技术与标准丨面向气象灾害预警信息的5G网络切片技术研究

作者简介

 李泽捷

中国信息通信研究院无线电研究中心无线应用与产业研究部工程师，主要从事“新基建”5G/NB-IoT网络建设、新技术、融合应用等领域研究和咨询工作。

 曹磊 

中国信息通信研究院无线电研究中心无线应用与产业研究部副主任，高级工程师，博士，主要从事无线与移动通信以及移动互联网和物联网等领域研究和咨询工作。

论文引用格式：

李泽捷, 曹磊. 面向气象灾害预警信息的5G网络切片技术研究[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(1):75-80.

∗基金项目：国家重点研发计划项目（No.2018YFC1507803）

面向气象灾害预警信息的5G网络切片技术研究*

李泽捷  曹磊

（中国信息通信研究院无线电研究中心，北京 100191）

摘要：研究了面向气象灾害预警信息精准快速传播需求，并针对传输需求设计网络切片SLA指标，给出了面向气象预警信息传输的网络切片设计参考方案。

关键词：气象预警信息；网络切片；SLA；5G

中图分类号：TN929.53     文献标识码：A

引用格式：李泽捷, 曹磊. 面向气象灾害预警信息的5G网络切片技术研究[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(1):75-80.

DOI：10.12267/j.issn.2096-5931.2022.1.012

0  引言

目前，我国气象灾害预警信息传播主要依赖传统的通信方式，传播速度受到网络容量限制而具有瓶颈，且难以满足指定区域内预警信息精准传播以及偏远地区预警信息传播需求。我国5G移动通信、移动互联网、移动物联网、天通卫星、风云四号卫星等新兴信息通信技术正不断涌现和发展，新的信息通信技术与预警信息传播的应用结合可以有效解决上述问题。5G网络切片能够使各行业应用获得带宽、时延等网络指标上的保证，应用于气象灾害预警信息的传输具备可行性。因此，本文将对5G网络切片传输气象灾害预警信息的指标定义、指标需求进行研究，并根据不同应用场景给出相应的切片设计参考方案^[1]。

1  5G网络切片技术

网络切片是指运营商根据不同行业用户对时延、带宽、安全性和可靠性等指标的业务需要，在传统的物理网络上分隔出多个端到端的逻辑网络。被分离出的逻辑网络包含彼此隔离的接入网、传输网和核心网。因此，运用网络切片技术可满足不同的应用类型需求。

1.1  网络切片架构

5G网络切片在3GPP TS 23.501中已经定义，通过将物理网络切分为多个逻辑网络实现一网多用，使运营商能够在一个物理网络之上构建多个专用的、虚拟的、隔离的、按需定制的逻辑网络，来满足不同行业用户对网络能力的不同需求（如时延、带宽、连接数等）。

5G网络切片需要基于SA网络架构实现。3GPP R15协议基于5G SA架构定义了切片标识和端到端（End to End，E2E）标识用户群，说明了切片如何使能差异化。通常只有复杂的网络和终端配置才能实现对某类用户群的差异化，而2G/3G/4G/5G NSA等协议缺少E2E统一标识某类用户群的手段。

5G网络切片是端到端的架构设计，包含多个子域，且涉及管理面、控制面和用户面3个层面，其端到端架构示意如图1所示。端到端切片管理架构主要包含以下几个关键部件。

图1  5G端到端切片架构示意图

（1）通信服务管理功能（Communication Service Management Function，CSMF）是切片设计的入口，将承接业务系统的需求转化为端到端网络切片需求，并传递到NSMF进行网络设计。CSMF功能一般由运营商业务支撑系统（Business Support System，BSS）改造提供。
（2）网络切片管理功能（Network Slice Management Function，NSMF）负责端到端的切片管理与设计。NSMF得到端到端网络切片需求后，产生一个切片的实例，根据各子域/子网的能力，进行分解和组合，将对子域/子网的部署需求传递到NSSMF。NSMF功能一般由跨域切片管理器提供。
（3）网络切片子网管理功能（Network Slice Subnet Management Function，NSSMF）负责子域/子网的切片管理与设计。核心网、传输网和无线网均有各自的NSSMF。
NSSMF将子域/子网的能力上报到NSMF，当获得NSMF的分解部署需求后，实现子域/子网内的自治部署和使能，并在运行过程中，对子域/子网的切片网络进行管理和监控。通过CSMF、NSMF和NSSMF的分解与协同，完成端到端切片网络的设计和实例化部署。端到端切片的全生命周期管理，包括切片实例创建、监控、释放，如分解网络需求到无线网、承载网、核心网各单域，完成切片E2E配置；收集各单域信息，汇总形成切片级统计指标，随后进行可视化呈现；与BSS系统集成支持行业切片模板设计和上线^[2]。
1.2  网络切片SLA分级指标服务等级协议（Service Level Agreement，SLA）：双方正式协商达成的协议，有时也称为服务水平保证。它是服务提供商和客户之间的合同（或合同的一部分），旨在建立对服务、优先级、责任等的共同理解。
服务水平规范（Service Level Specification，SLS）：可以看作是SLA的技术组件和指标，用来定义纳入SLA指标参数以及相关门限值。
目前，业界提出了一些SLA相关标准，结合GSMA与3GPP标准，5G切片的SLA指标主要包括用户带宽、时延、包可靠、吞吐率、定位精度、隔离度等，分别定义如表1所示。表1  5G端到端切片SLA主要指标

为便于理解切片等级，同时简化与切片供应商的对接配置，笔者使用中国信息通信研究院在《5G端到端切片SLA行业需求研究》^[2]报告中的 SLA调色板配置方案，对气象灾害预警信息传输的5G网络切片SLA需求进行分析。SLA分级需求调色板参照数据中心的分级方式，对带宽、时延、安全可信、自主可控方面进行定义配置，具体如图2所示。

图2  5G切片SLA分级需求调色板

2  面向气象预警信息的切片设计
2.1  气象灾害预警工作的目的和特点气象灾害预警工作具有一定的前瞻性、时效性，其目的是将气象自然灾害造成的人员生命、财产等损失降至最低。气象灾害预警信息的传输发布需达到一定标准，一旦满足预先制定的标准，作为信息发布的部门，气象灾害预警部门应及时发布相关预警，各部门应第一时间采取相应的预警措施，尽可能降低人民生命财产损失。此外，气象灾害预警工作还具有一定的广覆盖性，通过完善气象灾害监测预报网络，推进预警信息发布的精准性、覆盖面和传播速度，消除预警信息发布“盲区”，提升信息传播效率。因此，气象灾害预警工作的主要特征如下。
（1）及时性。大部分气象自然灾害发生的时间较短，且破坏力和造成的危害较大。因此，气象灾害预警工作需要相关机构、部门及时采取相应措施进行应对。
（2）准确性。气象灾害预警工作需要监测、传输、处理大量气象数据信息，并基于处理分析的结果及时、准确地做出相应的决策，采取相应措施。准确可靠的分析结论将大大提升气象灾害应对的成效。因此，除了及时性，灾害预警的准确性也至关重要。
（3）公开性。对气象监测信息进行分析并形成预警信息后，有关部门应及时采取相应手段第一时间向公众发布；若发布不及时或对相关结论有所隐瞒、捏造，则可能造成不利影响。
（4）多层次。气象灾害的严重程度有大有小，因此预警工作机制也应据此由高到低设立不同级别，形成系统性预警信息发布传输机制。
2.2  气象灾害预警信息传输需求分析气象灾害是自然灾害中发生率较高的灾害，严重威胁着国家和社会经济的发展。气象灾害预警信号涉及公众的生命财产安全，因此对于预警信息的传输应保证实效性、准确性、广覆盖性。在短时间内需要向5G网络覆盖范围内的大量手机用户推送预警信息，同时要保证预警信息的准确送达。因此，在设计面向气象灾害预警信息传输的网络切片方案时应主要考虑其实时、延误小、准确、误码率低、频带宽、确保信息/数据不积压的传输需求。根据气象预警信息传输需求及网络切片分级标准，初步考虑网络切片指标设计如下。
（1）用户带宽等级为B1（1~10 Mbit/s）：根据对气象灾害预警信息的分析，当前针对民众的预警信息传输形式为文字，不包含图片和视频，因此对单用户带宽的需求较小，B1级别1~10 Mbit/s即可满足单用户传输需求。
（2）时延等级为T2（20~50 ms）：气象灾害的特性决定了预警信息需要在短时间（1 min）内发送给指定区域的全部用户，因此对于单用户，时延选择适中的T2级别。
（3）隔离等级为S1（逻辑隔离）：气象灾害预警信息属于面向群众的公开信息，不存在敏感性，建议采用基于优先级调度的资源抢占机制实现逻辑隔离。
（4）管理等级为M3（可运营）：涉及多个区域，一般需要自定义用户群组管理、新业务上线调测、自主排障，并控制接入和访问权限，属于M3可运营。
2.3  设计原则相对于传统QoS保障指标，针对5G新技术与新业务，3GPP定义了新的以时延为主的保证比特速率（Guaranteed Bit Rate，GBR） 类型，设计了新的反映业务性能的5G QoS索引（5G QoS Index，5QI），以此来支撑新业务对时延和可靠性的需求（见表2）。针对不同业务的优先级以及对时延、误包率等指标的要求，定义了新的标准5QI。基站可根据表2中的方式，在建立协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）会话时选择相应的资源调度方案，以此来满足低时延和高可靠性要求。表2  Delay Critical GBR 5QI与QoS映射

在业务调度过程中，对于无线空口以及无线基站与PSA UPF之间的上行与下行数据包时延和QoS的监测可以在终端和PDU会话锚点（PDU Session Anchor，PSA）用户面功能（User Plane Function，UPF）间展开。其中，无线空口的时延可以由5G无线接入网（Next-Generation Radio Access Network，NG-RAN）提供，而无线基站与PSA UPF之间的时延可在QoS流级别或用户层面的GPRS 隧道协议（GPRS Tunnelling Protocol User Plane，GTP-U）路径级别进行。根据对时延的监测结果，可以针对不同需求进行相对应的保障策略调配^[3]。
2.4  设计方案在将网络切片应用于气象灾害预警信息传输时，可参考医疗、电力等行业的解决方案^[4-5]，通过建立气象专网的方式，承载预警信息在监测站、气象局以及用户终端间的传输业务。从业务上主要分为站内场景、站外场景和站间及用户终端间场景，每部分的工作流程存在部分差异，切片设计方案也存在差异。
（1）内部传输组网在内部传输组网部分，大部分基于5G无线接入设备采用无线室分站进行无线接入，再经由无线集中基带单元（BaseBand Unit，BBU）统一接入到传输切片分组网（Slicing Packet Network，SPN）接入环，经过SPN接入环将检测站内业务发送到5G核心网，其中MEC可以根据实际业务需求下沉部署在气象监测站或站间的数据中心（见图3）。监测站内部分非移动网络需求仍可以基于当前有线办公网络进行接入，这部分业务主要用于大型设备等非移动要求网络。

图3  内部传输组网架构

监测站内流量大部分通过5G无线切片接入到5G专网切片网络内，再经由SPN承载网络的G.MTN/FlexE通道切片传输至5G核心网气象专网切片。其中，MEC如下沉部署在监测站内或监测站间的数据中心时，则业务流向就近在下沉的核心网切片内终结，并通过有线专线接入到气象预警传输统一平台或者监测站内的数据中心。
（2）站外组网在监测站外组网接入，主要场景为气象站与公众手机终端间利用下行信道传输预警信息（见图4）。针对气象预警下行传播场景，通过气象局内5G无线接入设备接入5G公众网络；通过对业务传输的优先级标识区分，经由SPN网络建立的G.MTN/FlexE通道将传输业务发送至5G核心网，从而传输至用户终端。

图4  站外组网架构

（3）站间组网监测站之间组网接入主要是通过站外组网，跨区域的下级监测站能够远程与上级站点/气象局连接，进行数据传输（见图5）。下级监测站的业务流量通过5G无线切片接入到5G气象专网内，再经由SPN承载网络的G.MTN/FlexE通道切片和5G核心网气象切片进入到上级站点/气象局。

图5  站间组网架构

3  结束语
3GPP 5G R17版本标准即将于2022年冻结，同时R18目前也已在规划中^[6]，对5G网络切片、端到端网络切片进行了能力增强，进一步推动了网络切片在各行业的应用。与此同时，我国5G SA网络的商用，为端到端网络切片技术的应用创造了基础条件。各行业对5G网络切片的应用仍处于探索阶段。本文结合气象预警信息传播需求，给出了5G网络切片设计的指标参考值及参考方案，未来需结合相关课题和5G技术进展情况进一步完善设计方案。
参考文献
[1] 向涛. 基于5G网络的工业互联网应用研究[J]. 中国新通信, 2019,21(22):31-32.[2] 中国信息通信研究院. 5G端到端切片SLA行业需求研究[R], 2020.[3] 梁辉, 韩潇, 李福昌. 5G URLLC端到端关键技术分析[J]. 移动通信, 2020,44(8):12-16.[4] 梁雪梅. 5G网络切片技术在国家电网中的应用探讨[J]. 移动通信, 2019,43(6):47-51.[5] 王莹, 王雪, 刘嫚, 等. 面向智能电网的5G网络切片应用前瞻性思考[J]. 电力信息与通信技术, 2020,18(8):1-7.[6] 3GPP. Release 17 timeline agreed[EB/OL]. (2020-12-14)[2021-09-12]. https://www.3gpp.org/news-events/2145-rel-17_newtimeline.
Research on 5G network slicing technology for meteorological disaster warning information
LI Zejie, CAO Lei
(Radio Research Center, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China)
Abstract: This paper studies the requirements of accurate and rapid transmission of meteorological disaster warning information, designs the SLA index of network slicing for the transmission requirements, and puts forward the references of design scheme.Keywords: meteorological early warning information; network slicing; SLA; 5G

本文刊于《信息通信技术与政策》2022年 第1期

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