摘要：5G新技術(shù)使能垂直行業(yè)應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)切片是保障業(yè)務(wù)SLA的基礎(chǔ)。5G承載的信道化子接口+FlexE技術(shù)可以提供垂直行業(yè)業(yè)務(wù)SLA在5G承載網(wǎng)中端到端的保障。
5G連接新時(shí)代，一個(gè)數(shù)字的變化，一個(gè)時(shí)代的開(kāi)啟。移動(dòng)通訊技術(shù)從3G到4G，再演進(jìn)到5G，聚焦點(diǎn)從人與人的連接，到人與物的連接，再到物與物的連接。移動(dòng)業(yè)務(wù)也從3G、4G時(shí)代的2C（個(gè)人用戶）場(chǎng)景自然延伸到2B（垂直行業(yè)）場(chǎng)景，也就是說(shuō)5G開(kāi)啟了移動(dòng)通信技術(shù)在垂直行業(yè)廣泛應(yīng)用的新時(shí)代。從標(biāo)準(zhǔn)上看，3GPP定義了5G三大業(yè)務(wù)場(chǎng)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(wù)端到端超低時(shí)延1ms，mMTC要求在每平方公里的連接數(shù)可以達(dá)到一百萬(wàn)。這三大業(yè)務(wù)場(chǎng)景的定義是由5G諸多新技術(shù)做為實(shí)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(luò)切片技術(shù)是實(shí)現(xiàn)5G時(shí)代業(yè)務(wù)隔離，端到端超低時(shí)延的基礎(chǔ)。
網(wǎng)絡(luò)切片是3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)概念，其歷史可以追溯到R13/R14，并將在5G時(shí)代逐步完善和商用。網(wǎng)絡(luò)切片利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）將單個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，其中一個(gè)切片代表一個(gè)獨(dú)立的虛擬化的從無(wú)線接入、到承載網(wǎng)，再到核心網(wǎng)的端到端網(wǎng)絡(luò)，以滿足多種業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)的不同需求。本文從承載網(wǎng)的角度，闡述信道化技術(shù)和FlexE技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)承載網(wǎng)切片。
首先我們從三個(gè)垂直行業(yè)應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求來(lái)看為什么需要網(wǎng)絡(luò)切片。
第一個(gè)垂直行業(yè)應(yīng)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(dòng)，比如兩會(huì)、春晚外場(chǎng)、體育賽事、現(xiàn)場(chǎng)演唱會(huì)、游園會(huì)，或其他突發(fā)事件。視頻清晰度要求高、突發(fā)臨時(shí)性和場(chǎng)地不確定性是這類業(yè)務(wù)的主要特點(diǎn)。傳統(tǒng)做法是在直播現(xiàn)場(chǎng)部署一臺(tái)裝備著制作播放設(shè)備和衛(wèi)星通訊設(shè)備的制播車，現(xiàn)場(chǎng)編輯由多個(gè)固定機(jī)位攝像機(jī)拍攝的視頻，制作成直播節(jié)目并通過(guò)衛(wèi)星回傳到地面播控平臺(tái)，然后再分發(fā)到不同的直播網(wǎng)絡(luò)中。
那么在5G時(shí)代，高清直播業(yè)務(wù)是怎么做呢？以今年央視春晚外場(chǎng)直播為例，如下圖所示：
直播現(xiàn)場(chǎng)不再部署專用的制播車，活動(dòng)機(jī)位攝像機(jī)（攝像師或視頻采集車）與CPE連接，將拍攝到的視頻通過(guò)5G基站經(jīng)承載網(wǎng)/核心網(wǎng)回傳到制播中心進(jìn)行云化處理，然后再分發(fā)到不同的直播網(wǎng)絡(luò)中。活動(dòng)機(jī)位可以靈活移動(dòng)，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(wàn)的車載制播設(shè)備和衛(wèi)星通訊設(shè)備。
高清視頻直播業(yè)務(wù)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求主要是多路4K視頻上傳（每路約30Mbps），時(shí)延要求是網(wǎng)絡(luò)端到端小于30ms。同時(shí)由于直播節(jié)目的實(shí)時(shí)性要求，高清視頻業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中一般由UDP協(xié)議承載。而網(wǎng)絡(luò)中的丟包現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致UDP承載的視頻業(yè)務(wù)出現(xiàn)花屏現(xiàn)象，如下圖：
目前的直播視頻質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求每4小時(shí)只能出現(xiàn)一次花屏，也就是說(shuō)要求網(wǎng)絡(luò)的丟包率小于1.1*10-6 。
第二個(gè)垂直行業(yè)應(yīng)用是遠(yuǎn)程醫(yī)療，如下圖所示：
5G救護(hù)車在現(xiàn)有救護(hù)車上裝備CPE和音視頻系統(tǒng)，隨時(shí)現(xiàn)場(chǎng)出診，救護(hù)人員通過(guò)音視頻系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)病人的情況實(shí)時(shí)回傳到中心醫(yī)院，主任專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)醫(yī)療救護(hù)；偏遠(yuǎn)基層衛(wèi)生所，部署光纖成本高，用5G網(wǎng)絡(luò)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(huì)診，病人不用來(lái)回奔波。
遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求是音視頻+B超影像約30Mbps，業(yè)務(wù)端到端時(shí)延小于100ms。同時(shí)，遠(yuǎn)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(luò)穩(wěn)定性不好，也就是網(wǎng)絡(luò)時(shí)延抖動(dòng)大，TCP協(xié)議承載的視頻容易出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。
第三個(gè)垂直行業(yè)應(yīng)用是電力差動(dòng)保護(hù)，如下圖所示：
電力的配電網(wǎng)絡(luò)由配電站和輸電線組成，一般配電站里面會(huì)有輸電設(shè)備、變壓器、配電保護(hù)設(shè)備(DTU)等。如果全網(wǎng)按照有線連接的方式部署差動(dòng)保護(hù)，光纖需求量大成本高。按照目前差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)的要求，每個(gè)DTU每隔20ms采集24次（0.833ms/次）本地電流值，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給關(guān)聯(lián)的DTU。如果一個(gè)DTU連續(xù)5次收到的電流值與本地的差值超過(guò)閾值，則認(rèn)為發(fā)送端有故障，斷開(kāi)相連的電路以保護(hù)設(shè)備和供電安全。從試驗(yàn)站點(diǎn)測(cè)試結(jié)果上看，5G網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延15ms，帶寬5M，即可滿足差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)要求。
由上述三個(gè)行業(yè)應(yīng)用案例可見(jiàn)，視頻直播要求大帶寬，低丟包率；遠(yuǎn)程醫(yī)療要求網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，提供確定性時(shí)延；電力差動(dòng)保護(hù)要求超低時(shí)延。這些業(yè)務(wù)流量同時(shí)通過(guò)一個(gè)5G承載網(wǎng)傳輸，如何保證它們要求的不同SLA（服務(wù)等級(jí)約定）？
現(xiàn)在的移動(dòng)承載網(wǎng)是基于以太/IP技術(shù)，以統(tǒng)計(jì)復(fù)用和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)為主要特征，用VPN+QoS技術(shù)為不同業(yè)務(wù)提供不同的SLA。VPN技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟隔離，業(yè)務(wù)流量在虛擬網(wǎng)絡(luò)中傳輸；QoS技術(shù)通過(guò)流量監(jiān)管/整形，擁塞管理/避免等基于共享緩存隊(duì)列調(diào)度的機(jī)制實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的差分服務(wù)。如下圖所示：
視頻直播、遠(yuǎn)程醫(yī)療和電力差動(dòng)保護(hù)三個(gè)業(yè)務(wù)同時(shí)在一個(gè)承載網(wǎng)管道里傳輸數(shù)據(jù)，綠色、藍(lán)色、橙色分別代表這三種業(yè)務(wù)的VPN流量。承載設(shè)備內(nèi)的TM模塊（流量管理）負(fù)責(zé)不同業(yè)務(wù)的QoS處理，紅色虛線代表不同的QoS緩存隊(duì)列。可以這樣簡(jiǎn)單的理解：QoS技術(shù)在一個(gè)管道中劃分出不同的車道，業(yè)務(wù)流量根據(jù)優(yōu)先級(jí)，在相應(yīng)的車道中傳輸。每個(gè)車道代表一定大小的緩存隊(duì)列，車道分割線是虛線，在QoS優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制的作用下，業(yè)務(wù)流量可以變更車道。由于緩存資源和MAC地址對(duì)各個(gè)業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)都是共享的，當(dāng)流量突發(fā)時(shí)，各業(yè)務(wù)間互相搶占資源，不可避免的會(huì)產(chǎn)生擁塞現(xiàn)象，業(yè)務(wù)的SLA也就無(wú)從保證。
為了實(shí)現(xiàn)5G標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)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(shù)，滿足5G時(shí)代垂直行業(yè)嚴(yán)格的SLA要求。如下圖所示：
信道化子接口技術(shù)作用于承載設(shè)備的TM模塊中。根據(jù)業(yè)務(wù)的SLA要求，為每個(gè)業(yè)務(wù)分配相應(yīng)的硬件緩存資源，相當(dāng)于在TM模塊中為每個(gè)業(yè)務(wù)劃分車道，業(yè)務(wù)車道之間是實(shí)線，業(yè)務(wù)流量傳輸過(guò)程中不能并線換車道，業(yè)務(wù)為車道之內(nèi)是虛線，采用QoS技術(shù)進(jìn)行緩存調(diào)度。業(yè)務(wù)車道的最小粒度是1M。緩存資源的獨(dú)占，使得各個(gè)業(yè)務(wù)在TM模塊中得到硬隔離，有效避免流量突發(fā)時(shí)，出現(xiàn)各業(yè)務(wù)爭(zhēng)搶緩存資源，導(dǎo)致業(yè)務(wù)SLA劣化。
FlexE（靈活以太端口子通道）技術(shù)是在承載設(shè)備的MAC和PHY層之間定義一個(gè)FlexE shim層，對(duì)物理端口帶寬進(jìn)行基于時(shí)間片的切分。即在大管道物理端口上通過(guò)FlexE的時(shí)隙復(fù)用劃分出若干個(gè)子通道端口，把這些子通道端口切片劃分網(wǎng)絡(luò)切片的不同切片中，通過(guò)硬件的時(shí)隙復(fù)用實(shí)現(xiàn)各個(gè)切片之間的業(yè)務(wù)在轉(zhuǎn)發(fā)層面上完全隔離。比如50GE端口，分為10個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙帶寬為5G，按照5G顆粒倍數(shù)進(jìn)行帶寬分配。目前華為設(shè)備的FlexE技術(shù)可以做到1G的時(shí)隙粒度。每個(gè)FlexE切片都有獨(dú)立MAC地址，相當(dāng)于每個(gè)切片都是一個(gè)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(shù)結(jié)合，靈活配置，可以保障承載網(wǎng)端到端的業(yè)務(wù)SLA。假設(shè)視頻直播要求帶寬500M，時(shí)延30ms，丟包率10-6 ；遠(yuǎn)程醫(yī)療要帶寬300M，時(shí)延20ms，抖動(dòng)1ms；電力業(yè)務(wù)要求帶寬50M，時(shí)延5ms。如下圖所示：
在承載網(wǎng)接入層的低成本設(shè)備上，為每個(gè)業(yè)務(wù)按照SLA的要求分別配置一個(gè)信道化子接口，例如視頻直播信道CIR（承諾保障速率）500M，遠(yuǎn)程醫(yī)療信道CIR 300M，電力業(yè)務(wù)信道CIR 50M。業(yè)務(wù)流量經(jīng)各自的信道子接口傳輸?shù)絽R聚層設(shè)備。匯聚層設(shè)備根據(jù)各業(yè)務(wù)的SLA，將業(yè)務(wù)信道子接口跟相應(yīng)的FlexE切片綁定，比如將要求大帶寬的視頻直播和遠(yuǎn)程醫(yī)療綁定到一個(gè)2G的切片，將要求低時(shí)延的電力業(yè)務(wù)綁定到一個(gè)1G的切片。業(yè)務(wù)信道子接口嵌套在FlexE切片中，業(yè)務(wù)流量在硬管道中傳輸，直到承載網(wǎng)絡(luò)出口。
綜上所述，信道化子接口+FlexE是5G承載網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)切片領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，分割獨(dú)立緩存資源，物理端口基于時(shí)隙切片，兩者靈活組合，業(yè)務(wù)流量硬隔離，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)從承載網(wǎng)絡(luò)入口到出口的端到端SLA保障。
