垂直行業(yè)應用為什么需要網(wǎng)絡切片

5G新技術使能垂直行業(yè)應用，網(wǎng)絡切片是保障業(yè)務SLA的基礎。5G承載的信道化子接口+FlexE技術可以提供垂直行業(yè)業(yè)務SLA在5G承載網(wǎng)中端到端的保障。

5G連接新時代，一個數(shù)字的變化，一個時代的開啟。移動通訊技術從3G到4G，再演進到5G，聚焦點從人與人的連接，到人與物的連接，再到物與物的連接。移動業(yè)務也從3G、4G時代的2C（個人用戶）場景自然延伸到2B（垂直行業(yè)）場景，也就是說5G開啟了移動通信技術在垂直行業(yè)廣泛應用的新時代。從標準上看，3GPP定義了5G三大業(yè)務場景：

其中eMBB要求把單用戶的接入峰值速率提到1Gbps，uRLLC要求業(yè)務端到端超低時延1ms，mMTC要求在每平方公里的連接數(shù)可以達到一百萬。這三大業(yè)務場景的定義是由5G諸多新技術做為實現(xiàn)支撐，比如Massive?MIMO，新的空口編碼，控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分離，核心網(wǎng)分層次部署等，其中網(wǎng)絡切片技術是實現(xiàn)5G時代業(yè)務隔離，端到端超低時延的基礎。

網(wǎng)絡切片是3GPP標準中的一個概念，其歷史可以追溯到R13/R14，并將在5G時代逐步完善和商用。網(wǎng)絡切片利用網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡（SDN）將單個物理網(wǎng)絡劃分為多個虛擬網(wǎng)絡，其中一個切片代表一個獨立的虛擬化的從無線接入、到承載網(wǎng)，再到核心網(wǎng)的端到端網(wǎng)絡，以滿足多種業(yè)務場景對網(wǎng)絡的不同需求。

首先我們從三個垂直行業(yè)應用對網(wǎng)絡的需求來看為什么需要網(wǎng)絡切片。

第一個垂直行業(yè)應用是高清視頻直播。如下圖所示：

高清視頻直播一般都是由事件驅(qū)動，比如兩會、春晚外場、體育賽事、現(xiàn)場演唱會、游園會，或其他突發(fā)事件。視頻清晰度要求高、突發(fā)臨時性和場地不確定性是這類業(yè)務的主要特點。傳統(tǒng)做法是在直播現(xiàn)場部署一臺裝備著制作播放設備和衛(wèi)星通訊設備的制播車，現(xiàn)場編輯由多個固定機位攝像機拍攝的視頻，制作成直播節(jié)目并通過衛(wèi)星回傳到地面播控平臺，然后再分發(fā)到不同的直播網(wǎng)絡中。

那么在5G時代，高清直播業(yè)務是怎么做呢？以今年央視春晚外場直播為例，如下圖所示：

直播現(xiàn)場不再部署專用的制播車，活動機位攝像機（攝像師或視頻采集車）與CPE連接，將拍攝到的視頻通過5G基站經(jīng)承載網(wǎng)/核心網(wǎng)回傳到制播中心進行云化處理，然后再分發(fā)到不同的直播網(wǎng)絡中?；顒訖C位可以靈活移動，從不同角度捕捉到更多的視頻信息，制播云化處理可以節(jié)省數(shù)百萬的車載制播設備和衛(wèi)星通訊設備。

高清視頻直播業(yè)務對5G網(wǎng)絡的帶寬需求主要是多路4K視頻上傳（每路約30Mbps），時延要求是網(wǎng)絡端到端小于30ms。同時由于直播節(jié)目的實時性要求，高清視頻業(yè)務在網(wǎng)絡中一般由UDP協(xié)議承載。而網(wǎng)絡中的丟包現(xiàn)象會導致UDP承載的視頻業(yè)務出現(xiàn)花屏現(xiàn)象，如下圖：

目前的直播視頻質(zhì)量標準要求每4小時只能出現(xiàn)一次花屏，也就是說要求網(wǎng)絡的丟包率小于1.1*10-6?。

第二個垂直行業(yè)應用是遠程醫(yī)療，如下圖所示：

5G救護車在現(xiàn)有救護車上裝備CPE和音視頻系統(tǒng)，隨時現(xiàn)場出診，救護人員通過音視頻系統(tǒng)將現(xiàn)場病人的情況實時回傳到中心醫(yī)院，主任專家遠程指導醫(yī)療救護；偏遠基層衛(wèi)生所，部署光纖成本高，用5G網(wǎng)絡將診室的音視頻和B超等影像回傳到中心醫(yī)院，各科專家集中會診，病人不用來回奔波。

遠程醫(yī)療業(yè)務對5G網(wǎng)絡的帶寬需求是音視頻+B超影像約30Mbps，業(yè)務端到端時延小于100ms。同時，遠程醫(yī)療要求視頻圖像質(zhì)量必須清晰，不能出現(xiàn)花屏，因此一般采用TCP協(xié)議承載。如果網(wǎng)絡穩(wěn)定性不好，也就是網(wǎng)絡時延抖動大，TCP協(xié)議承載的視頻容易出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。

第三個垂直行業(yè)應用是電力差動保護，如下圖所示：

電力的配電網(wǎng)絡由配電站和輸電線組成，一般配電站里面會有輸電設備、變壓器、配電保護設備(DTU)等。如果全網(wǎng)按照有線連接的方式部署差動保護，光纖需求量大成本高。按照目前差動保護業(yè)務的要求，每個DTU每隔20ms采集24次（0.833ms/次）本地電流值，通過5G網(wǎng)絡發(fā)送給關聯(lián)的DTU。如果一個DTU連續(xù)5次收到的電流值與本地的差值超過閾值，則認為發(fā)送端有故障，斷開相連的電路以保護設備和供電安全。從試驗站點測試結果上看，5G網(wǎng)絡端到端時延15ms，帶寬5M，即可滿足差動保護業(yè)務要求。

由上述三個行業(yè)應用案例可見，視頻直播要求大帶寬，低丟包率；遠程醫(yī)療要求網(wǎng)絡穩(wěn)定，提供確定性時延；電力差動保護要求超低時延。這些業(yè)務流量同時通過一個5G承載網(wǎng)傳輸，如何保證它們要求的不同SLA（服務等級約定）？

現(xiàn)在的移動承載網(wǎng)是基于以太/IP技術，以統(tǒng)計復用和存儲轉(zhuǎn)發(fā)為主要特征，用VPN+QoS技術為不同業(yè)務提供不同的SLA。VPN技術實現(xiàn)軟隔離，業(yè)務流量在虛擬網(wǎng)絡中傳輸；QoS技術通過流量監(jiān)管/整形，擁塞管理/避免等基于共享緩存隊列調(diào)度的機制實現(xiàn)不同業(yè)務的差分服務。如下圖所示：

視頻直播、遠程醫(yī)療和電力差動保護三個業(yè)務同時在一個承載網(wǎng)管道里傳輸數(shù)據(jù)，綠色、藍色、橙色分別代表這三種業(yè)務的VPN流量。承載設備內(nèi)的TM模塊（流量管理）負責不同業(yè)務的QoS處理，紅色虛線代表不同的QoS緩存隊列?？梢赃@樣簡單的理解：QoS技術在一個管道中劃分出不同的車道，業(yè)務流量根據(jù)優(yōu)先級，在相應的車道中傳輸。每個車道代表一定大小的緩存隊列，車道分割線是虛線，在QoS優(yōu)先級調(diào)度機制的作用下，業(yè)務流量可以變更車道。由于緩存資源和MAC地址對各個業(yè)務來說都是共享的，當流量突發(fā)時，各業(yè)務間互相搶占資源，不可避免的會產(chǎn)生擁塞現(xiàn)象，業(yè)務的SLA也就無從保證。

為了實現(xiàn)5G標準的網(wǎng)絡切片規(guī)范， 5G承載網(wǎng)采用信道化子接口+FlexE的靈活切片技術，滿足5G時代垂直行業(yè)嚴格的SLA要求。如下圖所示：

信道化子接口技術作用于承載設備的TM模塊中。根據(jù)業(yè)務的SLA要求，為每個業(yè)務分配相應的硬件緩存資源，相當于在TM模塊中為每個業(yè)務劃分車道，業(yè)務車道之間是實線，業(yè)務流量傳輸過程中不能并線換車道，業(yè)務為車道之內(nèi)是虛線，采用QoS技術進行緩存調(diào)度。業(yè)務車道的最小粒度是1M。緩存資源的獨占，使得各個業(yè)務在TM模塊中得到硬隔離，有效避免流量突發(fā)時，出現(xiàn)各業(yè)務爭搶緩存資源，導致業(yè)務SLA劣化。

FlexE（靈活以太端口子通道）技術是在承載設備的MAC和PHY層之間定義一個FlexE shim層，對物理端口帶寬進行基于時間片的切分。即在大管道物理端口上通過FlexE的時隙復用劃分出若干個子通道端口，把這些子通道端口切片劃分網(wǎng)絡切片的不同切片中，通過硬件的時隙復用實現(xiàn)各個切片之間的業(yè)務在轉(zhuǎn)發(fā)層面上完全隔離。比如50GE端口，分為10個時隙，每個時隙帶寬為5G，按照5G顆粒倍數(shù)進行帶寬分配。目前華為設備的FlexE技術可以做到1G的時隙粒度。每個FlexE切片都有獨立MAC地址，相當于每個切片都是一個物理端口，切片之間是硬隔離互不影響。

將信道化子接口和FlexE技術結合，靈活配置，可以保障承載網(wǎng)端到端的業(yè)務SLA。假設視頻直播要求帶寬500M，時延30ms，丟包率10-6?；遠程醫(yī)療要帶寬300M，時延20ms，抖動1ms；電力業(yè)務要求帶寬50M，時延5ms。如下圖所示：

在承載網(wǎng)接入層的低成本設備上，為每個業(yè)務按照SLA的要求分別配置一個信道化子接口，例如視頻直播信道CIR（承諾保障速率）500M，遠程醫(yī)療信道CIR 300M，電力業(yè)務信道CIR 50M。業(yè)務流量經(jīng)各自的信道子接口傳輸?shù)絽R聚層設備。匯聚層設備根據(jù)各業(yè)務的SLA，將業(yè)務信道子接口跟相應的FlexE切片綁定，比如將要求大帶寬的視頻直播和遠程醫(yī)療綁定到一個2G的切片，將要求低時延的電力業(yè)務綁定到一個1G的切片。業(yè)務信道子接口嵌套在FlexE切片中，業(yè)務流量在硬管道中傳輸，直到承載網(wǎng)絡出口。

綜上所述，信道化子接口+FlexE是5G承載網(wǎng)在網(wǎng)絡切片領域的實現(xiàn)技術，分割獨立緩存資源，物理端口基于時隙切片，兩者靈活組合，業(yè)務流量硬隔離，實現(xiàn)業(yè)務從承載網(wǎng)絡入口到出口的端到端SLA保障。?