摘要：5G新技術使能垂直行業(yè)應用，網絡切片是保障業(yè)務SLA的基礎。5G承載的信道化子接口+FlexE技術可以提供垂直行業(yè)業(yè)務SLA在5G承載網中端到端的保障。
5G連接新時代，一個數(shù)字的變化，一個時代的開啟。移動通訊技術從3G到4G，再演進到5G，聚焦點從人與人的連接，到人與物的連接，再到物與物的連接。移動業(yè)務也從3G、4G時代的2C（個人用戶）場景自然延伸到2B（垂直行業(yè)）場景，也就是說5G開啟了移動通信技術在垂直行業(yè)廣泛應用的新時代。從標準上看，3GPP定義了5G三大業(yè)務場景：
其中eMBB要求把單用戶的接入峰值速率提到1Gbps，uRLLC要求業(yè)務端到端超低時延1ms，mMTC要求在每平方公里的連接數(shù)可以達到一百萬。這三大業(yè)務場景的定義是由5G諸多新技術做為實現(xiàn)支撐，比如Massive MIMO，新的空口編碼，控制面和轉發(fā)面分離，核心網分層次部署等，其中網絡切片技術是實現(xiàn)5G時代業(yè)務隔離，端到端超低時延的基礎。
網絡切片是3GPP標準中的一個概念，其歷史可以追溯到R13/R14，并將在5G時代逐步完善和商用。網絡切片利用網絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網絡（SDN）將單個物理網絡劃分為多個虛擬網絡，其中一個切片代表一個獨立的虛擬化的從無線接入、到承載網，再到核心網的端到端網絡，以滿足多種業(yè)務場景對網絡的不同需求。本文從承載網的角度，闡述信道化技術和FlexE技術如何實現(xiàn)承載網切片。
首先我們從三個垂直行業(yè)應用對網絡的需求來看為什么需要網絡切片。
第一個垂直行業(yè)應用是高清視頻直播。如下圖所示：
高清視頻直播一般都是由事件驅動，比如兩會、春晚外場、體育賽事、現(xiàn)場演唱會、游園會，或其他突發(fā)事件。視頻清晰度要求高、突發(fā)臨時性和場地不確定性是這類業(yè)務的主要特點。傳統(tǒng)做法是在直播現(xiàn)場部署一臺裝備著制作播放設備和衛(wèi)星通訊設備的制播車，現(xiàn)場編輯由多個固定機位攝像機拍攝的視頻，制作成直播節(jié)目并通過衛(wèi)星回傳到地面播控平臺，然后再分發(fā)到不同的直播網絡中。
那么在5G時代，高清直播業(yè)務是怎么做呢？以今年央視春晚外場直播為例，如下圖所示：
直播現(xiàn)場不再部署專用的制播車，活動機位攝像機（攝像師或視頻采集車）與CPE連接，將拍攝到的視頻通過5G基站經承載網/核心網回傳到制播中心進行云化處理，然后再分發(fā)到不同的直播網絡中�；顒訖C位可以靈活移動，從不同角度捕捉到更多的視頻信息，制播云化處理可以節(jié)省數(shù)百萬的車載制播設備和衛(wèi)星通訊設備。
高清視頻直播業(yè)務對5G網絡的帶寬需求主要是多路4K視頻上傳（每路約30Mbps），時延要求是網絡端到端小于30ms。同時由于直播節(jié)目的實時性要求，高清視頻業(yè)務在網絡中一般由UDP協(xié)議承載。而網絡中的丟包現(xiàn)象會導致UDP承載的視頻業(yè)務出現(xiàn)花屏現(xiàn)象，如下圖：
目前的直播視頻質量標準要求每4小時只能出現(xiàn)一次花屏，也就是說要求網絡的丟包率小于1.1*10-6 。
第二個垂直行業(yè)應用是遠程醫(yī)療，如下圖所示：
5G救護車在現(xiàn)有救護車上裝備CPE和音視頻系統(tǒng)，隨時現(xiàn)場出診，救護人員通過音視頻系統(tǒng)將現(xiàn)場病人的情況實時回傳到中心醫(yī)院，主任專家遠程指導醫(yī)療救護；偏遠基層衛(wèi)生所，部署光纖成本高，用5G網絡將診室的音視頻和B超等影像回傳到中心醫(yī)院，各科專家集中會診，病人不用來回奔波。
遠程醫(yī)療業(yè)務對5G網絡的帶寬需求是音視頻+B超影像約30Mbps，業(yè)務端到端時延小于100ms。同時，遠程醫(yī)療要求視頻圖像質量必須清晰，不能出現(xiàn)花屏，因此一般采用TCP協(xié)議承載。如果網絡穩(wěn)定性不好，也就是網絡時延抖動大，TCP協(xié)議承載的視頻容易出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。
第三個垂直行業(yè)應用是電力差動保護，如下圖所示：
電力的配電網絡由配電站和輸電線組成，一般配電站里面會有輸電設備、變壓器、配電保護設備(DTU)等。如果全網按照有線連接的方式部署差動保護，光纖需求量大成本高。按照目前差動保護業(yè)務的要求，每個DTU每隔20ms采集24次（0.833ms/次）本地電流值，通過5G網絡發(fā)送給關聯(lián)的DTU。如果一個DTU連續(xù)5次收到的電流值與本地的差值超過閾值，則認為發(fā)送端有故障，斷開相連的電路以保護設備和供電安全。從試驗站點測試結果上看，5G網絡端到端時延15ms，帶寬5M，即可滿足差動保護業(yè)務要求。
由上述三個行業(yè)應用案例可見，視頻直播要求大帶寬，低丟包率；遠程醫(yī)療要求網絡穩(wěn)定，提供確定性時延；電力差動保護要求超低時延。這些業(yè)務流量同時通過一個5G承載網傳輸，如何保證它們要求的不同SLA（服務等級約定）？
現(xiàn)在的移動承載網是基于以太/IP技術，以統(tǒng)計復用和存儲轉發(fā)為主要特征，用VPN+QoS技術為不同業(yè)務提供不同的SLA。VPN技術實現(xiàn)軟隔離，業(yè)務流量在虛擬網絡中傳輸；QoS技術通過流量監(jiān)管/整形，擁塞管理/避免等基于共享緩存隊列調度的機制實現(xiàn)不同業(yè)務的差分服務。如下圖所示：
視頻直播、遠程醫(yī)療和電力差動保護三個業(yè)務同時在一個承載網管道里傳輸數(shù)據，綠色、藍色、橙色分別代表這三種業(yè)務的VPN流量。承載設備內的TM模塊（流量管理）負責不同業(yè)務的QoS處理，紅色虛線代表不同的QoS緩存隊列。可以這樣簡單的理解：QoS技術在一個管道中劃分出不同的車道，業(yè)務流量根據優(yōu)先級，在相應的車道中傳輸。每個車道代表一定大小的緩存隊列，車道分割線是虛線，在QoS優(yōu)先級調度機制的作用下，業(yè)務流量可以變更車道。由于緩存資源和MAC地址對各個業(yè)務來說都是共享的，當流量突發(fā)時，各業(yè)務間互相搶占資源，不可避免的會產生擁塞現(xiàn)象，業(yè)務的SLA也就無從保證。
為了實現(xiàn)5G標準的網絡切片規(guī)范， 5G承載網采用信道化子接口+FlexE的靈活切片技術，滿足5G時代垂直行業(yè)嚴格的SLA要求。如下圖所示：
信道化子接口技術作用于承載設備的TM模塊中。根據業(yè)務的SLA要求，為每個業(yè)務分配相應的硬件緩存資源，相當于在TM模塊中為每個業(yè)務劃分車道，業(yè)務車道之間是實線，業(yè)務流量傳輸過程中不能并線換車道，業(yè)務為車道之內是虛線，采用QoS技術進行緩存調度。業(yè)務車道的最小粒度是1M。緩存資源的獨占，使得各個業(yè)務在TM模塊中得到硬隔離，有效避免流量突發(fā)時，出現(xiàn)各業(yè)務爭搶緩存資源，導致業(yè)務SLA劣化。
FlexE（靈活以太端口子通道）技術是在承載設備的MAC和PHY層之間定義一個FlexE shim層，對物理端口帶寬進行基于時間片的切分。即在大管道物理端口上通過FlexE的時隙復用劃分出若干個子通道端口，把這些子通道端口切片劃分網絡切片的不同切片中，通過硬件的時隙復用實現(xiàn)各個切片之間的業(yè)務在轉發(fā)層面上完全隔離。比如50GE端口，分為10個時隙，每個時隙帶寬為5G，按照5G顆粒倍數(shù)進行帶寬分配。目前華為設備的FlexE技術可以做到1G的時隙粒度。每個FlexE切片都有獨立MAC地址，相當于每個切片都是一個物理端口，切片之間是硬隔離互不影響。
將信道化子接口和FlexE技術結合，靈活配置，可以保障承載網端到端的業(yè)務SLA。假設視頻直播要求帶寬500M，時延30ms，丟包率10-6 ；遠程醫(yī)療要帶寬300M，時延20ms，抖動1ms；電力業(yè)務要求帶寬50M，時延5ms。如下圖所示：
在承載網接入層的低成本設備上，為每個業(yè)務按照SLA的要求分別配置一個信道化子接口，例如視頻直播信道CIR（承諾保障速率）500M，遠程醫(yī)療信道CIR 300M，電力業(yè)務信道CIR 50M。業(yè)務流量經各自的信道子接口傳輸?shù)絽R聚層設備。匯聚層設備根據各業(yè)務的SLA，將業(yè)務信道子接口跟相應的FlexE切片綁定，比如將要求大帶寬的視頻直播和遠程醫(yī)療綁定到一個2G的切片，將要求低時延的電力業(yè)務綁定到一個1G的切片。業(yè)務信道子接口嵌套在FlexE切片中，業(yè)務流量在硬管道中傳輸，直到承載網絡出口。
綜上所述，信道化子接口+FlexE是5G承載網在網絡切片領域的實現(xiàn)技術，分割獨立緩存資源，物理端口基于時隙切片，兩者靈活組合，業(yè)務流量硬隔離，實現(xiàn)業(yè)務從承載網絡入口到出口的端到端SLA保障。
