0 引言

    第五代移動通信技術(5G)能夠以全新的網絡架構和性能，賦能應急管理、交通運輸、醫(yī)療健康、智能運維等垂直行業(yè)的信息化發(fā)展，滿足各行業(yè)數(shù)字化轉型的需求。對于5G業(yè)務ITU提出三大應用場景：增強型移動寬帶、高可靠低時延通信和海量連接^[1]，3GPP協(xié)議已經定義通過3種類型的網絡切片支持，從而避免每種業(yè)務都重新建立獨立網絡造成的建網成本巨大和制約業(yè)務發(fā)展的問題。

    5G技術為基于公網構建應急保障專網的可能性提供了理論支撐。網絡切片的引入給網絡帶來了極大的靈活性，主要體現(xiàn)在按需定制、實時部署、動態(tài)保障。公網應急保障場景提出了按需定制、動態(tài)保障、安全穩(wěn)定的需求，網絡切片可以最大化地保障應急專網的拓撲靈活配置和資源專屬可保障的需求，成為應急通信行業(yè)新的解決方案。

    本文從快速構建應急通信專網的應用場景入手，分析了網絡切片在公網應急保障場景中的模板參數(shù)和關鍵技術?；诘湫偷?a class="innerlink" href="http://ccf-cncc2011.cn/tags/應急保障通信系統(tǒng)" target="_blank">應急保障通信系統(tǒng)架構，論證應急保障系統(tǒng)的5G網絡切片實現(xiàn)流程。

1 網絡切片技術

    網絡切片技術是5G網絡的重要特性，該技術可實現(xiàn)將一個物理網絡切割成多個虛擬的端到端的網絡，每個虛擬網絡之間（包括接入、傳輸和核心網）邏輯獨立，任何一個虛擬網絡發(fā)生故障都不會影響到其他的虛擬網絡。網絡切片技術優(yōu)勢在于運營商基于業(yè)務場景的需要，自主定義切片對應的網絡特性，包括延遲、速率、連接密度、頻譜效率、流量容量和網絡效率等，通過網絡配置的靈活性保證用戶體驗。同時，單個切片更改和添加在網絡管理層面具有獨立性，無需考慮對網絡其他部分的影響。在一個網絡切片中，至少可以分為無線網子切片、承載網子切片和核心網子切片三部分，如圖1所示。

    5G標準將不同的業(yè)務應用對網絡的需求歸結為3種典型場景：eMBB切片、uRLLC切片和mMTC切片，不同行業(yè)應用可以使用不同切片網絡進行承載。5G網絡切片具有端到端、業(yè)務隔離、按需定制和自動運維的典型特征，可做到端到端動態(tài)按需部署網絡能力(規(guī)格、位置等)，保證切片具有獨立的生命周期管理，切片之間互不影響，實現(xiàn)自動化運維。

2 應急保障場景

    應急通信通常是指當前通信網絡設施被破壞時，為達到特殊通信保障需求的臨時緊急通信網絡。國家應急管理部2018年提出打造“工專互補、寬窄融合、固移融合”多維無線通信網絡目標，并提出“系統(tǒng)化、扁平化、立體化、智能化、人性化”發(fā)展要求。在搶險救災等應急場景下，5G網絡切片的按需定制和業(yè)務隔離的特點將發(fā)揮重要作用。

    當自然災害發(fā)生時，災區(qū)原有基礎通信設施、道路設施、電力設施等會遭受不同程度的損壞，第一時間的受災信息有效傳輸和現(xiàn)場指揮調度是災害救援的關鍵。主要應用場景包括：

    (1)應急業(yè)務的5G網絡資源優(yōu)先保障

    當自然災害發(fā)生時，災區(qū)原有基礎通信設施遭受不同程度的損壞，由于公網話務量激增，會導致公眾通信擁塞和癱瘓，既無法進行調度指揮，也無法保障政府決策與支持系統(tǒng)的信息傳輸暢通。該場景下，利用當前的可用硬件資源，通過網絡切片重新部署一張?zhí)摂M網絡，優(yōu)先保障救災人員的通信需求。

    (2)本地公用網絡的快速恢復

    對于自然災害導致傳輸網絡中斷的受災場景，由于本地5G基站和省級核心網連接中斷，將導致業(yè)務受阻。通過本地部署5G本地化核心網，在保證用戶簽約數(shù)據(jù)進行人工同步的前提下，可以基于基本完好的災區(qū)基站快速恢復本地移動網絡通信，滿足基本通信需求。

    (3)現(xiàn)場應急通信系統(tǒng)快速構建

    對于自然災害導致本地通信網絡基本癱瘓的受災場景，一方面無法利用公網現(xiàn)有設施通信；另一方面即使是未被破壞的公網設施，也會由于用戶突增導致網絡阻塞。該場景下的應急通信要求具有非常高的機動性、靈活性和適應性?；趹笔酵ㄐ跑?、便攜式基站和系留式無人機等方式，部署網絡切片，把這些應急通信設備接入到網絡中，構建覆蓋災區(qū)的5G臨時應急通信網絡，在保證現(xiàn)場各救援隊伍通信調度的同時，也可以進一步服務于災區(qū)群眾。

    本文將針對5G公網應急優(yōu)先保障場景進行重點論述。

3 公網優(yōu)先保障方案

3.1 性能指標要求

    公網應急資源優(yōu)先保障場景主要包括面向搶險救災專業(yè)人員和普通公眾用戶的兩類網絡切片。

    (1)搶險救災專業(yè)人員

    保障救災人員具備基本聯(lián)網能力，保障接入成功率和接入用戶數(shù)量，并保證一定的通話質量。

    (2)普通公眾用戶

    保障普通公眾用戶具備基本的聯(lián)網通信能力和一定的接入成功率。

    由于在應急保障通信系統(tǒng)中，應急業(yè)務的5G網絡資源優(yōu)先保障，因此這兩個網絡切片端到端的網絡性能不盡相同，具體性能指標如表1和表2所示^[2]。

3.2 應急保障切片實現(xiàn)方案

    端到端網絡切片部署是由切片管理系統(tǒng)將切片租戶需求分解為無線、傳輸、核心網各域的網絡配置參數(shù)，如圖2所示。由于網絡配置參數(shù)包含QoS相關參數(shù)(時延、速率、丟包率、抖動等)、容量相關參數(shù)(用戶數(shù)、激活用戶數(shù))、業(yè)務相關參數(shù)(覆蓋區(qū)域、應用場景、安全隔離)等眾多內容，因此合理分配配置參數(shù)將直接影響切片能否滿足切片業(yè)務的需求^[3]。

    在網絡切片部署中，給出合理的無線、傳輸、核心網子切片模型以及部署資源需求、配置參數(shù)推薦，能最大化匹配租戶需求和提升網絡資源使用效率。

3.2.1 應急保障切片創(chuàng)建

    5G網絡切片包括切片設計、部署使能、切片運行、閉環(huán)優(yōu)化、運維、能力開放等。為了保證切片的敏捷的特征和業(yè)務獨特性，切片可以定制化設計，包括切片模版設計(GST)和實例化設計。模版設計階段通過通信服務管理功能(CSMF)、切片管理功能(NSMF)和子切片管理功能(NSSMF)的協(xié)同，實現(xiàn)能力通報、能力分解和能力匹配。在切片實例化設計階段，需要根據(jù)具體訂單需求觸發(fā)：當租戶需要使用網絡切片時，可以選用預置的切片模板或定制模版，并通過CSMF、NSMF和NSSMF逐層確認部署信息，進行實例化部署，產生一個可用的切片網絡。

    根據(jù)表1和表2信息可知，救災用戶對網絡時延、可靠性等性能指標要求較高，可以在eMBB和uRLLC切片的基礎上定制不同業(yè)務和等級的子切片。而普通用戶只要支持基本的接入能力即可，對性能指標要求較低，但是接入量會比較頻繁，可以在eMBB切片的基礎上定制不同業(yè)務和等級的子切片。結合應急保障場景中不同用戶的個性化需求，圖3流程可以實現(xiàn)網絡切片按需定制，相關流程如下：

    (1)救災指揮中心登錄門戶網站訂購服務，結合自己的需求選擇訂單及SLA，例如用戶對于接入成功率有要求，則選擇“高可靠”切片，可保證資源的占有率，同時選擇好其他SLA參數(shù)(如最大用戶數(shù)、切片服務區(qū)域、切片中終端的移動等級、切片資源共享等級)；

    (2)切片管理系統(tǒng)根據(jù)租戶對切片的SLA要求進行接入網、傳輸網、核心網等的SLA分解，進而進行各域資源配置，包括帶寬、時延等。切片設計完成后，進行測試驗證，避免設計過程存在問題，早發(fā)現(xiàn)早解決；

    (3)救災中心在“切片商城”選擇滿足自己需求的切片，并提交訂單進行付費；

    (4)切片設計完成測試驗證，且用戶完成付費后，進行在線部署激活自動開通，該過程包含切片的運維過程(如：智能監(jiān)控、故障排除等)。

3.2.2 應急保障切片管理

    網絡切片的目的在于根據(jù)不同業(yè)務迥然不同的業(yè)務需求靈活地進行資源分配。在資源分配的過程中，如果無線接入網、承載網和核心網各自為政，缺乏全局的資源調配，網絡切片勢必難以達到其應有的效果。因此，5G對網絡切片采用橫跨無線接入網、承載網和核心網的端到端切片管理架構，實現(xiàn)對各類資源及QoS的端到端管理。應急保障網絡端到端管理架構如圖4所示。

    5G網絡切片分配的資源情況與網絡切片類型以及其所提供的服務密切相關，網絡切片管理過程中需要通過參數(shù)表明切片性能指標，以指導切片資源分配的過程。

    網絡切片必須滿足其上運行業(yè)務的服務等級(Service Level Agreement，SLA)的要求，該要求可以通過網絡參數(shù)進行描述。單個切片的管理參數(shù)分為3類：描述切片服務質量的QoS參數(shù)、描述切片服務能力的容量參數(shù)和描述其所支持業(yè)務類型的業(yè)務參數(shù)^[4]。切片管理過程中，切片管理系統(tǒng)需要將切片參數(shù)依據(jù)實際需求分解至各個子網。

3.2.3 應急保障切片資源調配

    隨著災情的發(fā)展，不可預知的情況也非常復雜，網絡也需要做動態(tài)的調整和部署，切片網絡的復雜性使得網絡切片資源動態(tài)調整和調度面臨很大挑戰(zhàn)。其中，切片資源智能調配可以解決應急保障網絡需求的快速變化導致的網絡切片資源動態(tài)調配和管理問題，如圖5所示，基于切片業(yè)務量預測和根據(jù)預測結果制定切片資源調整策略，相應流程如下。

    在資源調配系統(tǒng)中，災情現(xiàn)場的業(yè)務數(shù)據(jù)(例如：區(qū)域的基礎設施恢復程度、災區(qū)的交通恢復程度、區(qū)域的醫(yī)療救護等)將通過切片管理系統(tǒng)傳送給業(yè)務量預測模板；業(yè)務量預測模塊進行數(shù)據(jù)分析、業(yè)務量預測，并將預測結果發(fā)送給智能策略模塊。針對分析結果，智能策略模塊可以制定相應的資源配置策略，并下發(fā)給切片管理系統(tǒng)，實時調整不同切片之間的資源，實現(xiàn)閉環(huán)自愈。該閉環(huán)管理模式可以保證最優(yōu)的網絡資源配比。

    切片資源智能調配系統(tǒng)通過與切片管理系統(tǒng)對接，智能地調配切片資源，可以高效解決業(yè)務需求高動態(tài)帶來的網絡切片管理問題，滿足不同應急保障場景的差異化需求，提供端到端QoS保障能力。

4 結論

    本文從快速構建應急通信專網的應用場景入手，分析了應急保障通信系統(tǒng)的各種場景對網絡的性能需求，提出了一種面向公網應急資源優(yōu)先保障的5G網絡切片的技術方案。基于典型的應急保障通信系統(tǒng)架構，論述了應急保障系統(tǒng)的5G網絡切片實現(xiàn)流程。該方案可實現(xiàn)應急業(yè)務的5G網絡資源優(yōu)先保障，保證信息的實時交互與共享，提升信息決策的科學性和及時性。

參考文獻

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[2] 中國電信北京研究所，華為技術有限公司，國網江蘇省電子公司.5G網絡切片使能智能電網[Z].2018.

[3] IMT-2020(5G)推進組.基于AI的智能切片管理和協(xié)同白皮書[Z].2019.

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

作者信息:

王秋紅，朱雪田

(中國電信股份有限公司研究院，北京102209)