中國信通院李澤捷等：面向氣象災害預警信息的5G網絡切片技術研究
0 引言
目前，我國氣象災害預警信息傳播主要依賴傳統的通信方式，傳播速度受到網絡容量限制而具有瓶頸，且難以滿足指定區域內預警信息精準傳播以及偏遠地區預警信息傳播需求。我國5G移動通信、移動互聯網、移動物聯網、天通衛星、風云四號衛星等新興信息通信技術正不斷涌現和發展，新的信息通信技術與預警信息傳播的應用結合可以有效解決上述問題。5G網絡切片能夠使各行業應用獲得帶寬、時延等網絡指標上的保證，應用于氣象災害預警信息的傳輸具備可行性。因此，本文將對5G網絡切片傳輸氣象災害預警信息的指標定義、指標需求進行研究，并根據不同應用場景給出相應的切片設計參考方案[1]。
1 5G網絡切片技術
網絡切片是指運營商根據不同行業用戶對時延、帶寬、安全性和可靠性等指標的業務需要，在傳統的物理網絡上分隔出多個端到端的邏輯網絡。被分離出的邏輯網絡包含彼此隔離的接入網、傳輸網和核心網。因此，運用網絡切片技術可滿足不同的應用類型需求。
1.1 網絡切片架構
5G網絡切片在3GPP TS 23.501中已經定義，通過將物理網絡切分為多個邏輯網絡實現一網多用，使運營商能夠在一個物理網絡之上構建多個專用的、虛擬的、隔離的、按需定制的邏輯網絡，來滿足不同行業用戶對網絡能力的不同需求（如時延、帶寬、連接數等）。
5G網絡切片需要基于SA網絡架構實現。3GPP R15協議基于5G SA架構定義了切片標識和端到端（End to End，E2E）標識用戶群，說明了切片如何使能差異化。通常只有復雜的網絡和終端配置才能實現對某類用戶群的差異化，而2G/3G/4G/5G NSA等協議缺少E2E統一標識某類用戶群的手段。
5G網絡切片是端到端的架構設計，包含多個子域，且涉及管理面、控制面和用戶面3個層面，其端到端架構示意如圖1所示。端到端切片管理架構主要包含以下幾個關鍵部件。
圖1 5G端到端切片架構示意圖
（1）通信服務管理功能（Communication Service Management Function，CSMF）是切片設計的入口，將承接業務系統的需求轉化為端到端網絡切片需求，并傳遞到NSMF進行網絡設計。CSMF功能一般由運營商業務支撐系統（Business Support System，BSS）改造提供。
（2）網絡切片管理功能（Network Slice Management Function，NSMF）負責端到端的切片管理與設計。NSMF得到端到端網絡切片需求后，產生一個切片的實例，根據各子域/子網的能力，進行分解和組合，將對子域/子網的部署需求傳遞到NSSMF。NSMF功能一般由跨域切片管理器提供。
（3）網絡切片子網管理功能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF）負責子域/子網的切片管理與設計。核心網、傳輸網和無線網均有各自的NSSMF。
NSSMF將子域/子網的能力上報到NSMF，當獲得NSMF的分解部署需求后，實現子域/子網內的自治部署和使能，并在運行過程中，對子域/子網的切片網絡進行管理和監控。通過CSMF、NSMF和NSSMF的分解與協同，完成端到端切片網絡的設計和實例化部署。端到端切片的全生命周期管理，包括切片實例創建、監控、釋放，如分解網絡需求到無線網、承載網、核心網各單域，完成切片E2E配置；收集各單域信息，匯總形成切片級統計指標，隨后進行可視化呈現；與BSS系統集成支持行業切片模板設計和上線[2]。
1.2 網絡切片SLA分級指標
服務等級協議（Service Level Agreement，SLA）：雙方正式協商達成的協議，有時也稱為服務水平保證。它是服務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、優先級、責任等的共同理解。
服務水平規范（Service Level Specification，SLS）：可以看作是SLA的技術組件和指標，用來定義納入SLA指標參數以及相關門限值。
目前，業界提出了一些SLA相關標準，結合GSMA與3GPP標準，5G切片的SLA指標主要包括用戶帶寬、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
為便于理解切片等級，同時簡化與切片供應商的對接配置，筆者使用中國信息通信研究院在《5G端到端切片SLA行業需求研究》[2]報告中的 SLA調色板配置方案，對氣象災害預警信息傳輸的5G網絡切片SLA需求進行分析。SLA分級需求調色板參照數據中心的分級方式，對帶寬、時延、安全可信、自主可控方面進行定義配置，具體如圖2所示。
圖2 5G切片SLA分級需求調色板
2 面向氣象預警信息的切片設計
2.1 氣象災害預警工作的目的和特點
氣象災害預警工作具有一定的前瞻性、時效性，其目的是將氣象自然災害造成的人員生命、財產等損失降至最低。氣象災害預警信息的傳輸發布需達到一定標準，一旦滿足預先制定的標準，作為信息發布的部門，氣象災害預警部門應及時發布相關預警，各部門應第一時間采取相應的預警措施，盡可能降低人民生命財產損失。此外，氣象災害預警工作還具有一定的廣覆蓋性，通過完善氣象災害監測預報網絡，推進預警信息發布的精準性、覆蓋面和傳播速度，消除預警信息發布“盲區”，提升信息傳播效率。因此，氣象災害預警工作的主要特征如下。
（1）及時性。大部分氣象自然災害發生的時間較短，且破壞力和造成的危害較大。因此，氣象災害預警工作需要相關機構、部門及時采取相應措施進行應對。
（2）準確性。氣象災害預警工作需要監測、傳輸、處理大量氣象數據信息，并基于處理分析的結果及時、準確地做出相應的決策，采取相應措施。準確可靠的分析結論將大大提升氣象災害應對的成效。因此，除了及時性，災害預警的準確性也至關重要。
（3）公開性。對氣象監測信息進行分析并形成預警信息后，有關部門應及時采取相應手段第一時間向公眾發布；若發布不及時或對相關結論有所隱瞞、捏造，則可能造成不利影響。
（4）多層次。氣象災害的嚴重程度有大有小，因此預警工作機制也應據此由高到低設立不同級別，形成系統性預警信息發布傳輸機制。
2.2 氣象災害預警信息傳輸需求分析
氣象災害是自然災害中發生率較高的災害，嚴重威脅著國家和社會經濟的發展。氣象災害預警信號涉及公眾的生命財產安全，因此對于預警信息的傳輸應保證實效性、準確性、廣覆蓋性。在短時間內需要向5G網絡覆蓋范圍內的大量手機用戶推送預警信息，同時要保證預警信息的準確送達。因此，在設計面向氣象災害預警信息傳輸的網絡切片方案時應主要考慮其實時、延誤小、準確、誤碼率低、頻帶寬、確保信息/數據不積壓的傳輸需求。根據氣象預警信息傳輸需求及網絡切片分級標準，初步考慮網絡切片指標設計如下。
（1）用戶帶寬等級為B1（1~10 Mbit/s）：根據對氣象災害預警信息的分析，當前針對民眾的預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）：氣象災害的特性決定了預警信息需要在短時間（1 min）內發送給指定區域的全部用戶，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）：氣象災害預警信息屬于面向群眾的公開信息，不存在敏感性，建議采用基于優先級調度的資源搶占機制實現邏輯隔離。
（4）管理等級為M3（可運營）：涉及多個區域，一般需要自定義用戶群組管理、新業務上線調測、自主排障，并控制接入和訪問權限，屬于M3可運營。
2.3 設計原則
相對于傳統QoS保障指標，針對5G新技術與新業務，3GPP定義了新的以時延為主的保證比特速率（Guaranteed Bit Rate，GBR） 類型，設計了新的反映業務性能的5G QoS索引（5G QoS Index，5QI），以此來支撐新業務對時延和可靠性的需求（見表2）。針對不同業務的優先級以及對時延、誤包率等指標的要求，定義了新的標準5QI。基站可根據表2中的方式，在建立協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU）會話時選擇相應的資源調度方案，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
在業務調度過程中，對于無線空口以及無線基站與PSA UPF之間的上行與下行數據包時延和QoS的監測可以在終端和PDU會話錨點（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（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 隧道協議（GPRS Tunnelling Protocol User Plane，GTP-U）路徑級別進行。根據對時延的監測結果，可以針對不同需求進行相對應的保障策略調配[3]。
2.4 設計方案
在將網絡切片應用于氣象災害預警信息傳輸時，可參考醫療、電力等行業的解決方案[4-5]，通過建立氣象專網的方式，承載預警信息在監測站、氣象局以及用戶終端間的傳輸業務。從業務上主要分為站內場景、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，切片設計方案也存在差異。
（1）內部傳輸組網
在內部傳輸組網部分，大部分基于5G無線接入設備采用無線室分站進行無線接入，再經由無線集中基帶單元（BaseBand Unit，BBU）統一接入到傳輸切片分組網（Slicing Packet Network，SPN）接入環，經過SPN接入環將檢測站內業務發送到5G核心網，其中MEC可以根據實際業務需求下沉部署在氣象監測站或站間的數據中心（見圖3）。監測站內部分非移動網絡需求仍可以基于當前有線辦公網絡進行接入，這部分業務主要用于大型設備等非移動要求網絡。
圖3 內部傳輸組網架構
監測站內流量大部分通過5G無線切片接入到5G專網切片網絡內，再經由SPN承載網絡的G.MTN/FlexE通道切片傳輸至5G核心網氣象專網切片。其中，MEC如下沉部署在監測站內或監測站間的數據中心時，則業務流向就近在下沉的核心網切片內終結，并通過有線專線接入到氣象預警傳輸統一平臺或者監測站內的數據中心。
（2）站外組網
在監測站外組網接入，主要場景為氣象站與公眾手機終端間利用下行信道傳輸預警信息（見圖4）。針對氣象預警下行傳播場景，通過氣象局內5G無線接入設備接入5G公眾網絡；通過對業務傳輸的優先級標識區分，經由SPN網絡建立的G.MTN/FlexE通道將傳輸業務發送至5G核心網，從而傳輸至用戶終端。
圖4 站外組網架構
（3）站間組網
監測站之間組網接入主要是通過站外組網，跨區域的下級監測站能夠遠程與上級站點/氣象局連接，進行數據傳輸（見圖5）。下級監測站的業務流量通過5G無線切片接入到5G氣象專網內，再經由SPN承載網絡的G.MTN/FlexE通道切片和5G核心網氣象切片進入到上級站點/氣象局。
圖5 站間組網架構
3 結束語
3GPP 5G R17版本標準即將于2022年凍結，同時R18目前也已在規劃中[6]，對5G網絡切片、端到端網絡切片進行了能力增強，進一步推動了網絡切片在各行業的應用。與此同時，我國5G SA網絡的商用，為端到端網絡切片技術的應用創造了基礎條件。各行業對5G網絡切片的應用仍處于探索階段。本文結合氣象預警信息傳播需求，給出了5G網絡切片設計的指標參考值及參考方案，未來需結合相關課題和5G技術進展情況進一步完善設計方案。
