工业场景下的5G网络切片部署方案

白月维 张慧丽,2 孟亚东 初彦萍,2

（1.河北电信设计咨询有限公司，河北石家庄 050021；2.石家庄市宽带接入与传送网络优化技术创新中心，河北石家庄 050021）

5G时代，行业客户将万物引入网络，之前人与人通信对网络模型的要求是一致的，万物互联后，对网络模型的要求碎片化，抄表类的连接与车联网类的连接对网络模型的要求完全不同，如服务时间、带宽要求、时延要求、终端数量规模等都存在差异。为了提供差异化信号传输服务，5G网络必须做到“一专多能”，网络切片技术成为打造5G网络多元化和差异化服务能力的关键技术之一。

1.5G在工业领域应用场景

1.1 工业自动化控制

自动化控制是制造工厂中最基础的应用，核心是闭环控制系统。典型的闭环控制过程，周期低至ms级别，所以要求通信系统的时延达到ms级别甚至更低才能保证控制系统实现精确控制，对可靠性也有极高的要求[1]。如果通信系统本身时延过大，或者在数据传送时数据误码率较高，可能导致生产过程中良品率下降甚至引起生产停机，造成巨大的财产损失。因此，低延时、高可靠的网络是保证整个生产线正常运行的必要条件。

5G网络可提供超低时延、超高带宽、超大连接的网络能力，使得闭环控制应用通过5G网络连接成为可能。

1.2 基于云端控制的工业机器人

在智能制造生产场景中，需要机器人有自组织和协同的能力来满足柔性生产的要求，基于云端控制的机器人是最佳选择。和传统的机器人相比，云化机器人需要通过网络连接到云端的控制中心[2]。

5G网络可以达到低至1ms的空口时延，并且支持99.999%的连接可靠性，同时具备Gbps级别的数据传输速率，使5G能够满足云端控制机器人对时延、可靠性、大带宽的挑战。5G网络的上述能力，通过特有的网络切片技术为云化机器人应用提供端到端定制化的专属网络。

1.3 云AR

在未来智能工厂生产过程中，增强现实AR将发挥重要作用，在智能制造过程中可用于监控流程和生产流程；生产任务分步指引，如手动装配过程指导；远程专家业务支撑，如远程维护[3]。云AR终端仅具备连接和显示等功能，信息处理功能上移到云端，AR终端和云端通过5G网络连接，云AR使AR终端成本大幅降低，可获得云端无限能力，必将得到大量应用。

AR终端通过5G网络实时获取必要的信息，如生产环境数据、生产设备数据、以及故障处理指导信息。AR终端的显示内容必须与AR终端中摄像头的运动同步，才能避免视觉失步现象。通常从视觉移动到AR图像反应时间低于20ms，才会有较好的同步性，所以要求从摄像头传送数据到云端，再到AR显示内容的云端回传时间需要小于20ms，除去屏幕刷新和云端处理的时延，要求无线网络的双向传输时延在10ms以内才能满足实时性体验的需求[4]。5G网络空口时延可以达到低至1ms，能够满足云AR的时延要求。

1.4 物联网

5G网络带来更快的网速，使大规模设备互联、大数据交互成为可能，有力地推动了物联网发展。3GPP协议中定义的5G三大场景包含了丰富的功能应用需求，如eMBB能支撑远程视频监控、视频会议等高带宽的应用场景；mMTC能满足大量低功耗嵌入式终端的数据连接与传输需求，uRLLC能满足远程手术、自动驾驶等对时延和可靠性要求较高的应用场景。

1.5 4K/8K超高清视频

超高清视频技术与工业互联网结合，可以实现产品缺陷的精细识别、精密定位测量等环节。超高清视频技术与机器视觉、人工智能等新技术结合，依托5G所特有的广域移动能力、大带宽、低时延的网络特性，可应用于机器人巡检、人机协作交互等场景，提高工业自动化、智能化水平。

2.切片划分

切片可以根据业务、区域、虚拟运营商、用户等进行划分，以满足不同业务和区域的特定要求。

2.1 按业务划分

不同的垂直行业中的业务有不同的SLA要求，可以针对特定的业务划分不同的切片，比如：

（1）eMBB切片：VR/AR、超高清视频等。

（2）mMTC切片：智慧城市、智慧农业等。

（3）uRLLC切片：自动驾驶、远程医疗等。

2.2 按区域划分

根据区域进行切片划分，运营商在建立覆盖全国的大切片的基础上也可以针对不同工业园区、商业中心、体育场所等流量大或连接比较密集的区域建立热点切片。当终端进入该区域的时候可以优先接入该热点切片，离开该区域时可以接入更大的切片。

2.3 按虚拟运营商划分

针对不同的虚拟运营商建立不同的切片，以保证各个运营商能够进行独立的运营。

2.4 按用户划分

针对不同的用户群组（比如不同的用户行为、用户的网络环境等）进行划分以提供差异化或定制服务。

3.切片部署策略

切片可以根据不同的SLA、成本等要求采取不同的部署策略。

3.1 分布式部署与集中部署

针对不同的SLA的要求，如时延、带宽等要求进行不同的部署，在全国建立多级数据中心，如全国数据中心、区域数据中心、边缘数据中心等。比如uRLLC切片的UPF下沉部署在边缘数据中心，甚至站点机房中，而对于mMTC切片的UPF可以集中部署在全国数据中心，如图1所示。

图1 切片部署策略示意图

3.2 共享与独立部署

通过权衡成本、安全性、隔离性等要求采用不同网元的共享类型，如GROUP A、B、C等，如表1所示。

表1 不同共享类型的特点和应用场景

在Group A架构中，控制面和媒体面网元都不共享，实现不同核心网实例之间的逻辑隔离，UE可以从不同的核心网实例获取服务。其特点是在每个网络切片内都有独立的签约管理/移动管理功能来处理UE的业务请求。Group A架构会有增加网络和空口信令的潜在副作用，但是另一方面，网络的核心网部分是最容易实现隔离的。

在Group B架构中，部分控制面网元共享，媒体面和其他部分控制面网元不共享。

在Group C架构中，控制面网元在网络切片之间是共用的，而媒体面网元对于不同的网络切片是分别处理的。

上述3种潜在的网络切片解决方案架构，最终采纳Group B，如图2所示，Group C作为特例归入Group B，Group A不再继续考虑。

图2 Group B解决方案架构

一个网络切片是在一个PLMN内部定义的，并且应该包括核心网控制面和用户面网络功能。以及在服务PLMN中至少还包括以下其中一项：下一代无线接入网络NG-RAN、非3GPP网络互通功能N3IWF和非3GPP接入网络。

对于每个PLMN，一个PDU会话属于且仅属于一个特性的网络切片实例。尽管不同的网络切片可能具有相同的DNN编号，但是不同的网络切片实例不共享PDU会话。

通过网络切片实例建立到数据网络的用户面连接包含2个步骤：首先执行注册管理流程，选择一个包含所需切片集合的AMF；然后通过一个或多个网络切片实例建立一到多个到目标数据网络的PDU会话。

4.终端切片选择

运营商可以针对不同组的UE部署多个提供完全相同特征的不同网络切片实例。为UE提供服务的AMF网元在逻辑上属于为UE提供服务的网络切片实例，即对于服务于UE的网络切片实例该AMF网元是共享的。

在UE和AMF交互的注册流程中网络为UE选择网络切片实例集合，切片选择过程中AMF一般会和NSSF交互，并且有可能触发改变当前注册的AMF。

终端会根据PCF下发给UE的URSP（UE Route Selection Policy）中的切片选择策略NSSP进行切片的选择。策略的匹配根据应用的名称或者APPID，如Game App选择切片S-NSSAI-a，APP1、APP2选择切片 S-NSSAI-b，匹配不上的则选择切片S-NSSAI-c。

5.网络切片方案

基于运营商全网架构提供端到端切片实现方案需要针对统一的网络基础设施资源进行统一资源管理和资源调度。端到端切片实现方案基于完整的逻辑网络，包括核心网、传输网、5G接入网等，如图3所示。不同切片间相互隔离、互不影响，为不同的业务场景分配不同的虚拟资源，通过切片配置提供差异化的服务。同时，在本地搭建MEC实现工业园区多种类型业务数据本地化存储和计算，从而保障数据的安全性、工业化控制高效性。

图3 网络切片方案示意图

6.问题与挑战

（1）网络切片转换：漫游场景下本地网络切片如果不能支持用户接入网络就会造成用户网络中断，一个可能的解决方案是将用户转换到默认切片下，但是在切片转换过程中如何保持IP会话的连通性、侦测转换时机的任务应该交给用户终端还是交给网络是需要考虑的问题。（2）用户状态维持：用户的状态信息可能会在多个切片中传递，如何管理用户状态是一个关键问题。（3）异厂家组网兼容性：5G网络切片在实际部署中还可能会面临异厂家切片互操作的问题，不同厂家设备间的差异也会导致设备组网时网络资源的共享存在风险。（4）多业务并发风险：尽管网络切片为提供差异化业务带来便利，但在构建不同网络切片时，业务对网络架构的差异化需求可能对网元部署带来挑战。