世界微資訊！中國信通院李澤捷等：面向氣象災(zāi)害預(yù)警信息的5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)研究

0 引言

目前，我國氣象災(zāi)害預(yù)警信息傳播主要依賴傳統(tǒng)的通信方式，傳播速度受到網(wǎng)絡(luò)容量限制而具有瓶頸，且難以滿足指定區(qū)域內(nèi)預(yù)警信息精準(zhǔn)傳播以及偏遠(yuǎn)地區(qū)預(yù)警信息傳播需求。我國5G移動通信、移動互聯(lián)網(wǎng)、移動物聯(lián)網(wǎng)、天通衛(wèi)星、風(fēng)云四號衛(wèi)星等新興信息通信技術(shù)正不斷涌現(xiàn)和發(fā)展，新的信息通信技術(shù)與預(yù)警信息傳播的應(yīng)用結(jié)合可以有效解決上述問題。5G網(wǎng)絡(luò)切片能夠使各行業(yè)應(yīng)用獲得帶寬、時延等網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)上的保證，應(yīng)用于氣象災(zāi)害預(yù)警信息的傳輸具備可行性。因此，本文將對5G網(wǎng)絡(luò)切片傳輸氣象災(zāi)害預(yù)警信息的指標(biāo)定義、指標(biāo)需求進(jìn)行研究，并根據(jù)不同應(yīng)用場景給出相應(yīng)的切片設(shè)計參考方案[1]。
1 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片是指運(yùn)營商根據(jù)不同行業(yè)用戶對時延、帶寬、安全性和可靠性等指標(biāo)的業(yè)務(wù)需要，在傳統(tǒng)的物理網(wǎng)絡(luò)上分隔出多個端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)。被分離出的邏輯網(wǎng)絡(luò)包含彼此隔離的接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)。因此，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可滿足不同的應(yīng)用類型需求。
1.1 網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

(資料圖片僅供參考)

5G網(wǎng)絡(luò)切片在3GPP TS 23.501中已經(jīng)定義，通過將物理網(wǎng)絡(luò)切分為多個邏輯網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)一網(wǎng)多用，使運(yùn)營商能夠在一個物理網(wǎng)絡(luò)之上構(gòu)建多個專用的、虛擬的、隔離的、按需定制的邏輯網(wǎng)絡(luò)，來滿足不同行業(yè)用戶對網(wǎng)絡(luò)能力的不同需求（如時延、帶寬、連接數(shù)等）。
5G網(wǎng)絡(luò)切片需要基于SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實現(xiàn)。3GPP R15協(xié)議基于5G SA架構(gòu)定義了切片標(biāo)識和端到端（End to End，E2E）標(biāo)識用戶群，說明了切片如何使能差異化。通常只有復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)和終端配置才能實現(xiàn)對某類用戶群的差異化，而2G/3G/4G/5G NSA等協(xié)議缺少E2E統(tǒng)一標(biāo)識某類用戶群的手段。
5G網(wǎng)絡(luò)切片是端到端的架構(gòu)設(shè)計，包含多個子域，且涉及管理面、控制面和用戶面3個層面，其端到端架構(gòu)示意如圖1所示。端到端切片管理架構(gòu)主要包含以下幾個關(guān)鍵部件。

圖1 5G端到端切片架構(gòu)示意圖

（1）通信服務(wù)管理功能（Communication Service Management Function，CSMF）是切片設(shè)計的入口，將承接業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需求轉(zhuǎn)化為端到端網(wǎng)絡(luò)切片需求，并傳遞到NSMF進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。CSMF功能一般由運(yùn)營商業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)（Business Support System，BSS）改造提供。

（2）網(wǎng)絡(luò)切片管理功能（Network Slice Management Function，NSMF）負(fù)責(zé)端到端的切片管理與設(shè)計。NSMF得到端到端網(wǎng)絡(luò)切片需求后，產(chǎn)生一個切片的實例，根據(jù)各子域/子網(wǎng)的能力，進(jìn)行分解和組合，將對子域/子網(wǎng)的部署需求傳遞到NSSMF。NSMF功能一般由跨域切片管理器提供。

（3）網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理功能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF）負(fù)責(zé)子域/子網(wǎng)的切片管理與設(shè)計。核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和無線網(wǎng)均有各自的NSSMF。

NSSMF將子域/子網(wǎng)的能力上報到NSMF，當(dāng)獲得NSMF的分解部署需求后，實現(xiàn)子域/子網(wǎng)內(nèi)的自治部署和使能，并在運(yùn)行過程中，對子域/子網(wǎng)的切片網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和監(jiān)控。通過CSMF、NSMF和NSSMF的分解與協(xié)同，完成端到端切片網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和實例化部署。端到端切片的全生命周期管理，包括切片實例創(chuàng)建、監(jiān)控、釋放，如分解網(wǎng)絡(luò)需求到無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)各單域，完成切片E2E配置；收集各單域信息，匯總形成切片級統(tǒng)計指標(biāo)，隨后進(jìn)行可視化呈現(xiàn)；與BSS系統(tǒng)集成支持行業(yè)切片模板設(shè)計和上線[2]

1.2 網(wǎng)絡(luò)切片SLA分級指標(biāo)

服務(wù)等級協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）：雙方正式協(xié)商達(dá)成的協(xié)議，有時也稱為服務(wù)水平保證。它是服務(wù)提供商和客戶之間的合同（或合同的一部分），旨在建立對服務(wù)、優(yōu)先級、責(zé)任等的共同理解。

服務(wù)水平規(guī)范（Service Level Specification，SLS）：可以看作是SLA的技術(shù)組件和指標(biāo)，用來定義納入SLA指標(biāo)參數(shù)以及相關(guān)門限值。
目前，業(yè)界提出了一些SLA相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合GSMA與3GPP標(biāo)準(zhǔn)，5G切片的SLA指標(biāo)主要包括用戶帶寬、時延、包可靠、吞吐率、定位精度、隔離度等，分別定義如表1所示。
表1 5G端到端切片SLA主要指標(biāo)

為便于理解切片等級，同時簡化與切片供應(yīng)商的對接配置，筆者使用中國信息通信研究院在《5G端到端切片SLA行業(yè)需求研究》[2]報告中的 SLA調(diào)色板配置方案，對氣象災(zāi)害預(yù)警信息傳輸?shù)?G網(wǎng)絡(luò)切片SLA需求進(jìn)行分析。SLA分級需求調(diào)色板參照數(shù)據(jù)中心的分級方式，對帶寬、時延、安全可信、自主可控方面進(jìn)行定義配置，具體如圖2所示。

圖2 5G切片SLA分級需求調(diào)色板

2 面向氣象預(yù)警信息的切片設(shè)計

2.1 氣象災(zāi)害預(yù)警工作的目的和特點(diǎn)

氣象災(zāi)害預(yù)警工作具有一定的前瞻性、時效性，其目的是將氣象自然災(zāi)害造成的人員生命、財產(chǎn)等損失降至最低。氣象災(zāi)害預(yù)警信息的傳輸發(fā)布需達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，一旦滿足預(yù)先制定的標(biāo)準(zhǔn)，作為信息發(fā)布的部門，氣象災(zāi)害預(yù)警部門應(yīng)及時發(fā)布相關(guān)預(yù)警，各部門應(yīng)第一時間采取相應(yīng)的預(yù)警措施，盡可能降低人民生命財產(chǎn)損失。此外，氣象災(zāi)害預(yù)警工作還具有一定的廣覆蓋性，通過完善氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報網(wǎng)絡(luò)，推進(jìn)預(yù)警信息發(fā)布的精準(zhǔn)性、覆蓋面和傳播速度，消除預(yù)警信息發(fā)布“盲區(qū)”，提升信息傳播效率。因此，氣象災(zāi)害預(yù)警工作的主要特征如下。

（1）及時性。大部分氣象自然災(zāi)害發(fā)生的時間較短，且破壞力和造成的危害較大。因此，氣象災(zāi)害預(yù)警工作需要相關(guān)機(jī)構(gòu)、部門及時采取相應(yīng)措施進(jìn)行應(yīng)對。

（2）準(zhǔn)確性。氣象災(zāi)害預(yù)警工作需要監(jiān)測、傳輸、處理大量氣象數(shù)據(jù)信息，并基于處理分析的結(jié)果及時、準(zhǔn)確地做出相應(yīng)的決策，采取相應(yīng)措施。準(zhǔn)確可靠的分析結(jié)論將大大提升氣象災(zāi)害應(yīng)對的成效。因此，除了及時性，災(zāi)害預(yù)警的準(zhǔn)確性也至關(guān)重要。

（3）公開性。對氣象監(jiān)測信息進(jìn)行分析并形成預(yù)警信息后，有關(guān)部門應(yīng)及時采取相應(yīng)手段第一時間向公眾發(fā)布；若發(fā)布不及時或?qū)ο嚓P(guān)結(jié)論有所隱瞞、捏造，則可能造成不利影響。

（4）多層次。氣象災(zāi)害的嚴(yán)重程度有大有小，因此預(yù)警工作機(jī)制也應(yīng)據(jù)此由高到低設(shè)立不同級別，形成系統(tǒng)性預(yù)警信息發(fā)布傳輸機(jī)制。

2.2 氣象災(zāi)害預(yù)警信息傳輸需求分析

氣象災(zāi)害是自然災(zāi)害中發(fā)生率較高的災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著國家和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。氣象災(zāi)害預(yù)警信號涉及公眾的生命財產(chǎn)安全，因此對于預(yù)警信息的傳輸應(yīng)保證實效性、準(zhǔn)確性、廣覆蓋性。在短時間內(nèi)需要向5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的大量手機(jī)用戶推送預(yù)警信息，同時要保證預(yù)警信息的準(zhǔn)確送達(dá)。因此，在設(shè)計面向氣象災(zāi)害預(yù)警信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)切片方案時應(yīng)主要考慮其實時、延誤小、準(zhǔn)確、誤碼率低、頻帶寬、確保信息/數(shù)據(jù)不積壓的傳輸需求。根據(jù)氣象預(yù)警信息傳輸需求及網(wǎng)絡(luò)切片分級標(biāo)準(zhǔn)，初步考慮網(wǎng)絡(luò)切片指標(biāo)設(shè)計如下。

（1）用戶帶寬等級為B1（1~10 Mbit/s）：根據(jù)對氣象災(zāi)害預(yù)警信息的分析，當(dāng)前針對民眾的預(yù)警信息傳輸形式為文字，不包含圖片和視頻，因此對單用戶帶寬的需求較小，B1級別1~10 Mbit/s即可滿足單用戶傳輸需求。

（2）時延等級為T2（20~50 ms）：氣象災(zāi)害的特性決定了預(yù)警信息需要在短時間（1 min）內(nèi)發(fā)送給指定區(qū)域的全部用戶，因此對于單用戶，時延選擇適中的T2級別。

（3）隔離等級為S1（邏輯隔離）：氣象災(zāi)害預(yù)警信息屬于面向群眾的公開信息，不存在敏感性，建議采用基于優(yōu)先級調(diào)度的資源搶占機(jī)制實現(xiàn)邏輯隔離。

（4）管理等級為M3（可運(yùn)營）：涉及多個區(qū)域，一般需要自定義用戶群組管理、新業(yè)務(wù)上線調(diào)測、自主排障，并控制接入和訪問權(quán)限，屬于M3可運(yùn)營。

2.3 設(shè)計原則

相對于傳統(tǒng)QoS保障指標(biāo)，針對5G新技術(shù)與新業(yè)務(wù)，3GPP定義了新的以時延為主的保證比特速率（Guaranteed Bit Rate，GBR） 類型，設(shè)計了新的反映業(yè)務(wù)性能的5G QoS索引（5G QoS Index，5QI），以此來支撐新業(yè)務(wù)對時延和可靠性的需求（見表2）。針對不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級以及對時延、誤包率等指標(biāo)的要求，定義了新的標(biāo)準(zhǔn)5QI?；究筛鶕?jù)表2中的方式，在建立協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）會話時選擇相應(yīng)的資源調(diào)度方案，以此來滿足低時延和高可靠性要求。
表2 Delay Critical GBR 5QI與QoS映射

在業(yè)務(wù)調(diào)度過程中，對于無線空口以及無線基站與PSA UPF之間的上行與下行數(shù)據(jù)包時延和QoS的監(jiān)測可以在終端和PDU會話錨點(diǎn)（PDU Session Anchor，PSA）用戶面功能（User Plane Function，UPF）間展開。其中，無線空口的時延可以由5G無線接入網(wǎng)（Next-Generation Radio Access Network，NG-RAN）提供，而無線基站與PSA UPF之間的時延可在QoS流級別或用戶層面的GPRS 隧道協(xié)議（GPRS Tunnelling Protocol User Plane，GTP-U）路徑級別進(jìn)行。根據(jù)對時延的監(jiān)測結(jié)果，可以針對不同需求進(jìn)行相對應(yīng)的保障策略調(diào)配[3]。

2.4 設(shè)計方案

在將網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用于氣象災(zāi)害預(yù)警信息傳輸時，可參考醫(yī)療、電力等行業(yè)的解決方案[4-5]，通過建立氣象專網(wǎng)的方式，承載預(yù)警信息在監(jiān)測站、氣象局以及用戶終端間的傳輸業(yè)務(wù)。從業(yè)務(wù)上主要分為站內(nèi)場景、站外場景和站間及用戶終端間場景，每部分的工作流程存在部分差異，切片設(shè)計方案也存在差異。

（1）內(nèi)部傳輸組網(wǎng)在內(nèi)部傳輸組網(wǎng)部分，大部分基于5G無線接入設(shè)備采用無線室分站進(jìn)行無線接入，再經(jīng)由無線集中基帶單元（BaseBand Unit，BBU）統(tǒng)一接入到傳輸切片分組網(wǎng)（Slicing Packet Network，SPN）接入環(huán)，經(jīng)過SPN接入環(huán)將檢測站內(nèi)業(yè)務(wù)發(fā)送到5G核心網(wǎng)，其中MEC可以根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求下沉部署在氣象監(jiān)測站或站間的數(shù)據(jù)中心（見圖3）。監(jiān)測站內(nèi)部分非移動網(wǎng)絡(luò)需求仍可以基于當(dāng)前有線辦公網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入，這部分業(yè)務(wù)主要用于大型設(shè)備等非移動要求網(wǎng)絡(luò)。

圖3 內(nèi)部傳輸組網(wǎng)架構(gòu)

監(jiān)測站內(nèi)流量大部分通過5G無線切片接入到5G專網(wǎng)切片網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，再經(jīng)由SPN承載網(wǎng)絡(luò)的G.MTN/FlexE通道切片傳輸至5G核心網(wǎng)氣象專網(wǎng)切片。其中，MEC如下沉部署在監(jiān)測站內(nèi)或監(jiān)測站間的數(shù)據(jù)中心時，則業(yè)務(wù)流向就近在下沉的核心網(wǎng)切片內(nèi)終結(jié)，并通過有線專線接入到氣象預(yù)警傳輸統(tǒng)一平臺或者監(jiān)測站內(nèi)的數(shù)據(jù)中心。

（2）站外組網(wǎng)在監(jiān)測站外組網(wǎng)接入，主要場景為氣象站與公眾手機(jī)終端間利用下行信道傳輸預(yù)警信息（見圖4）。針對氣象預(yù)警下行傳播場景，通過氣象局內(nèi)5G無線接入設(shè)備接入5G公眾網(wǎng)絡(luò)；通過對業(yè)務(wù)傳輸?shù)膬?yōu)先級標(biāo)識區(qū)分，經(jīng)由SPN網(wǎng)絡(luò)建立的G.MTN/FlexE通道將傳輸業(yè)務(wù)發(fā)送至5G核心網(wǎng)，從而傳輸至用戶終端。

圖4 站外組網(wǎng)架構(gòu)

（3）站間組網(wǎng)監(jiān)測站之間組網(wǎng)接入主要是通過站外組網(wǎng)，跨區(qū)域的下級監(jiān)測站能夠遠(yuǎn)程與上級站點(diǎn)/氣象局連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（見圖5）。下級監(jiān)測站的業(yè)務(wù)流量通過5G無線切片接入到5G氣象專網(wǎng)內(nèi)，再經(jīng)由SPN承載網(wǎng)絡(luò)的G.MTN/FlexE通道切片和5G核心網(wǎng)氣象切片進(jìn)入到上級站點(diǎn)/氣象局。

圖5 站間組網(wǎng)架構(gòu)

3 結(jié)束語

3GPP 5G R17版本標(biāo)準(zhǔn)即將于2022年凍結(jié)，同時R18目前也已在規(guī)劃中[6]，對5G網(wǎng)絡(luò)切片、端到端網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行了能力增強(qiáng)，進(jìn)一步推動了網(wǎng)絡(luò)切片在各行業(yè)的應(yīng)用。與此同時，我國5G SA網(wǎng)絡(luò)的商用，為端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的應(yīng)用創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。各行業(yè)對5G網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用仍處于探索階段。本文結(jié)合氣象預(yù)警信息傳播需求，給出了5G網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計的指標(biāo)參考值及參考方案，未來需結(jié)合相關(guān)課題和5G技術(shù)進(jìn)展情況進(jìn)一步完善設(shè)計方案。

參考文獻(xiàn)

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[6] 3GPP. Release 17 timeline agreed[EB/OL]. (2020-12-14)[2021-09-12]. https://www.3gpp.org/news-events/2145-rel-17_newtimeline.

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù) 氣象災(zāi)害預(yù)警