基于SPN的5G+車聯網的切片技術的應用與研究

陳 騁，南蜀崇（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江杭州 310053）

0 引言

5G 正朝著進一步綜合化、智能化的方向邁進，并促進著物聯網高速發展［1］。作為端到端業務路徑的一部分，基于5G 傳輸承載網需求構建的切片分組網（SPN）可滿足大帶寬、低時延、高效率的綜合業務需求［2］。同時5G 網絡需提供面向垂直行業的應用需求，這要求承載網須具備業務隔離和獨立運維的能力，使不同類型的業務承載在如同相互獨立的物理網絡上［3-4］。

車聯網是5G 業務端到端開通方案中重要應用場景之一，是垂直行業中研究的重點課題，且現階段針對5G+車聯網場景的應用測試和研究較少，當前尚存在大量技術問題亟待解決［5-7］。文獻［5］總體分析了車聯網產業融合、加速發展的趨勢；文獻［6］研究了面向車聯網的MEC 技術并在對應場景進行分析；文獻［7］對5G 車聯網總體架構和車聯網重點案例提出解決方案；文獻［8］對面向5G/6G 的FlexE 時隙分配問題進行探討；文獻［9］對FlexE 切片技術的主要功能和應用場景進行分析。

網絡切片功能是5G SPN網絡的關鍵技術之一，可通過有序整合網絡資源實現特定場景下的用戶和業務需求。從單一業務角度分析，切片技術能夠針對性地滿足各類型業務對網絡的需求。從垂直行業角度分析，切片技術能夠帶來更加獨立的管理模式以及更優的業務能力，促進全新“5G+生態”智慧平臺的構建，帶來大量全新商業模式。從多業務角度分析，切片技術能夠針對性地為各類業務精準劃分出獨立的邏輯網絡資源，實現業務差異化承載并具有獨立管理維護能力。本文旨在傳輸網的分片隔離技術做深度探討，基于切片技術原理和“5G+車聯網”垂直行業網絡部署進行重點分析，通過搭建試驗網進行實際測試并對測試數據進行分析，驗證5G車聯網業務的傳輸網切片功能和業務承載能力。

1 切片技術

1.1 切片技術的分類

切片技術分別通過管理面、控制面、轉發面實現網絡資源的邏輯隔離［10-11］。

管理面隔離后具有功能如下：獨立的切片網絡管理、獨立切片拓撲視圖、分片下的業務管理配置、性能監控、告警和日志、故障處理等。控制面隔離后具有功能如下：分配的標簽控件，標簽分發信令結果，以及切片內的業務轉發路徑計算等。管控融合平臺將隔離后的管理面和控制面功能進行整合，從而實現對業務路徑分析與決策，統籌管理業務發放和運維。使SPN 系統實現基站上線業務快速開通、基礎配置自動化生成與下發、路徑自動規劃等特性。

承載網轉發面的切片技術可分為軟切片技術和硬切片技術，其分類如表1所示［12］。實際建設中，往往需要使用多種隔離技術組合，以達到網絡切片的端到端隔離的效果。

表1 切片技術分類

1.2 基于FlexE技術的原理分析

FlexE技術通過時隙交叉技術無需解析相關節點，做到了基于物理層的用戶業務流轉發，從而使鏈路上單跳設備轉發的時間間隔不大于1 μs，以滿足開通端到端的低時延高可靠通信（uRLLC）場景的超低時延需求［14-15］。

FlexE 基本結構如圖1 所示。FlexE Client 通過64b/66b 的編碼方式將數據流傳遞至FlexE Shim 層；然后將編碼后的數據塊承載在長度為20 Slot的Sub-Calendar 邏輯單元上，整合多個邏輯單元形成Calendar 組件。其中，每個邏輯單元前均有開銷Slot，通過多個開銷Slot 構成開銷幀和開銷復幀形成FlexE 帶內管理通道，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 層實現數據承載與帶寬分配。其中FlexE Group 通過多個以太網PHY 層綁定形成，使得多路低速率MAC 層數據流共享1路或者多路PHY，并實現物理隔離、互不干擾。

圖1 FlexE結構示意圖

圖2為FlexE復用/解復用工作機制示意圖。FlexE復用過程：將不同速率的業務塊通過64b/66b 的編碼并按照分配算法映射至Calendar 組件的指定位置，同時將該業務對應的身份信息映射至FlexE 開銷配置復幀中。FlexE技術屬于剛性管道切片技術，只要有足夠多的空余Slot，就能夠隨時復用進新的業務。FlexE 解復用過程中，在接收端分別實現包括同步、刪除對齊碼和解擾等操作，然后基于FlexE 開銷塊中的對應業務位置信息，提取對應Slot，然后通過64b/66b 解碼模塊解析出完整數據包分配到客戶側。

圖2 FlexE復用/解復用工作機制示意圖

基于FlexE 切片的復用和解復用機制可以實現帶寬的靈活動態調整。通過開銷形成的帶內管理通道可實現子接口之間的配置調整，從而修改Calendar 組件中對應業務的Slot 配置情況，使網絡具備動態調整業務帶寬功能。

2 試驗網設計與實現

2.1 總體SPN網絡部署

車聯網業務屬于端到端業務，試驗網總體部署采用“FlexE 1G 顆粒度+時間同步+三層到邊緣+SR-TP+隨流檢測（iFIT）”技術方案。參考uRLLC 以及車聯網業務規范指標［13］，本試驗網中車聯網業務預期低時延目標為：試驗車輛-控制倉環回總時延<10 ms，承載網時延<3 ms。車聯網總體網絡架構如圖3所示。

圖3 車聯網總體網絡架構

通過搭建SPN 傳輸網絡，將L3 虛擬專用網（VPN）

［6］下沉至接入層，5G 基站業務通過SPN 系統上傳至核心網移動邊緣計算（MEC）［11］平臺，通過省干傳送網將控制信息傳送到網絡云化引擎（NCE）進行試驗。SPN系統將L3 部署至接入層，實現流量的就近轉發；分別將城域核心層SPN-匯聚層SPN、匯聚層SPN 接入層劃分為內部網關協議（IGP）0域和IGP 1域。傳輸承載網架構及具體配置分別如圖4和表2所示。

表2 SPN系統硬件配置

圖4 傳輸承載網架構

2.2 切片功能部署

通過管控融合平臺完成業務路徑分析與決策，統籌管理業務發放和運維。現網部署的新型網管為“管理+控制+分析”平臺，可實現80K 等效SPN 網元數的管理。管控融合平臺通過實時的網絡拓撲搜集及服務等級協議（SLA）數據采集，NCE 完成業務路徑分析與決策，再將優化后的路徑自動下發給SPN 設備。相較于傳統網管系統，理論上可減少業務開通過程中的時間和人力成本。其中，業務發放和運維的人工復雜度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）個基站設備，車聯網業務單基站業務開通時間、設備單跳電路配置數、同環路設備電路配置數以及故障時電路配置數

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分別表示業務涉及基站總數、工作路徑需配置電路數、同環路需配置電路數以及故障時需處理的電路數

A——r1、r2、r3、r4分別對應的復雜度系數，AT=（a，b，c，d）

轉發面采用FlexE 1G 顆粒分片技術，實現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網專享通道1GE的同時，分配1G顆粒普通通道給模擬業務作為參照。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。則業務理論單向時延Tsum可表示為：

式中：

L(i,i+1)——設備i和設備i+1 之間單跳鏈路距離

ti——單向鏈路中第i個設備的時延，1≤i≤n，n為單向鏈路上設備總數。通過圖5可計算接入層至MEC的理論最小傳輸鏈路時延為335 μs，滿足5G uRLLC業務標準

切片功能部署后，通過NCE 將車聯網業務分片從1G 顆粒提升至2G 顆粒，實現FlexE 帶寬調整。基于FlexE 復用/解復用工作機制可以知道FlexE 切片技術能實現帶寬動態調整功能。并在帶寬動態調整前后對時延、丟包率以及抖動敏感度等影響車聯網業務的正常開通的參數進行測試和分析。

2.3 業務承載部署

傳統核心網的配置方案難以滿足車聯網等低時延業務場景的需求，同時會造成帶寬的浪費。因此，核心網通過云化+CU分離方式并將U面下沉實現帶寬的高效利用。此時的低時延業務便能通過下沉至城域核心層的MEC進行處理。

針對上述試驗網，將系統設置①、②、③、④、⑤、⑥共6 個鏈路故障點，對SPN 網絡結構中所有故障場景進行理論分析，并驗證SR技術降低業務中斷風險的功能。共計存在種鏈路中斷場景。假設單鏈路發生中斷概率均為P，則各場景發生概率為p=PN(1 -P)6-N。則所有鏈路中斷場景下車聯網業務不中斷概率的數學期望Q，如式（3）所示。

式中：

pi——第i場景發生的概率

n——車聯網業務不中斷總場景數

N——鏈路中斷的總場景數

3 試驗網測試結果及分析

3.1 切片功能測試

對比傳統網管和管控融合平臺上端到端業務配置，相關對比參數如表3所示。

表3 業務配置情況

從表3 中分析可知，管控融合平臺可提高業務開通效率，業務開通時間降低91.6%，大幅度降低配置時間；管控融合平臺配置電路復雜度較傳統網管系統大大降低，僅需考慮端到端業務的兩端端點，且NCE 自動管理接入層同環路的基站，無需再次配置，試驗網的業務配置人工復雜度降低60%；提高業務穩定性，業務開通以及故障處理均大幅降低人工操作頻率。綜上，總體業務開通配置人工復雜度O大幅減小，測試結果符合部署預期。

圖6為可視化業務時延鏈路。設置工作路徑距離3 跳，通過管控融合平臺可實現業務逐跳、單跳設備和鏈路時延、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 可視化業務鏈路

對比相同條件下的普通業務和車聯網業務的性能指標，車聯網業務性能是否發生擁塞導致時延增加，對FlexE隔離功能進行測試。

由表4 可以知道，車聯網業務時延基本符合理論推導時延結果。常規場景下的車聯網業務和普通業務的時延和丟包率相差不大；但在擁塞場景下，普通業務的時延極速增大，雖L1層的平均速率上升但出現較高丟包情況，通道出現了明顯的劣化，業務的可靠性大大降低。而擁塞場景下的車聯網業務時延幾乎不變，抖動小，且L1 層平均速率穩定，依舊未出現丟包。驗證了車聯網業務中FlexE 切片能夠做到很好的轉發面隔離。車聯網業務中，最大單向時延與平均單向時延之差小于2 μs，保證了專享通道中的業務具有超低時延和時延抖動不敏感的特性，且具有極高的可靠性保障。

表4 不同場景下的不同業務帶寬性能

調整前后業務各參數變化如表5 所示。FlexE 帶寬調整過程中業務L1層平均速率基本不變，業務無中斷、丟包率仍為0%，具有優良的可靠性；最大單向時延與平均單向時延之差小于2 μs，約占總時延的0.5%，保持對抖動不敏感性，FlexE 帶寬動態調整性能完全滿足車聯網業務標準。

表5 FlexE帶寬調整表

3.2 業務承載測試

理論推導共計64 種場景，其中，24 種場景不會發生業務中斷，40 種場景會發生業務中斷。假設單鏈路故障概率P為10%，表6 為鏈路斷點和業務不中斷概率情況。

表6 鏈路斷點和業務不中斷概率情況

測試結果顯示，鏈路不中斷概率為53%，所有鏈路中斷場景下業務不中斷概率的數學期望Q=42.4%。當鏈路故障點為1 時，均能通過自動倒換保證物聯網業務正常開通；當鏈路故障點大于等于4時（大部分由重大災難引發），車聯網業務無法開通。這里主要分析鏈路斷點為2或3時的情況。

當鏈路斷點為2 時，共計存在15 斷點情況，其中5種業務中斷，存在33.3%業務中斷概率。當鏈路斷點為3時，共計20種斷點方式，其中14種業務中斷，存在70%業務中斷概率。其中，部分場景可通過在接入域增加備用路由、將MEC 雙歸在2 個核心節點等方式，提升業務不中斷概率，進一步降低中斷風險，提升網絡安全性。

4 結論

本文通過搭建SPN 試驗網系統，針對車聯網這類5G商用化重點開通業務，對切片功能以及車聯網業務承載功能進行研究。采用“FlexE 1G 顆粒度+時間同步+三層到邊緣+SR-TP+iFIT”技術方案對車聯網業務進行部署。

測試結果表明：試驗網的車聯網業務滿足本文預期時延目標；FlexE 隔離和帶寬調整功能真實有效，且具有較好的低時延和抖動敏感度低的特點；業務承載通過SR保護倒換功能使網絡連接靈活，降低業務中斷風險。本文搭建的SPN 試驗網系統能有效滿足以車聯網業務為主的低時延、高可靠連接的uRLLC 業務開通需求。試驗網部署方案可為后期5G SPN 大規模建設及端到端業務開通打下堅實的基礎，為車聯網業務發展和相關新型交通體系積累實踐經驗。

根據測試結果，針對車聯網這類垂直行業5G應用場景需求，后期計劃根據測試結果調整SPN 網絡部署，進一步提高業務穩定性，降低中斷風險，并在其他地（市）逐步搭建SPN 網絡，促進5G 業務規模化開通，構建“5G+生態”智慧平臺。