0 引言

    第五代移動通信技術(shù)(5G)能夠以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和性能，賦能應(yīng)急管理、交通運輸、醫(yī)療健康、智能運維等垂直行業(yè)的信息化發(fā)展，滿足各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求。對于5G業(yè)務(wù)ITU提出三大應(yīng)用場景：增強型移動寬帶、高可靠低時延通信和海量連接^[1]，3GPP協(xié)議已經(jīng)定義通過3種類型的網(wǎng)絡(luò)切片支持，從而避免每種業(yè)務(wù)都重新建立獨立網(wǎng)絡(luò)造成的建網(wǎng)成本巨大和制約業(yè)務(wù)發(fā)展的問題。

    5G技術(shù)為基于公網(wǎng)構(gòu)建應(yīng)急保障專網(wǎng)的可能性提供了理論支撐。網(wǎng)絡(luò)切片的引入給網(wǎng)絡(luò)帶來了極大的靈活性，主要體現(xiàn)在按需定制、實時部署、動態(tài)保障。公網(wǎng)應(yīng)急保障場景提出了按需定制、動態(tài)保障、安全穩(wěn)定的需求，網(wǎng)絡(luò)切片可以最大化地保障應(yīng)急專網(wǎng)的拓撲靈活配置和資源專屬可保障的需求，成為應(yīng)急通信行業(yè)新的解決方案。

    本文從快速構(gòu)建應(yīng)急通信專網(wǎng)的應(yīng)用場景入手，分析了網(wǎng)絡(luò)切片在公網(wǎng)應(yīng)急保障場景中的模板參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)?；诘湫偷?a class="innerlink" href="http://theprogrammingfactory.com/tags/應(yīng)急保障通信系統(tǒng)" target="_blank">應(yīng)急保障通信系統(tǒng)架構(gòu)，論證應(yīng)急保障系統(tǒng)的5G網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)流程。

1 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

    網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)的重要特性，該技術(shù)可實現(xiàn)將一個物理網(wǎng)絡(luò)切割成多個虛擬的端到端的網(wǎng)絡(luò)，每個虛擬網(wǎng)絡(luò)之間（包括接入、傳輸和核心網(wǎng)）邏輯獨立，任何一個虛擬網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障都不會影響到其他的虛擬網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)優(yōu)勢在于運營商基于業(yè)務(wù)場景的需要，自主定義切片對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)特性，包括延遲、速率、連接密度、頻譜效率、流量容量和網(wǎng)絡(luò)效率等，通過網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性保證用戶體驗。同時，單個切片更改和添加在網(wǎng)絡(luò)管理層面具有獨立性，無需考慮對網(wǎng)絡(luò)其他部分的影響。在一個網(wǎng)絡(luò)切片中，至少可以分為無線網(wǎng)子切片、承載網(wǎng)子切片和核心網(wǎng)子切片三部分，如圖1所示。

    5G標(biāo)準將不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的需求歸結(jié)為3種典型場景：eMBB切片、uRLLC切片和mMTC切片，不同行業(yè)應(yīng)用可以使用不同切片網(wǎng)絡(luò)進行承載。5G網(wǎng)絡(luò)切片具有端到端、業(yè)務(wù)隔離、按需定制和自動運維的典型特征，可做到端到端動態(tài)按需部署網(wǎng)絡(luò)能力(規(guī)格、位置等)，保證切片具有獨立的生命周期管理，切片之間互不影響，實現(xiàn)自動化運維。

2 應(yīng)急保障場景

    應(yīng)急通信通常是指當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施被破壞時，為達到特殊通信保障需求的臨時緊急通信網(wǎng)絡(luò)。國家應(yīng)急管理部2018年提出打造“工專互補、寬窄融合、固移融合”多維無線通信網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)，并提出“系統(tǒng)化、扁平化、立體化、智能化、人性化”發(fā)展要求。在搶險救災(zāi)等應(yīng)急場景下，5G網(wǎng)絡(luò)切片的按需定制和業(yè)務(wù)隔離的特點將發(fā)揮重要作用。

    當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時，災(zāi)區(qū)原有基礎(chǔ)通信設(shè)施、道路設(shè)施、電力設(shè)施等會遭受不同程度的損壞，第一時間的受災(zāi)信息有效傳輸和現(xiàn)場指揮調(diào)度是災(zāi)害救援的關(guān)鍵。主要應(yīng)用場景包括：

    (1)應(yīng)急業(yè)務(wù)的5G網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)先保障

    當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時，災(zāi)區(qū)原有基礎(chǔ)通信設(shè)施遭受不同程度的損壞，由于公網(wǎng)話務(wù)量激增，會導(dǎo)致公眾通信擁塞和癱瘓，既無法進行調(diào)度指揮，也無法保障政府決策與支持系統(tǒng)的信息傳輸暢通。該場景下，利用當(dāng)前的可用硬件資源，通過網(wǎng)絡(luò)切片重新部署一張?zhí)摂M網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)先保障救災(zāi)人員的通信需求。

    (2)本地公用網(wǎng)絡(luò)的快速恢復(fù)

    對于自然災(zāi)害導(dǎo)致傳輸網(wǎng)絡(luò)中斷的受災(zāi)場景，由于本地5G基站和省級核心網(wǎng)連接中斷，將導(dǎo)致業(yè)務(wù)受阻。通過本地部署5G本地化核心網(wǎng)，在保證用戶簽約數(shù)據(jù)進行人工同步的前提下，可以基于基本完好的災(zāi)區(qū)基站快速恢復(fù)本地移動網(wǎng)絡(luò)通信，滿足基本通信需求。

    (3)現(xiàn)場應(yīng)急通信系統(tǒng)快速構(gòu)建

    對于自然災(zāi)害導(dǎo)致本地通信網(wǎng)絡(luò)基本癱瘓的受災(zāi)場景，一方面無法利用公網(wǎng)現(xiàn)有設(shè)施通信；另一方面即使是未被破壞的公網(wǎng)設(shè)施，也會由于用戶突增導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞。該場景下的應(yīng)急通信要求具有非常高的機動性、靈活性和適應(yīng)性?；趹?yīng)急式通信車、便攜式基站和系留式無人機等方式，部署網(wǎng)絡(luò)切片，把這些應(yīng)急通信設(shè)備接入到網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建覆蓋災(zāi)區(qū)的5G臨時應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，在保證現(xiàn)場各救援隊伍通信調(diào)度的同時，也可以進一步服務(wù)于災(zāi)區(qū)群眾。

    本文將針對5G公網(wǎng)應(yīng)急優(yōu)先保障場景進行重點論述。

3 公網(wǎng)優(yōu)先保障方案

3.1 性能指標(biāo)要求

    公網(wǎng)應(yīng)急資源優(yōu)先保障場景主要包括面向搶險救災(zāi)專業(yè)人員和普通公眾用戶的兩類網(wǎng)絡(luò)切片。

    (1)搶險救災(zāi)專業(yè)人員

    保障救災(zāi)人員具備基本聯(lián)網(wǎng)能力，保障接入成功率和接入用戶數(shù)量，并保證一定的通話質(zhì)量。

    (2)普通公眾用戶

    保障普通公眾用戶具備基本的聯(lián)網(wǎng)通信能力和一定的接入成功率。

    由于在應(yīng)急保障通信系統(tǒng)中，應(yīng)急業(yè)務(wù)的5G網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)先保障，因此這兩個網(wǎng)絡(luò)切片端到端的網(wǎng)絡(luò)性能不盡相同，具體性能指標(biāo)如表1和表2所示^[2]。

3.2 應(yīng)急保障切片實現(xiàn)方案

    端到端網(wǎng)絡(luò)切片部署是由切片管理系統(tǒng)將切片租戶需求分解為無線、傳輸、核心網(wǎng)各域的網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)，如圖2所示。由于網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)包含QoS相關(guān)參數(shù)(時延、速率、丟包率、抖動等)、容量相關(guān)參數(shù)(用戶數(shù)、激活用戶數(shù))、業(yè)務(wù)相關(guān)參數(shù)(覆蓋區(qū)域、應(yīng)用場景、安全隔離)等眾多內(nèi)容，因此合理分配配置參數(shù)將直接影響切片能否滿足切片業(yè)務(wù)的需求^[3]。

    在網(wǎng)絡(luò)切片部署中，給出合理的無線、傳輸、核心網(wǎng)子切片模型以及部署資源需求、配置參數(shù)推薦，能最大化匹配租戶需求和提升網(wǎng)絡(luò)資源使用效率。

3.2.1 應(yīng)急保障切片創(chuàng)建

    5G網(wǎng)絡(luò)切片包括切片設(shè)計、部署使能、切片運行、閉環(huán)優(yōu)化、運維、能力開放等。為了保證切片的敏捷的特征和業(yè)務(wù)獨特性，切片可以定制化設(shè)計，包括切片模版設(shè)計(GST)和實例化設(shè)計。模版設(shè)計階段通過通信服務(wù)管理功能(CSMF)、切片管理功能(NSMF)和子切片管理功能(NSSMF)的協(xié)同，實現(xiàn)能力通報、能力分解和能力匹配。在切片實例化設(shè)計階段，需要根據(jù)具體訂單需求觸發(fā)：當(dāng)租戶需要使用網(wǎng)絡(luò)切片時，可以選用預(yù)置的切片模板或定制模版，并通過CSMF、NSMF和NSSMF逐層確認部署信息，進行實例化部署，產(chǎn)生一個可用的切片網(wǎng)絡(luò)。

    根據(jù)表1和表2信息可知，救災(zāi)用戶對網(wǎng)絡(luò)時延、可靠性等性能指標(biāo)要求較高，可以在eMBB和uRLLC切片的基礎(chǔ)上定制不同業(yè)務(wù)和等級的子切片。而普通用戶只要支持基本的接入能力即可，對性能指標(biāo)要求較低，但是接入量會比較頻繁，可以在eMBB切片的基礎(chǔ)上定制不同業(yè)務(wù)和等級的子切片。結(jié)合應(yīng)急保障場景中不同用戶的個性化需求，圖3流程可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片按需定制，相關(guān)流程如下：

    (1)救災(zāi)指揮中心登錄門戶網(wǎng)站訂購服務(wù)，結(jié)合自己的需求選擇訂單及SLA，例如用戶對于接入成功率有要求，則選擇“高可靠”切片，可保證資源的占有率，同時選擇好其他SLA參數(shù)(如最大用戶數(shù)、切片服務(wù)區(qū)域、切片中終端的移動等級、切片資源共享等級)；

    (2)切片管理系統(tǒng)根據(jù)租戶對切片的SLA要求進行接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)等的SLA分解，進而進行各域資源配置，包括帶寬、時延等。切片設(shè)計完成后，進行測試驗證，避免設(shè)計過程存在問題，早發(fā)現(xiàn)早解決；

    (3)救災(zāi)中心在“切片商城”選擇滿足自己需求的切片，并提交訂單進行付費；

    (4)切片設(shè)計完成測試驗證，且用戶完成付費后，進行在線部署激活自動開通，該過程包含切片的運維過程(如：智能監(jiān)控、故障排除等)。

3.2.2 應(yīng)急保障切片管理

    網(wǎng)絡(luò)切片的目的在于根據(jù)不同業(yè)務(wù)迥然不同的業(yè)務(wù)需求靈活地進行資源分配。在資源分配的過程中，如果無線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)各自為政，缺乏全局的資源調(diào)配，網(wǎng)絡(luò)切片勢必難以達到其應(yīng)有的效果。因此，5G對網(wǎng)絡(luò)切片采用橫跨無線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)的端到端切片管理架構(gòu)，實現(xiàn)對各類資源及QoS的端到端管理。應(yīng)急保障網(wǎng)絡(luò)端到端管理架構(gòu)如圖4所示。

    5G網(wǎng)絡(luò)切片分配的資源情況與網(wǎng)絡(luò)切片類型以及其所提供的服務(wù)密切相關(guān)，網(wǎng)絡(luò)切片管理過程中需要通過參數(shù)表明切片性能指標(biāo)，以指導(dǎo)切片資源分配的過程。

    網(wǎng)絡(luò)切片必須滿足其上運行業(yè)務(wù)的服務(wù)等級(Service Level Agreement，SLA)的要求，該要求可以通過網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行描述。單個切片的管理參數(shù)分為3類：描述切片服務(wù)質(zhì)量的QoS參數(shù)、描述切片服務(wù)能力的容量參數(shù)和描述其所支持業(yè)務(wù)類型的業(yè)務(wù)參數(shù)^[4]。切片管理過程中，切片管理系統(tǒng)需要將切片參數(shù)依據(jù)實際需求分解至各個子網(wǎng)。

3.2.3 應(yīng)急保障切片資源調(diào)配

    隨著災(zāi)情的發(fā)展，不可預(yù)知的情況也非常復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)也需要做動態(tài)的調(diào)整和部署，切片網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性使得網(wǎng)絡(luò)切片資源動態(tài)調(diào)整和調(diào)度面臨很大挑戰(zhàn)。其中，切片資源智能調(diào)配可以解決應(yīng)急保障網(wǎng)絡(luò)需求的快速變化導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)切片資源動態(tài)調(diào)配和管理問題，如圖5所示，基于切片業(yè)務(wù)量預(yù)測和根據(jù)預(yù)測結(jié)果制定切片資源調(diào)整策略，相應(yīng)流程如下。

    在資源調(diào)配系統(tǒng)中，災(zāi)情現(xiàn)場的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)(例如：區(qū)域的基礎(chǔ)設(shè)施恢復(fù)程度、災(zāi)區(qū)的交通恢復(fù)程度、區(qū)域的醫(yī)療救護等)將通過切片管理系統(tǒng)傳送給業(yè)務(wù)量預(yù)測模板；業(yè)務(wù)量預(yù)測模塊進行數(shù)據(jù)分析、業(yè)務(wù)量預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果發(fā)送給智能策略模塊。針對分析結(jié)果，智能策略模塊可以制定相應(yīng)的資源配置策略，并下發(fā)給切片管理系統(tǒng)，實時調(diào)整不同切片之間的資源，實現(xiàn)閉環(huán)自愈。該閉環(huán)管理模式可以保證最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)資源配比。

    切片資源智能調(diào)配系統(tǒng)通過與切片管理系統(tǒng)對接，智能地調(diào)配切片資源，可以高效解決業(yè)務(wù)需求高動態(tài)帶來的網(wǎng)絡(luò)切片管理問題，滿足不同應(yīng)急保障場景的差異化需求，提供端到端QoS保障能力。

4 結(jié)論

    本文從快速構(gòu)建應(yīng)急通信專網(wǎng)的應(yīng)用場景入手，分析了應(yīng)急保障通信系統(tǒng)的各種場景對網(wǎng)絡(luò)的性能需求，提出了一種面向公網(wǎng)應(yīng)急資源優(yōu)先保障的5G網(wǎng)絡(luò)切片的技術(shù)方案?；诘湫偷膽?yīng)急保障通信系統(tǒng)架構(gòu)，論述了應(yīng)急保障系統(tǒng)的5G網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)流程。該方案可實現(xiàn)應(yīng)急業(yè)務(wù)的5G網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)先保障，保證信息的實時交互與共享，提升信息決策的科學(xué)性和及時性。

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[4] 3GPP TS 23.502.Procedures for the 5G system；stage 2[S].2018.

作者信息:

王秋紅，朱雪田

(中國電信股份有限公司研究院，北京102209)