5G智慧港口場景的傳輸網絡切片應用

【摘? 要】網絡切片是5G時代運營商服務垂直行業用戶的關鍵技術之一。首先介紹了網絡切片的分級規劃及其在傳輸網中的技術實現，然后通過“智慧港口”場景建設案例分析SPN網絡解決方案的組網規劃及切片業務部署，并提出5G初期的切片分配規劃建議，最后通過方案對比說明網絡切片為垂直行業業務帶來功能和性能上的顯著提升。

【關鍵詞】切片;SPN;5G;低時延

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.004? ? ? ? 中圖分類號：TN914.3

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）07-0018-06

引用格式：沈銘. 5G智慧港口場景的傳輸網絡切片應用[J]. 移動通信， 2020，44（7）： 18-23.

0? ?引言

5G不僅是通信技術的一次升級換代，還將從傳統的面向大眾用戶服務拓展到社會各個行業，在網絡服務架構帶來新的變革，面向垂直行業客戶提供各種綜合解決方案。5G網絡聚焦三大應用場景，分別為增強移動寬帶（eMBB）、超高可靠超低時延通信（uRLLC）、海量機器類通信（mMTC）。三大場景對網絡在帶寬、時延、連接上的要求差異很大，所需的服務質量不同，如果搭建多張網絡提供服務，成本和管理均存在困難。因此業界提出了“網絡切片”的思路，在一個基礎物理網絡上提供不同的“邏輯專網”，滿足不同場景的差異化需求。

對于電信運營商，當前面向個人用戶的無線和有線寬帶業務發展已趨于飽和，垂直行業應用將成為新的利潤增長點，催生新的業務類型。目前，交通、電力、港口、醫療、能源等眾多行業伙伴對5G網絡切片技術表現出了極大的熱情，期望與運營商開展深入的合作，創新推動產業升級。

在2019年6月凍結的3GPP R15版本中，首次定義了網絡切片的基本功能和流程[1]。5G商用初期，探索網絡切片的現網部署和垂直行業場景應用將是一項重要而急迫的工作。

1? ?網絡切片技術

傳統4G網絡以“一條管道、盡力而為”的形式，為所有用戶提供服務。而5G網絡切片針對業務差異化、多租戶需求，通過功能、性能、隔離、運維等多方面的靈活設計，使得運營商能夠基于垂直行業的需求創建定制化的網絡[2]，是5G區別于4G的標志性技術之一。

1.1? 網絡切片分級

網絡切片分級是垂直行業引入網絡切片的前提。參考中國移動研究院牽頭發布的《網絡切片分級白皮書》，將切片分為5個能力等級L0～L4，包含公眾網的2種等級和行業網的3種等級[3]，如圖1所示：

5G公眾網與行業網的網絡切片可根據相應級別共享或獨占無線基站、傳輸資源、核心網硬件等物理基礎設施。不同等級的切片通過無線、傳輸、核心網和安全及運維等能力的組合，滿足各類用戶的特有需求。一個端到端的網絡切片包含無線網、傳輸網、核心網的子切片[4]。

無線切片實現網絡切片在無線側的資源隔離和保障。公眾網等大多數業務基于QoS（Quality of Service，服務質量）優先級策略保障資源占用，更高級別的業務則通過RB（Resource Block，資源塊）資源預留、載波隔離、獨立基站方式進行空口資源調度[5]。

傳輸切片位于無線網和核心網之間，分為軟切片和硬切片[6]。軟切片基于統計復用的彈性管道，如數據鏈路層、網絡層的VPN（Virtual Private Network，虛擬專用網絡）及QoS調度;硬切片基于物理剛性管道，如時隙、光波長等，隔離度和可靠性更高。

核心網切片實現網絡切片在5G核心網部分的資源、組網隔離和服務保障，包括硬件資源層、虛擬資源池、網元功能層的共享和獨占[7]。

在上述切片能力等級基礎上，還可以疊加時鐘同步、設備高處理速度等定制化能力。

1.2? 傳輸網絡切片技術實現

區別于核心網和無線基站，傳輸網是以“網絡”而非“節點”形式存在的，其覆蓋范圍廣、承載業務多樣、建設難度大，因此幾乎不可能如核心網或無線網為某一用戶提供“物理獨享”的資源，而是在同一張物理網絡上通過硬切片或軟切片虛擬出多個獨立邏輯網絡，實現業務層和物理網絡解耦。

5G公眾網與行業網既有共享，又有區隔，要求傳輸網絡混合硬切片、軟切片的方案，硬切片保證業務的隔離安全、低時延等需求，軟切片支持業務的帶寬統計復用。

SPN（Slicing Packet Network，切片分組網）是中國移動面向5G承載的新一代傳輸網絡，完全兼容分組網的帶寬統計復用，并通過FlexE（Flex Ethernet，靈活以太網）接口和SE（Slicing Ethernet，切片以太網）通道支持網絡硬切片[8]。FlexE接口采用時分復用方式，提供通道化隔離和多端口綁定能力，實現了以太網MAC與物理媒介層的解耦。SE在FlexE技術基礎上，將以太網切片從端口級向網絡組網擴展，避免報文經過L2/L3層存儲轉發，基于以太網64/66B碼塊的物理層交叉提供確定性低時延、硬隔離的SPN端到端剛性管道。

FlexE的基礎結構如圖2所示。

其中，FlexE Group為標準以太網速率的物理層，即設備的一個或多個物理端口;FlexE Client為用戶接口，支持多種以太網速率;FlexE Shim位于以太網物理層和MAC層之間，完成FlexE Client到FlexE Group攜帶內容之間的復用和解復用。

SPN網絡中，FlexE技術的實際應用有兩種方式，一種是“FlexE接口+分組交換”，一種是“端到端FlexE通道（接口+交叉）”，如圖3所示。

“FlexE接口+分組交換”方式通過網絡側FlexE接口硬隔離不同類型的業務，數據包在中間節點進行逐跳IP/MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多協議標簽交換）交換，適用于普通業務承載。“端到端FlexE通道”方式在接口和中間節點交叉均使用FlexE技術，FlexE交叉相當于在以太網物理層搭了一座橋梁，省去數據包IP轉發的緩存、校驗、查表、隊列調度等過程，實現低時延轉發，適用于對時延特別敏感的高等級業務承載。

2? ?智慧港口場景的傳輸網絡切片部署

5G商用進程不斷推進，其提供的超大帶寬、超低時延和海量連接特性，在智慧港口的建設運行中，能夠突破以往傳統方式的局限性，極大提升自動化碼頭的運營效率，將對港口基礎設施、運輸組織模式、治理模式等產生深遠影響[9]。

2.1? 廈門遠海碼頭業務場景需求分析

遠海碼頭位于廈門港海滄港區，是我國首個全自動化集裝箱碼頭，具有無人運輸、港機遠控、智能理貨、智能安防等5G場景應用需求。目前港區已實現5G網絡連續覆蓋，首先選擇AGV（Automated Guided Vehicle，自動導引車）遠程控制、智能理貨兩種應用場景進行業務開通測試。

AGV沿港區內預定路線無人自動行駛，在規定時間內往返裝卸貨物，完成全天候不間斷作業。港區原自有5.8 G無線網絡采用非授權頻段，易受外部干擾，可靠性低，時延較大，很難達到電信級的通信標準。為實現AGV自動避讓道路障礙，達到準確無誤、分秒不差，要求控制信號時延在20 ms以內，極低的丟包率，分解到傳輸側的雙向時延要求小于3 ms，全程0丟包。

智能理貨是以高清視頻方式對集裝箱信息進行實時采集核對，結合AI技術自動完成箱號等信息數據的識別、箱體驗殘等一系列動作。傳統橋吊通訊系統采用有線光纜傳輸信號，建設施工難、投資大、維護成本高。為支持15路高清視頻的同步回傳，實現在線監控和自動理貨，要求提供單路40 Mbps的傳輸速率、100 ms以內的時延，分解到傳輸側的速率（視頻+通信開銷）要求不小于1 Gbps。

2.2? 解決方案及傳輸組網

為滿足港區大帶寬、低時延、高可靠的業務需求，廈門移動結合全市5G基站、核心網和傳輸SPN網絡的整體規劃建設，通過5G SA（Standalone，獨立組網）+MEC（Multi-access Edge Computing，多接入邊緣計算）+網絡切片開通業務，實現AGV遠程控制、智能理貨等5G場景應用。

AGV遠程控制屬于低時延高可靠類型的業務。在端到端網絡中，由于核心網處理時延基本為固定值，無線基站至終端的空口距離相對光纜長度可忽略不計，空口時延優化空間很小，因此如何降低地面傳輸時延將是解決低時延問題的關鍵。

傳輸側時延包括光纖傳輸和設備轉發時延。光纖傳輸時延與光纜長度成正比，設備轉發時延與所經設備數量成正比，普通傳輸設備的轉發時延約為30～50 μs/臺。降低傳輸時延從三個角度入手：減少業務經過的光纜長度、設備數量，及降低單臺設備轉發時延。5G核心網通常處于本地核心節點或省干節點，如廈門海滄港區至核心節點“南數據中心”的光纜長度超過100 km，需經過跨區多層轉發，雙向所經設備超過20跳，若業務至福州省干，經過光纜長度和設備數量還將大幅增加。對此，采用MEC下沉至匯聚層的方案，縮短港口基站至核心網服務器的物理距離，可減少光纜長度和設備跳數，并應用SPN網絡的FlexE交叉技術建立端到端FlexE通道，單臺設備轉發時延可降低至10～20 μs。

智能理貨屬于大帶寬高可靠類型的業務。高清視頻信號可通過港區基站接入5G網絡，基站對應的無線DU（Distribution Unit，分布單元）由10 GE光端口連接到同機房接入層SPN設備。當前SPN接入環帶寬為50 GE、匯聚環帶寬為200 GE，規劃每個接入環下帶不超過40個5G基站，平均每個基站可分配帶寬超過1 Gbps，可滿足業務大帶寬需求。

另外，港區內還有終端需連接到公網，并需與AGV遠程控制、智能理貨等生產專網業務進行隔離，確保專網數據安全，因此可通過SPN網絡提供多個切片實現不同類型業務的硬隔離。

搭建網絡整體結構如圖4所示。

AGV、橋吊視頻系統通過工業級CPE（Customer Premise Equipment，客戶前置設備）空口連接5G基站AAU（Active Antenna Unit，有源天線單元），再經前傳網連接到DU，在C-RAN節點接入傳輸網。

核心網5GC位于核心節點，UPF（User Plane Function，用戶面功能）處理公網數據;綜合考慮業務性能和維護便利，下沉MEC至與港口臨近的骨干匯聚機房，處理港口專網數據。

傳輸網新建SPN，接入環線路側帶寬為50 GE、匯聚環及核心層鏈路帶寬為200 GE，使用OTN網絡解決SPN核心層跨區長距組網。SPN網絡在核心節點處與5GC對接，在骨干匯聚節點處與MEC對接。應對核心網云化和MEC下沉后的接入，以及基站間協同等復雜流量、靈活調度的業務需求，SPN應用了動態L3 VPN技術，并通過具備SDN功能的網管實現業務自動化部署。MEC通過點對點專線將處理后的專網數據傳送給港口遠程控制系統。

MEC下沉匯聚層后，港區基站至骨干匯聚機房的光纜長度僅為8 km，所經SPN設備數量為4跳。

2.3? 切片業務承載規劃配置

港區不同類型的專網業務與公網業務在無線、傳輸、核心網三個部分采用相應的切片隔離方案。

兩類專網業務使用不同基站接入，即集裝箱堆場區域的基站用于AGV遠程控制，橋吊區域的基站用于智能理貨。所有5G基站均支持公網業務接入，根據當前5G無線設備對切片技術的支持情況，公網業務與專網業務通過QoS區分，專網業務配置高優先級保障。

核心網下沉專用MEC用于港區專網業務處理，公網業務上行至核心節點5GC的UPF處理，專網業務與公網業務在物理硬件資源上分開。

傳輸SPN網絡規劃配置3個切片分別用于AGV遠程控制、智能理貨、公網業務的隔離承載。其中切片1從接入節點至核心節點，配置2個L3 VPN，5G基站至5GC的用戶面、信令面、管理數據歸屬于一個L3 VPN，核心網各網元之間互連業務歸屬于另一個L3 VPN。切片2和切片3從接入節點至匯聚節點，分別承載AGV遠程控制和智能理貨業務，數據流向均為5G基站至MEC。各類業務承載切片規劃如圖5所示。

無線DU設備接入的專網、公網業務以不同的VLAN子接口進入到相應的L3 VPN，由上述規劃的切片承載。其中專網業務配置端到端FlexE通道確保低時延轉發。

5G初期以大帶寬的公網業務為主，規劃公網業務切片分配FlexE時隙占環網總帶寬的70%。原則上可為每個高價值垂直行業用戶新增配置一個切片，每個切片帶寬為1個默認時隙粒度5 Gbps，如客戶有特殊要求，也可配置多個切片。當前各廠家SPN設備均支持不中斷業務的在線時隙調整，后續可根據不同類型業務的帶寬需求變化，優化調整帶寬。

3? ?應用成果及方案對比

基于5G SA+MEC+網絡切片的智慧港口業務成功上線，AGV、智能理貨等5G應用順利投入日常生產，現場實測端到端的業務時延穩定保持在8 ms左右。

如圖6所示，SPN網絡配置的專網切片業務在匯聚層終結，通過網管測試對接無線DU與對接MEC的兩個用戶側接口之間雙向傳輸時延約0.21 ms。該傳輸時延的理論計算值為：光纖單位時延（5 μs/km）×光纜長度（8 km）×2+單設備時延（10～20μs）×經過設備數（4跳）×2≈0.2 ms。理論計算值與網管測試結果基本一致。

廈門遠海碼頭港區專網業務的通信方式經歷“傳統港口無線通信系統”、“5G NSA（Non-Standalone，非獨立組網）”、“5G SA+MEC+網絡切片”三個階段，對比如表1所示。

可見，通過5G SA+MEC+網絡切片方案解決了原有網絡的通信干擾、高時延等問題，測試業務無丟包，時延較傳統方案降低96%、較5G NSA方案降低60%，使AGV不再因網絡中斷、時延過高無法收到控制指令導致作業中斷，大幅提高了AGV的連續作業能力與作業可靠性，并同時兼顧港區內的公網業務需求和專網安全性。

4? ?結束語

提供差異化服務保障的網絡切片是5G實現垂直行業“萬物互聯”愿景的關鍵技術之一。將網絡切片引入部分垂直行業試點，進而大規模部署，可以為垂直行業和電信行業培育及實現潛在的應用創新，加速網絡切片的全面商業化[10]。作為端到端網絡當中最基礎、覆蓋范圍最廣的傳輸網絡，其分組統計復用、時分復用、波分復用等技術天然具備不同類型切片隔離的能力，為了支撐5G公眾網和行業網業務的統一承載和分級隔離，目前也在不斷進行技術上的融合與完善。通過廈門遠海碼頭“5G智慧港口”項目的實施，SPN網絡的FlexE接口、以太網物理層交叉、分層L3 VPN、集中動態重路由等新技術在現網部署中得到了驗證。而進一步優化網絡切片的架構設計、開發傳輸切片業務的運維視圖將是后續研究工作的重點。

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收稿日期：2020-06-01

作者簡介

沈銘（orcid.org/0000-0001-7106-7729）：高級工程師，碩士畢業于北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，現任職于中國移動通信集團福建有限公司廈門分公司，從事光傳輸網規劃優化和維護工作，主要研究方向為SDH/PTN/OTN技術和4G/5G承載網。