CSMF(Communication Service Management Function)是切片设计的入口。将承接业务系统的需求转化为端到端网络切片需求,并传递到 NSMF 进行网络设计。CSMF 功能一般由运营商 BSS 改造提供。

NSMF(Network Slice ManagementFunction)负责端到端的切片管理与设计。得到端到端网络切片需求后,NSMF 产生一个切片的实例,根据各子域/子网的能力,进行分解和组合,将对子域/子网的部署需求传递到NSSMF。NSMF 功能一般由跨域切片管理器提供。

NSSMF(Network Slice Subnet Management Function)负责子域/子网的切片管理与设计。核心网、传输网和无线网均有各自的 NSSMF。


NSSMF 将子域/子网的能力上报到 NSMF,当获得 NSMF 的分解部署需求后,实现子域/子网内的自治部署和使能,并在运行过程中,对子域/子网的切片网络进行管理和监控。

通过CSMF、NSMF 和 NSSMF 的分解与协同,完成端到端切片网络的设计和实例化部署。
端到端切片的全生命周期管理,包括切片实例创建、监控、释放,如分解网络需求到无线网、承载网、核心网各单域,完成切片 E2E 配置收集各单域信息,汇总形成切片级统计指标,随后进行可视化呈现;与 BSS 系统集成支持行业切片模板设计和上线。


2、5G 切片端到端网络技术典型实现方案


端到端 5G 网络切片包含无线网切片、核心网切片和传输网切片三部分∶

无线网切片

无线的切片资源包括空口资源(频谱、小区),设备资源(AAU、BBU资源);切分方式包括硬切(资源隔离)、软切(资源抢占)。

例如∶在空口资源调度时,能做资源预留(某段空口时频资源给某切片专用,资源隔离)、基于优先级的资源抢占(高优先切片抢占低优先级切片的空口资源)、基于切片业务容量的空口资源保障和限额等。在设备资源调度时,设备资源如CPU、内存、队列等资源被某切片专用或基于切片优先级抢占式的共享使用。

无线网络切片技术实现节奏上分为两个阶段。

第一阶段主要完成无线网络对切片的感知,打通终端接入切片网络的端到端流程,支持切片级优先级(即对切片内用户群设定的群优先级),如对高优先级切片内用户设定最低保障速率,对低优先级切片内用户设定最大速率;在网络拥塞时,高优先级切片内用户可抢占低优先级切片内用户的资源。

第二阶段不同的切片可根据业务需求选择各自最适合的 PHY/MAC/RLC/PDCP 无线协议栈。对于 uRLLC切片,为保证业务低时延及高可靠,PHY 层采用低时延优化的编码方式,MAC 层采用 HARQ 盲重传,RLC 层不采用确认模式;对于 eMBB 切片,为保证大带宽,PHY 层采用大负荷优化的编码方式,MAC 层采用 HARQ 重传,RLC 层采用确认模式;对于 mMTC 切片,为保证深度覆盖及低功耗,PHY 层采用覆盖增加及能耗优化的编码方式,MAC 层采用多次 HARQ 重传来提供深度覆盖,数据面采用 Data over NAS 信令面传输方式。无线切片第一阶段技术已经成熟,第二阶段还在探索中。

核心网切片

SA网络架构下,核心网的各网络功能被化整为零,拆分成众多细颗粒的模块化组件,微服务就是 5GC 核心网网络功能的最小模块化组件。核心网切片实现如下∶


微服务按业务需求不同,进行灵活编排,形成不同的切片。如 FWA 切片,固定终端不需要部署移动性管理,需要部署 CPE 接入管理,另外考虑到 FWA 上承载的 IPTV 业务,需要部署 IPTV 组播功能;如 uRLLC 类切片,因为低时延高可靠性的要求,会话管理中需要增加 1+1 热备份功能,用户面功能增加低时延转发/时延监控等功能。

根据时延或带宽等需求不同,切片的微服务可以灵活部署在网络的不同位置。如FWA切片,因为对于时延不敏感,FWA 切片对应的核心网微服务都可以部署在核心数据中心;而对于uRLLC类切片,因为低时延的要求,切片的用户面微服务必须就近部署在边缘数据中心。对于时延不敏感的信令面微服务,如接入移动性管理以及会话管理功能可按要求部署在核心数据中心或区域数据中心。


各微服务可被不同切片独占或共享。独占模式相当于每个切片各有一套核心网,彼此之间互不影响;或者部分共享部分独占,如某些微服务可以被多个切片共享(如统一的用户接入鉴权管理、统一的用户数据管理、统一的用户策略管理),而其他微服务(移动性管理、会话管理、用户面功能等)每个切片独自各有一套。

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传输网切片

传输网切片的实现分为转发面和控制面两个层面,转发面有光层/IP层硬管道(物理隔离),IP层软管道(层次化 QOS调度);控制面实现各切片间不同的逻辑拓扑以及智能选路。

转发面软硬管道隔离∶

光层硬管道∶通过为不同的业务分配不同的波长(A或者单波长内不同的ODUk(光通道数据单元,即一个波长内不同的时隙单元),实现各切片的光传输资源独占和业务隔离;;

IP 层硬管道∶采用 FlexE(灵活以太)技术实现不同切片分配独享的接口资源,实现基于硬管道的业务隔离(FlexE技术∶Ethernet接口的物理层划分时隙,MAC层灵活选择一个或多个时隙组成可变带宽的接口,例如在5*40G的接口上提供20个10G 的带宽);

IP 层软管道∶通过 TE 隧道技术(TE∶Traffic Engineering,通过在每个路由器节点上配置控制协议协商链路带宽,实现逻辑隧道上各个节点的带宽预留)构建软管道为不同的业务切片分配链路带宽资源,通过 HQos(层次化QOS∶采用多级调度的方式,精细区分不同用户和不同业务的流量,提供区分的带宽管理)实现不同用户不同业务流量的优先级调度。

3、5G切片的产业节奏

由于切片基于5G SA 架构实现,因此切片的商用落地需要运营商、设备商和垂直行业进行紧密的联合技术验证和商业创新,商用落地节奏预计如下∶

1)2020 年-2022年,随着 2020 年 5GSA 商用,未来 1-2 年将逐步成熟,少数对 SLA 有强烈需求的行业将率先在切片领域进行创新探索,如工业互联网、智慧医疗、智能电网、AR/VR/游戏、远程教育等。


2)2023 年及以后,随着 5G 切片技术的进一步成熟,将会有更多的行业选择切片服务。
我国在 5G 切片目前处于领先位置,2018 年巴塞罗那世界移动通信大会上,中国移动、华为、德国电信、Fraunhofer FOKUS、国家电网、中国电力科学研究院、腾讯、意大利电信、大众以及数字王国宣布成立 5G 切片联盟。经过两年的探索,中国运营商在 VR 直播切片、游戏切片、智能电网切片和智能油田切片等多领域都已经进行了大量实践,5G 切片技术已经逐步走向成熟。

三、5G 端到端 SLA 分级建议

1、SLA 指标参考

SLA:双方正式协商达成的协议,有时也称为服务水平保证。它是服务提供商和客户之间的合同(或合同的一部分),旨在建立对服务、优先级、责任等的共同理解。

规范(SLS):可以看做是SLA的技术组件和指标,用来定义纳入SLA 指标参数以及相关门限值。

目前,业界提出了一些 SLA相关标准,结合 GSMA 与 3GPP 标准,5G切片的SLA指标主要包括
"用户带宽、时延、包可靠、吞吐率、定位精度、隔离度等"。

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2、行业SLA需求的马斯洛模型

通过对现有标准的梳理和行业用户需求的调研,我们进行归纳总结后,认为企业对于网络的需求存在"马斯洛模型",基本层级是从基础的业务可用,到安全可信,再到自主可控。

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3、5G切片SLA分级建议

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4、SLA 调色板具体分级建议

单用户带宽等级

该指标可以通过在 UE 侧或server 侧进行灌包测试进行验收,也可以统计规定时间内切片业务成功传输数据进行计算验收。

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时延等级

该指标可以通过在 UE 侧或server 侧进行ping 包测试进行验收,统计数据包的 RTT 时延。

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隔离等级

该指标需要测试某业务切片在背景切片的影响。如视频监控切片在背景切片影响下,用户速率无影响,则为物理隔离,否则为逻辑隔离。

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管理等级

该指标通过在 UE 侧或server 侧操作管理界面验收,根据是否提供对应功能进行判断。

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四、SLA 调色板在典型行业的需求分析

1、医疗行业

目前 5G+医疗健康领域主要开展的应用包括三大类:

一是基于图像与视频实时交互的诊断指导类应用,比如实时远程会诊,无线手术示教等;

二是基于力反馈
总下可
的远程操控类应用,比如远程机器人手术等;

三是基于无线采集类的监测与护理类应用,比如无线输液、移动护理、患者实时位置监测等。

另一方面,从医疗机构的使用场景来看,可将5G 智慧医疗应用分院前、院内、院间三大主要场景,全方位赋能医疗行业。

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医疗行业 SLA 标准分级可分为三大类∶基于图像与视频实时交互的诊断指导类切片、基于力反馈的远程操控类切片、基于无线采集的监测与护理类切片。

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2、制造行业

5G在工业制造行业的深入应用已成为产业界探索
的重要方向。
5G融合云计算、大数据、人工智能等技术。赋能离散型和流程型等工业行业,在设计、制造、质检、运维、安全等关键环节,形成了协同设计、仿真验证、辅助装配、精准操控、柔性加工、视觉检测、远程维护、无人巡检等典型应用场景,降本、提质、增效作用初步显现。

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制造行业 SLA 标准分级可分为三大类∶基于上行高带宽的外围辅助类切片、基于海量信息采集的辅助生产类切片、基于高可靠精准控制的核心生产类切片。

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3、电力行业

电力系统包括发电、输电、变电、配电、用电五大环节,5G凭借其技术优势已应用于电力系统的各个环节,助力清洁友好的发电、安全高效的输变电、灵活可靠的配电、多样互动的用电,加速电网数字化转型升级进程。

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对于发电、输电、变电这三大环节,5G技术主要以移动巡检、视频监控、环境监测等新型业务方式增强电力系统管理能力。在配电环节,5G技术将有效推动配电自动化、柔性化转型。

一方面,通过提升配电设备数字化、网络化、智能化水平,实现配电网设备可管可控,并提升控制的精细化水平;

另一方面,通过5G 实现分布式能源泛在接入和智能化管理,保障配网稳定。在用电环节,5G助力用电端向服务化、智能化方向发展,例如通过支持阶梯电价、实时电价等业务实现精准预测用电需求,并提升供需协同。从目前的应用业务的发展情况看,5G技术对配电和用电环节业务影响较大,变革趋势较为明显。

电力行业SLA标准分级可分为三大类∶基于高清视频的巡检类切片、基于低时延的电网控制类切片、基于无线采集的监测类切片。

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五、发展建议

SLA 作为切片服务提供商和切片用户之间的业务保障协议,将在 5G 行业应用拓展和商业化中发挥关键作用。为了推动 5G 产业的发展和 5G 切片 SLA 分级进一步落地,我们提出以下几方面的建议。

一是呼吁各方积极参与SLA研究。

目前的SLA 研究工作主要以通信运营商和设备商为主,而5G融合应用涉及行业众多,各行业专业性强,需要垂直行业的龙头企业加大参与力度,通过深入沟通了解切片对行业的商业价值,共同探讨下一步研究工作。


二是加快基于SLA 网络切片的测试验证。

目前 SLA 定义网络切片还处于理论性探索阶段,SLA等级划分离某些行业的真正落地还有一定的距离,需要结合行业大量反复的5G 应用试验去判断和调整,并进一步优化 SLA的参数指标,推动标准化相关工作。


三是加速5G 切片SLA商业落地。

通过SLA产业各方的参与,共同探索5G切片的商业模式,加快产品研发,降低行业间沟通的壁垒,推进5G 融合应用的落地,让行业用户早日享受5G技术所带来的红利。

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