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使能千行百业,网络切片你行吗?

木马童年 2019-9-29 19:53 45 0

网络切片技术被普遍认为是5G满足垂直行业需求,使能千行百业数字化转型的理想技术架构,那么网络切片真能承担这样的角色吗?

5G在需求定义之初即面向万物互联,eMBB、uRLLC、mMTC三大应用场景分别应对高带宽、低时延高可靠和海量机器类型连接的需求,后两者主要面向物-物之间的连接,因此正如公众号「5G行业应用」文章《5G发展的五大动力和四大挑战》中所述,5G有别于之前的移动通信网络主要面向消费市场这一发展主线,具有消费性、管理性和生产性三大发展主线,而主要的增量收入来自于后两者。按照GSMA对全球运营商CEO的调查,69%的受访者认为企业(B2B、B2B2C)是5G收入的最重要来源,远高于消费者(B2C)的23%。

不管是5G本身定义的不同应用场景能力,还是垂直行业千差万别的需求,都很难想象能够用一张网络来满足,因此网络切片技术被普遍认为是5G满足垂直行业需求,使能千行百业数字化转型的理想技术架构,那么网络切片真能承担这样的角色吗?

使能千行百业,网络切片你行吗?

一、网络切片是什么?

网络切片是什么?为了便于理解网络切片,首先我们看一下移动通信网络提供服务的演变,最先的1G/2G时代,移动通信主要提供语音业务和消息业务(短信),语音业务是信道化的,所有用户共享一个物理网络,通话用户独占信道,运营商按通话时间收取费用。

从2G末期到3G/4G的时期,随着互联网的发展和智能手机的普及,数据业务成为移动通信网络增长最快的业务,人们通过手机享受各种互联网服务,运营商则按照数据流量收取费用。数据业务是IP化的,各种不同的业务(语音、视频、图片、游戏、电子邮件、浏览网页等)都跑在这个管道里,但显然不可能让每种业务都按照最快的方式发送,网络能力无法满足,而完全平等的发送所有业务数据则可能会使得某些业务无法及时调度而导致用户体验不好,兼顾网络能力和用户体验的简单方法就是根据不同业务的实际需求,比如时延、误码率/丢包率区分,分出优先级,按照优先级进行调度,3G时期就采用这种方法分为了会话类、交互类、流媒体类、背景类四种业务,4G时代增加了速率保障维度,划分出了9种QoS等级。

5G面向万物互联,定义了三大类场景,对网络的速率、容量、时延、可靠性、安全性、频谱效率、移动性、网络能效、服务成本等有不同的需求,而且物联网应用还需要和第三方平台、应用融合,同时能满足不同行业对安全隔离的要求。再沿用3G/4G的方式按照不同需求维度进行调度优先级的划分在具体实现和网络管理上就变得不再可行。

为了解决这个问题,3GPP从R14开始进行网络切片的研究,引入网络切片的概念:在同一个物理网络上构建端到端、按需定制和隔离的逻辑网络,提供不同的功能、性能、成本、连接关系的组合,支持独立运维,为不同的业务和用户群提供差异化的网络服务。这样一来,就将原本QoS的“业务类别/业务特性”二维扩充成了“网络切片/业务类别/业务特性”三维,同时解决了行业用户对网络的安全隔离和独立运维的要求,借助网络切片端到端的设计、监控和保障,可以实现对网络SLA的可保障服务,不需要在公共网络中去争夺资源,满足行业用户对通信可靠性的要求。

二、网络切片为行业数字化带来了什么?

数字化转型是利用最新的数字化技术和能力来驱动组织商业模式的创新,目的是为了实现业务的转型、创新和增长。通信技术作为基础的数字化技术,在推动数字化转型上起到重要的作用。通信技术在垂直行业的应用非常广泛,光通信、工业以太网、WLAN、LAN、PLC等有线通信技术,电台、2G、3G、4G等无线通信技术,在垂直行业中都得到了不同程度的应用,满足不同场景下的通信需求。以电网为例,普遍采用的通信技术和应用如下:

使能千行百业,网络切片你行吗?

但这些通信技术在应用于智能电网中都面临一些关键挑战,包括:可扩展性差、带宽有限(PLC);部署成本高、周期长、移动性差(光纤);公网无法保障质量、私网建设成本和运维成本高(3G/4G);带宽有限、安全风险(无线电台/Wi-Fi);部署成本高、延迟大(卫星通信)。同时,多种通信技术的使用给电网通信网络的建设和运维带来更多的成本。

而5G网络提供高可靠性、高扩展性、高带宽、低时延、大用户容量等能力,再通过网络切片灵活调度和合理分配网络资源,在公网上提供满足安全隔离要求、服务质量保障的通信服务,相对于现有通信技术和以前的蜂窝移动通信技术,为垂直行业的数字化转型带来更多的契机。

垂直行业的需求多种多样,大致可以分为以下几类:

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网络切片通过对以上能力的组合和能力开放,可以最大程度的满足垂直行业的需求。网络切片一般通过以下过程进行设计、部署、监控保障、运维:

  • 切片订购:行业用户通过切片商城/服务门户订购切片,并提出关键SLA要求;

  • 切片设计:切片管理系统响应切片订单,将SLA的各子网分解,参考当前网络资源和运行情况转化为切片的网络拓扑、网络参数和资源配置等;

  • 切片部署:切片管理系统执行切片网元实例化、参数的配置和切片激活;

  • 切片监控保障:切片管理系统提供切片SLA指标的端到端监控和上报,并动态调整切片配置,保障SLA指标满足客户要求;

  • 切片运维:切片管理系统提供切片级的故障告警、性能统计等运维功能。

除了切片订购和服务平台以外,网络切片还需提供能力开放平台,方便垂直行业用户进行业务控制、策略管理、性能监控等,有效的促进垂直行业的数字化应用与运营商网络深度结合,提供极致的用户体验。

三、哪些行业需要使用网络切片?

如前所述,网络切片将5G丰富的能力集按照行业的需求,提供定制化、可保障、安全隔离的通信服务,并提供能力开放,与其它业务平台和应用结合,形成垂直行业的数字化服务,那么有哪些行业是需要网络切片的呢?我们同样从网络切片的定制化、可保障、安全隔离三个维度进行分析。

首先在消费性领域,以高清视频类(4K、8K、VR/AR)、实时交互类(VR/AR)、互动娱乐类(云游戏/VR游戏)等体现5G高带宽、低时延特性的业务为代表,被电信运营商认为是5G商用早期最具价值的业务。

高清视频类消费者应用包括点播、直播,点播主要对下行速率有要求,4K视频目前的在线商用服务要求所需带宽在15Mbps~25Mbps之间(与压缩算法有关),广播级服务以韩国为例,无线广播是25Mbps,卫星/有线广播40Mbps,均为逐行60fps高帧率内容。8K视频提供更高的信息密度承载能力,更多的细节呈现力,不仅是提高了视频的观看体验,在医疗、安防监控、工业、考古等领域将有更多的应用,60fps的8K视频需要带宽在80~100Mbps。直播包括以电视台、网络直播的广播服务提供商和以个人为主的网络直播平台等,内容生产端需要上行速率,消费端则需要下行速率。

VR/AR具有高传输带宽,实时交互特性,传统有线和无线的通信方式使得用户体验较差,延缓和限制了VR/AR的成熟和发展,以VR为例,需求如下:

使能千行百业,网络切片你行吗?

大型游戏以其良好的可玩性和极致体验受到游戏爱好者的喜爱,但是对终端的需求很高,往往需要配备游戏电脑、顶级显卡,游戏安装包大小通常是2GB甚至更高,玩家入门门槛高。“云游戏”通过将渲染放在边缘云端,处理的结果压缩后通过网络传给用户,使得用户终端无需高端显卡等设备,只要能够以“视频”的方式播放这些游戏画面就可以获得流畅的游戏体验,因此成为游戏发展的热点。但游戏“云化”的结果需要网络提供100Mbps的带宽和10ms级别的时延,并能够提供稳定的通信服务。

作为典型的eMBB类应用,通过网络切片提供对带宽的保障,可以为高清视频服务商向其高端用户提供高质量的服务。

整体来说,视频/游戏服务端通过采购切片一方面提高自身业务的质量,另一方面将高质量服务以体验的形式卖给用户;而运营商则以高效率的方式提供差异化服务,以网络切片发展更多用户,实现5G网络价值变现。

其次在管理性领域,公共安全、智慧城市是GSMA网络切片需求定义的两大类行业应用。公共安全通信应用包括关键任务Push-to-Talk、视频监控、关键任务IoT(无人机、安全应急网、医疗应急网等)等,智慧城市则包含城市管理的各个方面,包括智慧社区、智慧政务、智慧交通等等。公共安全和智慧城市目前主要是通过2G应急通信,如TETRA;蜂窝应急网络如LTE专网;有线网络如公共安全视频监控的光通信等。公共安全和智慧城市两个行业场景比较复杂,高带宽、低时延、大连接的需求都存在,传统采用的通信方式多样,同时对网络和数据安全的需求比较强烈,通过网络切片的方式可以按需定制,并实现安全隔离,但具体的应用场景和实际需求还需要进一步探讨。

生产性领域是5G最具想象力的部分,包括GSMA定义的C-V2X、智能电网、医疗、智能制造等场景都属于这个范围。中国移动探索电力、游戏、娱乐、银行、医疗、自动驾驶等6大领域的网络切片应用,重点均集中在生产性领域。其中智能电网、智能制造、车联网C-V2X是重要的三个行业。

智能电网如前一节中描述的,面临不同的应用场景,对带宽、时延、连接数和可靠性要求各不相同,如差动保护时延要求<10ms,可靠性要求5个9;抄表应用则需要千万级连接数;无人机/机器人巡检要求高带宽。同时电网有严格的行业安全标准,对安全隔离提出了很高的要求。此外,智能电网的一些应用还需要一些定制化的功能,如PMU业务需要有1us精度的授时。

网络切片设计上,针对三遥,差动保护等配电自动化应用、精准负控;配网向量测量PMU等应用,设计uRLLC类型的切片;针对变电站机器人巡检、输电线路无人机巡检等应用,设计eMBB类型切片;高级计量抄表类应用,设计mMTC类型切片,并按照电力信息通信安全分区的要求,对生产控制区、生产非控制区、生产管理区、信息管理区和外网,分别设计不同隔离方式,满足安全隔离的要求。

智能制造领域广泛采用机器人、无人机、数字装配、VR等技术实现数字化生产、柔性制造。通过有线的方式,或者工业WiFi、4G蜂窝网络等,无法完全满足智能制造生产场景中移动性(有线)、时延&可靠性(WiFi、4G)、带宽和连接数量(4G 、WiFi)的需求,同时,智能制造对计算的本地部署(MEC)有强烈的需求,以解决时延和数据安全的问题。网络切片设计上,对于高清监控、VR数字制造等应用,设计eMBB类型切片;对数控车间,需要海量设备的连接,设计mMTC类型切片;对于生产控制类业务,设计uRLLC类型切片。同样的,智能制造一般包括生产控制、信息采集、办公应用等,对隔离的要求各不相同,切片设计的时候考虑不同安全隔离方式。

车联网是综合性的业务,包括V2V、V2I、V2P、V2N等,如《人车路网云五维协同发展5G车联网》所述,需要网络切片和MEC构建更灵活的网,以提供高可靠的通信服务。具体SLA要求上,车-车通信V2V要求时延<5ms,可靠性99.999%;车-路协同V2I和人-车协同告警V2I要求时延<10ms;V2N提供高精度地图下载、高清视频、游戏、AR导航等服务,需要带宽>100Mbps。具体到业务应用上,信息服务类应用,包括高精度地图下载、信号配时、信息推送等,可以设计eMBB和mMTC类型切片;交通安全类应用,如路口防撞预警、前后车事故预警、路侧异常预警、行人预警等,设计uRLLC类型切片;交通效率类应用,如车速引导、路径优化、流量优化等,设计uRLLC和eMBB类型切片;协同类应用,如车辆编队、远程驾驶、自动泊车等,设计uRLLC类型切片。

垂直行业的应用需求多样,和切片的相关性也各有不同,考虑eMBB、uRLLC、mMTC三种场景5G标准的成熟期,垂直行业应用的成熟期也将会不同,参考来自于IHS Markit的报告如下:

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四、网络切片当前面临的问题和挑战

从网络切片当前发展来看,eMBB标准架构基本具备;借助核心网引入SBA架构、RAN灵活的空口和CU/DU分离、承载网SDN化,支持网络切片的技术组合基本完善;各主要的5G设备供应商也都在各种场合,结合不同的应用进行了切片的演示和测试。但是距离运营商提供网络切片服务,至少有几个阶段需要跨越,也分别都面临各种挑战:

首先是网络切片端到端拉通阶段,网络切片包括核心网、承载网、无线接入网、终端、切片编排管理系统、切片用户接口(切片商城和能力开放平台),目前华为、中兴、爱立信都进行过端到端的切片演示,但据观察,主要还存在以下问题:

  • 端到端拉通仅仅局限在单厂家设备,一般也仅包括核心网、承载网、无线接入网和切片编排管理系统,跨厂家的拉通并未看到;

  • 切片的用户接口没有看到产品出现,切片商城仅仅停留在概念和原型,能力开放平台也还处在讨论阶段;

  • 支持切片的移动终端没有看到,还是基于测试终端进行;

  • 切片拉通的许多环节还需要人工配置,自动化实现程度低,快速部署和灵活定制优化还无法实现。

然后是网络切片SLA保障增强阶段,垂直行业对通信服务的质量有确定性、可预期的要求,要提供可信的5G网络服务,需要网络切片能够对垂直行业关键的SLA指标进行保障,而这不管是标准、技术还是产品,都还在讨论阶段,还需要解决几个关键问题:

端到端性能的测量,目前标准推荐了一些端到端测量的技术选项,但具体实现还与客户的需求存在差距;

RAN侧资源预留和SLA保障的能力还需要讨论,无线接入网是5G的资源和性能瓶颈,带宽、时延等关键性能指标都受到无线环境的极大影响,现有切片标准对无线侧的规定非常简单,很多需要依赖于具体实现;

部分SLA定义还不明确,如何将客户SLA根据网络实际情况进行资源和参数匹配,以得到满足客户要求和可预期的SLA,目前还没有实现方法和手段;

对于一些需要严格承诺SLA的高等级质量要求场景,如电网应用、火车列控、车联网、工业生产控制等,标准和技术还在讨论中。同时法律义务也并不清晰。

还有商业模式探索阶段,完善网络切片的用户侧功能,探索行业需求,快速创新商业模式,是网络切片从实现商用到取得成功的关键。尽管目前各类结合垂直行业的5G应用创新活动百花齐放,也对网络切片的需求进行了一些探索,但仍然在一些重要问题上并没有解决方案:

  • 垂直行业的业务模型并不清晰,需要对重点行业业务应用进行大量的探讨、验证和试用,形成方法论和样例库;

  • 网络切片和行业用户业务系统结合还很初级,哪些能力需要开放给用户?用户如何利用这些能力实现业务控制,提升业务体验?网络切片能力和其它能力如MEC、云等能力开放如何结合?

  • 网络切片商业模式,包括服务提供模式、商务模式(成本核算、收益评估、计费模式等)、切片运营方式等,还在初期探索阶段。

网络切片除了以上存在的问题以外,还面临其它建设和服务提供方式的挑战,比如专网建设,如果让一些大的垂直行业获得5G频谱,并建设行业私有的5G网络的话,运营商的5G垂直行业应用将可能更碎片化,如何应对5G私有网络建设的挑战,是运营商需要考虑的一个问题。

网络切片作为5G应对不同行业应用场景的关键技术,看起来确实能够通过功能定制、SLA保障、安全隔离三大核心能力满足大多数垂直行业的需求,结合MEC的部署和统一编排,加上能力开放,可以为垂直行业构建更灵活、鲁棒性更强的网络,支持B2B、B2B2C、B2B2B等多种商业模式的创新,为运营商扩展业务领域,同时也为垂直行业的数字化转型带来契机。但不管是从标准、技术、产品、商业模式等,都还需要行业付出更多的工作,构建更丰富多样的生态,促进网络切片的成熟,真正实现5G改变社会的宏大愿景。

                            

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