摘要：5G新技術使能垂直行業應用，網絡切片是保障業務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業務SLA在5G承載網中端到端的保障。
5G連接新時代，一個數字的變化，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）場景，也就是說5G開啟了移動通信技術在垂直行業廣泛應用的新時代。從標準上看，3GPP定義了5G三大業務場景：
其中eMBB要求把單用戶的接入峰值速率提到1Gbps，uRLLC要求業務端到端超低時延1ms，mMTC要求在每平方公里的連接數可以達到一百萬。這三大業務場景的定義是由5G諸多新技術做為實現支撐，比如Massive MIMO，新的空口編碼，控制面和轉發面分離，核心網分層次部署等，其中網絡切片技術是實現5G時代業務隔離，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技術如何實現承載網切片。
首先我們從三個垂直行業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、現場演唱會、游園會，或其他突發事件。視頻清晰度要求高、突發臨時性和場地不確定性是這類業務的主要特點。傳統做法是在直播現場部署一臺裝備著制作播放設備和衛星通訊設備的制播車，現場編輯由多個固定機位攝像機拍攝的視頻，制作成直播節目并通過衛星回傳到地面播控平臺，然后再分發到不同的直播網絡中。
那么在5G時代，高清直播業務是怎么做呢？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，然后再分發到不同的直播網絡中。活動機位可以靈活移動，從不同角度捕捉到更多的視頻信息，制播云化處理可以節省數百萬的車載制播設備和衛星通訊設備。
高清視頻直播業務對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。同時由于直播節目的實時性要求，高清視頻業務在網絡中一般由UDP協議承載。而網絡中的丟包現象會導致UDP承載的視頻業務出現花屏現象，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 。
第二個垂直行業應用是遠程醫療，如下圖所示：
5G救護車在現有救護車上裝備CPE和音視頻系統，隨時現場出診，救護人員通過音視頻系統將現場病人的情況實時回傳到中心醫院，主任專家遠程指導醫療救護；偏遠基層衛生所，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院，各科專家集中會診，病人不用來回奔波。
遠程醫療業務對5G網絡的帶寬需求是音視頻+B超影像約30Mbps，業務端到端時延小于100ms。同時，遠程醫療要求視頻圖像質量必須清晰，不能出現花屏，因此一般采用TCP協議承載。如果網絡穩定性不好，也就是網絡時延抖動大，TCP協議承載的視頻容易出現卡頓現象。
第三個垂直行業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網絡發送給關聯的DTU。如果一個DTU連續5次收到的電流值與本地的差值超過閾值，則認為發送端有故障，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務要求。
由上述三個行業應用案例可見，視頻直播要求大帶寬，低丟包率；遠程醫療要求網絡穩定，提供確定性時延；電力差動保護要求超低時延。這些業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）？
現在的移動承載網是基于以太/IP技術，以統計復用和存儲轉發為主要特征，用VPN+QoS技術為不同業務提供不同的SLA。VPN技術實現軟隔離，業務流量在虛擬網絡中傳輸；QoS技術通過流量監管/整形，擁塞管理/避免等基于共享緩存隊列調度的機制實現不同業務的差分服務。如下圖所示：
視頻直播、遠程醫療和電力差動保護三個業務同時在一個承載網管道里傳輸數據，綠色、藍色、橙色分別代表這三種業務的VPN流量。承載設備內的TM模塊（流量管理）負責不同業務的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，業務流量根據優先級，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優先級調度機制的作用下，業務流量可以變更車道。由于緩存資源和MAC地址對各個業務來說都是共享的，當流量突發時，各業務間互相搶占資源，不可避免的會產生擁塞現象，業務的SLA也就無從保證。
為了實現5G標準的網絡切片規范， 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。根據業務的SLA要求，為每個業務分配相應的硬件緩存資源，相當于在TM模塊中為每個業務劃分車道，業務車道之間是實線，業務流量傳輸過程中不能并線換車道，業務為車道之內是虛線，采用QoS技術進行緩存調度。業務車道的最小粒度是1M。緩存資源的獨占，使得各個業務在TM模塊中得到硬隔離，有效避免流量突發時，出現各業務爭搶緩存資源，導致業務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各個切片之間的業務在轉發層面上完全隔離。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務SLA。假設視頻直播要求帶寬500M，時延30ms，丟包率10-6 ；遠程醫療要帶寬300M，時延20ms，抖動1ms；電力業務要求帶寬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，遠程醫療信道CIR 300M，電力業務信道CIR 50M。業務流量經各自的信道子接口傳輸到匯聚層設備。匯聚層設備根據各業務的SLA，將業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療綁定到一個2G的切片，將要求低時延的電力業務綁定到一個1G的切片。業務信道子接口嵌套在FlexE切片中，業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，業務流量硬隔離，實現業務從承載網絡入口到出口的端到端SLA保障。
