5G智慧港口场景的传输网络切片应用

【摘  要】网络切片是5G时代运营商服务垂直行业用户的关键技术之一。首先介绍了网络切片的分级规划及其在传输网中的技术实现，然后通过“智慧港口”场景建设案例分析SPN网络解决方案的组网规划及切片业务部署，并提出5G初期的切片分配规划建议，最后通过方案对比说明网络切片为垂直行业业务带来功能和性能上的显著提升。

【关键词】切片;SPN;5G;低时延

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.004        中图分类号：TN914.3

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）07-0018-06

引用格式：沈铭. 5G智慧港口场景的传输网络切片应用[J]. 移动通信， 2020，44（7）： 18-23.

0   引言

5G不仅是通信技术的一次升级换代，还将从传统的面向大众用户服务拓展到社会各个行业，在网络服务架构带来新的变革，面向垂直行业客户提供各种综合解决方案。5G网絡聚焦三大应用场景，分别为增强移动宽带（eMBB）、超高可靠超低时延通信（uRLLC）、海量机器类通信（mMTC）。三大场景对网络在带宽、时延、连接上的要求差异很大，所需的服务质量不同，如果搭建多张网络提供服务，成本和管理均存在困难。因此业界提出了“网络切片”的思路，在一个基础物理网络上提供不同的“逻辑专网”，满足不同场景的差异化需求。

对于电信运营商，当前面向个人用户的无线和有线宽带业务发展已趋于饱和，垂直行业应用将成为新的利润增长点，催生新的业务类型。目前，交通、电力、港口、医疗、能源等众多行业伙伴对5G网络切片技术表现出了极大的热情，期望与运营商开展深入的合作，创新推动产业升级。

在2019年6月冻结的3GPP R15版本中，首次定义了网络切片的基本功能和流程[1]。5G商用初期，探索网络切片的现网部署和垂直行业场景应用将是一项重要而急迫的工作。

1   网络切片技术

传统4G网络以“一条管道、尽力而为”的形式，为所有用户提供服务。而5G网络切片针对业务差异化、多租户需求，通过功能、性能、隔离、运维等多方面的灵活设计，使得运营商能够基于垂直行业的需求创建定制化的网络[2]，是5G区别于4G的标志性技术之一。

1.1  网络切片分级

网络切片分级是垂直行业引入网络切片的前提。参考中国移动研究院牵头发布的《网络切片分级白皮书》，将切片分为5个能力等级L0～L4，包含公众网的2种等级和行业网的3种等级[3]，如图1所示：

5G公众网与行业网的网络切片可根据相应级别共享或独占无线基站、传输资源、核心网硬件等物理基础设施。不同等级的切片通过无线、传输、核心网和安全及运维等能力的组合，满足各类用户的特有需求。一个端到端的网络切片包含无线网、传输网、核心网的子切片[4]。

无线切片实现网络切片在无线侧的资源隔离和保障。公众网等大多数业务基于QoS（Quality of Service，服务质量）优先级策略保障资源占用，更高级别的业务则通过RB（Resource Block，资源块）资源预留、载波隔离、独立基站方式进行空口资源调度[5]。

传输切片位于无线网和核心网之间，分为软切片和硬切片[6]。软切片基于统计复用的弹性管道，如数据链路层、网络层的VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网络）及QoS调度;硬切片基于物理刚性管道，如时隙、光波长等，隔离度和可靠性更高。

核心网切片实现网络切片在5G核心网部分的资源、组网隔离和服务保障，包括硬件资源层、虚拟资源池、网元功能层的共享和独占[7]。

在上述切片能力等级基础上，还可以叠加时钟同步、设备高处理速度等定制化能力。

1.2  传输网络切片技术实现

区别于核心网和无线基站，传输网是以“网络”而非“节点”形式存在的，其覆盖范围广、承载业务多样、建设难度大，因此几乎不可能如核心网或无线网为某一用户提供“物理独享”的资源，而是在同一张物理网络上通过硬切片或软切片虚拟出多个独立逻辑网络，实现业务层和物理网络解耦。

5G公众网与行业网既有共享，又有区隔，要求传输网络混合硬切片、软切片的方案，硬切片保证业务的隔离安全、低时延等需求，软切片支持业务的带宽统计复用。

SPN（Slicing Packet Network，切片分组网）是中国移动面向5G承载的新一代传输网络，完全兼容分组网的带宽统计复用，并通过FlexE（Flex Ethernet，灵活以太网）接口和SE（Slicing Ethernet，切片以太网）通道支持网络硬切片[8]。FlexE接口采用时分复用方式，提供通道化隔离和多端口绑定能力，实现了以太网MAC与物理媒介层的解耦。SE在FlexE技术基础上，将以太网切片从端口级向网络组网扩展，避免报文经过L2/L3层存储转发，基于以太网64/66B码块的物理层交叉提供确定性低时延、硬隔离的SPN端到端刚性管道。

FlexE的基础结构如图2所示。

其中，FlexE Group为标准以太网速率的物理层，即设备的一个或多个物理端口;FlexE Client为用户接口，支持多种以太网速率;FlexE Shim位于以太网物理层和MAC层之间，完成FlexE Client到FlexE Group携带内容之间的复用和解复用。

SPN网络中，FlexE技术的实际应用有两种方式，一种是“FlexE接口+分组交换”，一种是“端到端FlexE通道（接口+交叉）”，如图3所示。

“FlexE接口+分组交换”方式通过网络侧FlexE接口硬隔离不同类型的业务，数据包在中间节点进行逐跳IP/MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多协议标签交换）交换，适用于普通业务承载。“端到端FlexE通道”方式在接口和中间节点交叉均使用FlexE技术，FlexE交叉相当于在以太网物理层搭了一座桥梁，省去数据包IP转发的缓存、校验、查表、队列调度等过程，实现低时延转发，适用于对时延特别敏感的高等级业务承载。

2   智慧港口场景的传输网络切片部署

5G商用进程不断推进，其提供的超大带宽、超低时延和海量连接特性，在智慧港口的建设运行中，能够突破以往传统方式的局限性，极大提升自动化码头的运营效率，将对港口基础设施、运输组织模式、治理模式等产生深远影响[9]。

2.1  厦门远海码头业务场景需求分析

远海码头位于厦门港海沧港区，是我国首个全自动化集装箱码头，具有无人运输、港机远控、智能理货、智能安防等5G场景应用需求。目前港区已实现5G网络连续覆盖，首先选择AGV（Automated Guided Vehicle，自动导引车）遠程控制、智能理货两种应用场景进行业务开通测试。

AGV沿港区内预定路线无人自动行驶，在规定时间内往返装卸货物，完成全天候不间断作业。港区原自有5.8 G无线网络采用非授权频段，易受外部干扰，可靠性低，时延较大，很难达到电信级的通信标准。为实现AGV自动避让道路障碍，达到准确无误、分秒不差，要求控制信号时延在20 ms以内，极低的丢包率，分解到传输侧的双向时延要求小于3 ms，全程0丢包。

智能理货是以高清视频方式对集装箱信息进行实时采集核对，结合AI技术自动完成箱号等信息数据的识别、箱体验残等一系列动作。传统桥吊通讯系统采用有线光缆传输信号，建设施工难、投资大、维护成本高。为支持15路高清视频的同步回传，实现在线监控和自动理货，要求提供单路40 Mbps的传输速率、100 ms以内的时延，分解到传输侧的速率（视频+通信开销）要求不小于1 Gbps。

2.2  解决方案及传输组网

为满足港区大带宽、低时延、高可靠的业务需求，厦门移动结合全市5G基站、核心网和传输SPN网络的整体规划建设，通过5G SA（Standalone，独立组网）+MEC（Multi-access Edge Computing，多接入边缘计算）+网络切片开通业务，实现AGV远程控制、智能理货等5G场景应用。

AGV远程控制属于低时延高可靠类型的业务。在端到端网络中，由于核心网处理时延基本为固定值，无线基站至终端的空口距离相对光缆长度可忽略不计，空口时延优化空间很小，因此如何降低地面传输时延将是解决低时延问题的关键。

传输侧时延包括光纤传输和设备转发时延。光纤传输时延与光缆长度成正比，设备转发时延与所经设备数量成正比，普通传输设备的转发时延约为30～50 μs/台。降低传输时延从三个角度入手：减少业务经过的光缆长度、设备数量，及降低单台设备转发时延。5G核心网通常处于本地核心节点或省干节点，如厦门海沧港区至核心节点“南数据中心”的光缆长度超过100 km，需经过跨区多层转发，双向所经设备超过20跳，若业务至福州省干，经过光缆长度和设备数量还将大幅增加。对此，采用MEC下沉至汇聚层的方案，缩短港口基站至核心网服务器的物理距离，可减少光缆长度和设备跳数，并应用SPN网络的FlexE交叉技术建立端到端FlexE通道，单台设备转发时延可降低至10～20 μs。

智能理货属于大带宽高可靠类型的业务。高清视频信号可通过港区基站接入5G网络，基站对应的无线DU（Distribution Unit，分布单元）由10 GE光端口连接到同机房接入层SPN设备。当前SPN接入环带宽为50 GE、汇聚环带宽为200 GE，规划每个接入环下带不超过40个5G基站，平均每个基站可分配带宽超过1 Gbps，可满足业务大带宽需求。

另外，港区内还有终端需连接到公网，并需与AGV远程控制、智能理货等生产专网业务进行隔离，确保专网数据安全，因此可通过SPN网络提供多个切片实现不同类型业务的硬隔离。

搭建网络整体结构如图4所示。

AGV、桥吊视频系统通过工业级CPE（Customer Premise Equipment，客户前置设备）空口连接5G基站AAU（Active Antenna Unit，有源天线单元），再经前传网连接到DU，在C-RAN节点接入传输网。

核心网5GC位于核心节点，UPF（User Plane Function，用户面功能）处理公网数据;综合考虑业务性能和维护便利，下沉MEC至与港口临近的骨干汇聚机房，处理港口专网数据。

传输网新建SPN，接入环线路侧带宽为50 GE、汇聚环及核心层链路带宽为200 GE，使用OTN网络解决SPN核心层跨区长距组网。SPN网络在核心节点处与5GC对接，在骨干汇聚节点处与MEC对接。应对核心网云化和MEC下沉后的接入，以及基站间协同等复杂流量、灵活调度的业务需求，SPN应用了动态L3 VPN技术，并通过具备SDN功能的网管实现业务自动化部署。MEC通过点对点专线将处理后的专网数据传送给港口远程控制系统。

MEC下沉汇聚层后，港区基站至骨干汇聚机房的光缆长度仅为8 km，所经SPN设备数量为4跳。

2.3  切片业务承载规划配置

港区不同类型的专网业务与公网业务在无线、传输、核心网三个部分采用相应的切片隔离方案。

两类专网业务使用不同基站接入，即集装箱堆场区域的基站用于AGV远程控制，桥吊区域的基站用于智能理货。所有5G基站均支持公网业务接入，根据当前5G无线设备对切片技术的支持情况，公网业务与专网业务通过QoS区分，专网业务配置高优先级保障。

核心网下沉专用MEC用于港区专网业务处理，公网业务上行至核心节点5GC的UPF處理，专网业务与公网业务在物理硬件资源上分开。

传输SPN网络规划配置3个切片分别用于AGV远程控制、智能理货、公网业务的隔离承载。其中切片1从接入节点至核心节点，配置2个L3 VPN，5G基站至5GC的用户面、信令面、管理数据归属于一个L3 VPN，核心网各网元之间互连业务归属于另一个L3 VPN。切片2和切片3从接入节点至汇聚节点，分别承载AGV远程控制和智能理货业务，数据流向均为5G基站至MEC。各类业务承载切片规划如图5所示。

无线DU设备接入的专网、公网业务以不同的VLAN子接口进入到相应的L3 VPN，由上述规划的切片承载。其中专网业务配置端到端FlexE通道确保低时延转发。

5G初期以大带宽的公网业务为主，规划公网业务切片分配FlexE时隙占环网总带宽的70%。原则上可为每个高价值垂直行业用户新增配置一个切片，每个切片带宽为1个默认时隙粒度5 Gbps，如客户有特殊要求，也可配置多个切片。当前各厂家SPN设备均支持不中断业务的在线时隙调整，后续可根据不同类型业务的带宽需求变化，优化调整带宽。

3   应用成果及方案对比

基于5G SA+MEC+网络切片的智慧港口业务成功上线，AGV、智能理货等5G应用顺利投入日常生产，现场实测端到端的业务时延稳定保持在8 ms左右。

如图6所示，SPN网络配置的专网切片业务在汇聚层终结，通过网管测试对接无线DU与对接MEC的两个用户侧接口之间双向传输时延约0.21 ms。该传输时延的理论计算值为：光纤单位时延（5 μs/km）×光缆长度（8 km）×2+单设备时延（10～20μs）×经过设备数（4跳）×2≈0.2 ms。理论计算值与网管测试结果基本一致。

厦门远海码头港区专网业务的通信方式经历“传统港口无线通信系统”、“5G NSA（Non-Standalone，非独立组网）”、“5G SA+MEC+网络切片”三个阶段，对比如表1所示。

可见，通过5G SA+MEC+网络切片方案解决了原有网络的通信干扰、高时延等问题，测试业务无丢包，时延较传统方案降低96%、较5G NSA方案降低60%，使AGV不再因网络中断、时延过高无法收到控制指令导致作业中断，大幅提高了AGV的连续作业能力与作业可靠性，并同时兼顾港区内的公网业务需求和专网安全性。

4   结束语

提供差异化服务保障的网络切片是5G实现垂直行业“万物互联”愿景的关键技术之一。将网络切片引入部分垂直行业试点，进而大规模部署，可以为垂直行业和电信行业培育及实现潜在的应用创新，加速网络切片的全面商业化[10]。作为端到端网络当中最基础、覆盖范围最广的传输网络，其分组统计复用、时分复用、波分复用等技术天然具备不同类型切片隔离的能力，为了支撑5G公众网和行业网业务的统一承载和分级隔离，目前也在不断进行技术上的融合与完善。通过厦门远海码头“5G智慧港口”项目的实施，SPN网络的FlexE接口、以太网物理层交叉、分层L3 VPN、集中动态重路由等新技术在现网部署中得到了验证。而进一步优化网络切片的架构设计、开发传输切片业务的运维视图将是后续研究工作的重点。

参考文献：

[1]    3GPP. 3GPP TSG SA2 TS 23.501： System Architecture for the 5G System[S]. 2018.

[2]    张晶，徐菲. 5G网络切片技术增强研究[J]. 移动通信， 2020，44（4）： 37-40.

[3]    中国移动研究院，华为技术有限公司，深圳市腾讯计算机系统有限公司，等. 网络切片分级白皮书发布版[R/OL]. （2020-03-24）[2020-05-02]. http：//www.hc.10086.cn/5gic/detail/3080.

[4]    魏垚，谢沛荣. 网络切片标准分析与发展现状[J]. 移动通信， 2019，43（4）： 25-30.

[5]    王燚，罗凤娅，孙国林. 面向5G RAN的网络切片技术[J]. 电信科学， 2018（3）： 124-131.

[6]     王丽莉，姚军. 5G传输网络承载方案分析[J]. 电信科学， 2019（7）： 145-151.

[7]     聂衡，赵慧玲，毛聪杰. 5G核心网关键技术研究[J]. 移动通信， 2019（1）： 2-6.

[8]    IMT-2020（5G）推进组. 5G承载网络架构和技术方案白皮书[R/OL]. （2018-09-28）[2019-03-16]. http：//www.imt2020.org.cn/zh/documents/1.

[9]     赵毅，余娟. 5G技术在航运业中的应用趋势及对策建议

[J]. 上海船舶运输科学研究所学报， 2020（1）： 78-83.

[10]  China Mobile Communications Corporation， Huawei Technologies Co.， Ltd.， Deutsche Telekom AG， Volkswagen. 5G Service-Guaranteed Network Slicing White Paper[R/OL]. （2017-02-28）[2020-05-02]. https：//www.huawei.com/ch-en/press-events/news/ch/2016/5GService-guaranteed-Network-Slicing-New-WhitePaper.

收稿日期：2020-06-01

作者简介

沈铭（orcid.org/0000-0001-7106-7729）：高级工程师，硕士毕业于北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，现任职于中国移动通信集团福建有限公司厦门分公司，从事光传输网规划优化和维护工作，主要研究方向为SDH/PTN/OTN技术和4G/5G承载网。