5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

蔣樹國 王小臣 王成

（北京卡達(dá)克科技中心有限公司，北京 100070）

主題詞：5G 網(wǎng)絡(luò)切片 車聯(lián)網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

縮略語

V2X Vehicle to everything

ITU International Telecommunication Union

3GPP The 3rd Generation Partnership Project

eMBB Enhance Mobile Broadband

URLLC Ultra Reliable and Low Latency Communication

mMTC Massive Machine Type Communication

QoS Quality of Service

0 前言

隨著我國智能網(wǎng)聯(lián)汽車發(fā)展規(guī)劃的提出，車聯(lián)網(wǎng)（V2X）技術(shù)得到國家的大力支持，各車企也大規(guī)模地推廣車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用與移動通信系統(tǒng)平臺的技術(shù)相輔相成，怎樣利用5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)來為車聯(lián)網(wǎng)提供更好的服務(wù)，是目前各個行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

1 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的背景

針對目前迅猛增長的數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的業(yè)務(wù)需求，在不同的應(yīng)用場景有對網(wǎng)絡(luò)功能、系統(tǒng)性能、安全性、用戶體驗(yàn)、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、時延等不同的要求。假如利用同一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)傳輸平臺提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)勢必變得非常復(fù)雜和難以控制，而且還會造成高額的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)用和復(fù)雜的控制流程，從而加大網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和維護(hù)的難度。同樣，如果對不同的服務(wù)需求（或者業(yè)務(wù)需求）提供專有網(wǎng)絡(luò)，雖然可以保障業(yè)務(wù)的可靠性、安全性，但是絕大多數(shù)的業(yè)務(wù)方不能承受建設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用及維護(hù)費(fèi)用[1]。由于這種情況普遍存在，國際電信聯(lián)盟（ITU）在2014 年10 月提出了“IMT-2020(即5G工作時間表，主要研究5G關(guān)鍵需求和解決方案）”[2]，提出了要將網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)5G技術(shù)的關(guān)鍵需求。

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)作為5G 的關(guān)鍵技術(shù)之一，其主要功能為統(tǒng)籌協(xié)調(diào)5G 端到端的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)資源，為各種不同的業(yè)務(wù)或用戶群提供類似于端到端的專用網(wǎng)服務(wù)。端到端的服務(wù)不僅要規(guī)劃和設(shè)計相關(guān)核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、管理網(wǎng)絡(luò)這些實(shí)際的物理網(wǎng)絡(luò)單元和節(jié)點(diǎn)，還要明確按需定制的業(yè)務(wù)、功能、帶寬、容量、QoS 與連接關(guān)系，同時還包括了安全隔離、資源隔離、業(yè)務(wù)生命周期管理和操作維護(hù)隔離[3]。

3GPP 最早在R14 階段由獨(dú)立組網(wǎng)SA1 的TR 22.864[4]報告中提出了網(wǎng)絡(luò)切片的需求，隨后SA2 在TR 23.799[5]報告中對網(wǎng)絡(luò)切片方案進(jìn)行了初步研究，在R15階段SA2正式把切片的相關(guān)概念、方案寫入了TS 23.501[6]中，SA5 定義網(wǎng)絡(luò)切片管理和編排的解決方案。在無線接入網(wǎng)RAN1和RAN2中定義無線接入網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)切片的支持規(guī)范[7]。這些標(biāo)準(zhǔn)最終被寫入了我國目前運(yùn)營商采購設(shè)備所普遍采用的技術(shù)規(guī)范中。

2 5G網(wǎng)絡(luò)切片典型業(yè)務(wù)的分類

為了滿足目前各行業(yè)不同的業(yè)務(wù)需求，ITU 將5G時代的業(yè)務(wù)歸納成3種典型的業(yè)務(wù)類型：移動超寬帶業(yè)務(wù)eMBB、超高可靠性低時延業(yè)務(wù)URLLC 和大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)mMTC。

eMBB 切片主要適用于用戶密集的熱點(diǎn)區(qū)域，特點(diǎn)是不需要特別的QoS保障，但需要盡可能大的帶寬來實(shí)現(xiàn)極致的流量吞吐，并能夠盡可能降低時延[8]。該類型針對的是大流量移動寬帶業(yè)務(wù)，如AR/VR、4K/8K超高清視頻等業(yè)務(wù)。

mMTC 切片主要應(yīng)用于海量設(shè)備連接，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是間斷性的，用于對時延不敏感的業(yè)務(wù)，特點(diǎn)是需要較高的數(shù)據(jù)處理能力及較低的阻塞率[9]。該類型針對的是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，如自動抄表系統(tǒng)、物流跟蹤、智能停車等業(yè)務(wù)。

URLLC 切片應(yīng)用于對吞吐量和時延有比較嚴(yán)苛的要求的場景，特點(diǎn)是需嚴(yán)格的QoS 保障，保證低傳輸時延要求。該類型針對的是數(shù)據(jù)需要及時反饋，并且需要連續(xù)不斷地進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)保持暢通的業(yè)務(wù)，如遠(yuǎn)程醫(yī)療及交通安全等業(yè)務(wù)。

3 車聯(lián)網(wǎng)典型業(yè)務(wù)的分類

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是基于移動通信網(wǎng)絡(luò)，配合車載終端、路側(cè)單元及智能交通設(shè)施，組成1個廣域互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。車聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了信息在車車、車路、車人及車與互聯(lián)網(wǎng)之間的傳輸，進(jìn)而提供車輛和云端數(shù)據(jù)的交互操作，為提升車輛超視距及交通參與者的感知能力提供了新的科學(xué)技術(shù)手段[10]。由于車聯(lián)網(wǎng)的參與方不僅僅包含了車輛、道路、行人、智能設(shè)施及各種路側(cè)設(shè)備，還包括了高精度地圖和各種私人App應(yīng)用以及行業(yè)管理App 應(yīng)用等各種管理應(yīng)用程序。所以在進(jìn)行有關(guān)車聯(lián)網(wǎng)的5G 網(wǎng)絡(luò)切片的構(gòu)架時，首先需要定義相關(guān)車聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)類型。

根據(jù)中國汽車工程學(xué)會T/CSAE 53—2017《合作式智能運(yùn)輸系統(tǒng)車用通信系統(tǒng)應(yīng)用層及應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)》附錄B 的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)分類說明，針對相關(guān)業(yè)務(wù)對通信頻率和時延的不同需求，將17 個1 期應(yīng)用分為2 大類，一類是高時延（＞100 ms）、低頻率（＜10 Hz）的應(yīng)用；另一類是低時延（≤100 ms）、高頻率（≥10 Hz），其詳細(xì)分類如表1所示[11]。

表1 典型業(yè)務(wù)分類[11]

其中低時延業(yè)務(wù)（要求迅速并及時反饋）主要是和車輛自動駕駛及交通安全相關(guān)的業(yè)務(wù)，其數(shù)據(jù)的交互量和計算量大，是保障交通安全非常重要的計算依據(jù)，這類低時延業(yè)務(wù)參考URLLC業(yè)務(wù)QoS來進(jìn)行切片的定義和管理。

其中高時延業(yè)務(wù)（要求準(zhǔn)確反饋，對實(shí)時性要求不高）主要是和車輛駕駛輔助及可能影響交通安全相關(guān)的業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)的交互量和計算量不大，起到車輛運(yùn)行軌跡和未來的趨勢進(jìn)行決策輔助的功能，這類業(yè)務(wù)參考mMTC業(yè)務(wù)QoS來進(jìn)行切片的定義和管理。

針對車輛管理和應(yīng)用的各種App 軟件的切片管理，由于該類業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)帶寬要求不高，對時延要求不敏感，因此可采用mMTC 業(yè)務(wù)QoS 來進(jìn)行切片的定義和管理。

在車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)自動駕駛的環(huán)節(jié)中，高精度地圖是一個非常重要且不可或缺的因素。當(dāng)自動駕駛車輛調(diào)用高精度地圖時，是提前對所處環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)判并生成行駛策略。在享受高精度地圖帶來的優(yōu)勢的同時，還需要面對高精度地圖頻繁更新所帶來的困擾[12]。在5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)，建議將本地的高精度地圖下載到對應(yīng)的移動邊緣計算的EMC服務(wù)器中，結(jié)合采用eMBB業(yè)務(wù)QoS來進(jìn)行切片的定義和管理。這樣就可以保障自動駕駛車輛在5G 覆蓋區(qū)域內(nèi)，能及時地更新當(dāng)?shù)刈钚碌母呔鹊貓D，同時也節(jié)約了大量的傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬。

4 車聯(lián)網(wǎng)5G網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)分析

車聯(lián)網(wǎng)作為一個跨行業(yè)、多場景、多業(yè)務(wù)模式的綜合數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的復(fù)合型的應(yīng)用技術(shù)，相比于以前單一垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)技術(shù)要求存在很多的不同。尤其是對其在應(yīng)用場景、數(shù)據(jù)通信性能及復(fù)雜計算的快速反饋方面的要求，采用單一業(yè)務(wù)模型的分類來為車聯(lián)網(wǎng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)明顯不能夠滿足車聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)要求。

根據(jù)以上車聯(lián)網(wǎng)典型業(yè)務(wù)分類的分析得出：車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需要5G網(wǎng)絡(luò)并提供3類的網(wǎng)絡(luò)切片，這種復(fù)雜的切片網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

通過對車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的精準(zhǔn)分析，能夠詳細(xì)地分解各種業(yè)務(wù)所需求的時延、帶寬及訪問頻率關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)切片所依據(jù)的系統(tǒng)參數(shù)，并結(jié)合本地5G 網(wǎng)絡(luò)其他應(yīng)用的負(fù)荷程度，來針對5G 網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)籌進(jìn)行切片管理是運(yùn)營商將5G網(wǎng)絡(luò)資源最大化的最優(yōu)解。

圖1 車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)5G網(wǎng)絡(luò)切片網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

每個地區(qū)的5G業(yè)務(wù)的負(fù)載情況也是隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的普及程度而發(fā)生變化，在車聯(lián)網(wǎng)的初級階段，由于車聯(lián)網(wǎng)的參與者不多，5G網(wǎng)絡(luò)完全可以滿足用戶需求，但是隨著車聯(lián)網(wǎng)的不斷普及，運(yùn)營商需要不斷地完善和優(yōu)化5G網(wǎng)絡(luò)資源來不斷地滿足車聯(lián)網(wǎng)用戶的需求。

5 我國運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)切片情況

根據(jù)我國3大運(yùn)營商在今年3月末公布的2020年有關(guān)5G網(wǎng)絡(luò)招標(biāo)公告的信息[13]，3大運(yùn)營商本年度的采購及建設(shè)內(nèi)容均包含有建設(shè)5G SA 商用網(wǎng)絡(luò)和移動網(wǎng)絡(luò)邊緣計算的計劃（表2）。因此在本年度，從我國基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)提供能力來看，3 個運(yùn)營商均有提供5G網(wǎng)絡(luò)切片和移動邊緣計算的能力。

6 問題與挑戰(zhàn)

目前我國有關(guān)自動駕駛、高精度地圖的實(shí)際應(yīng)用還非常的少。沒有辦法根據(jù)采集實(shí)際交通的大數(shù)據(jù)來對5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的新的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行分類總結(jié)。同時，目前我國車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)存在跨行業(yè)、跨部門協(xié)調(diào)及監(jiān)管等各種問題。針對巨大的車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的監(jiān)管、安全等重要因素，各個管理部門的側(cè)重點(diǎn)和權(quán)限也存在一定的沖突，所以在5G 車聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模的落地前，需要通過法律、法規(guī)明確標(biāo)準(zhǔn)及數(shù)據(jù)安全等方面內(nèi)容，才能針對5G車聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃。

表2 3大運(yùn)營商核心網(wǎng)部署方式

在通信技術(shù)領(lǐng)域，支持LTE-V2X 的3GPP R14 版本標(biāo)準(zhǔn)已于2017 年正式發(fā)布；支持LTE-V2X 增強(qiáng)（LTE-eV2X）的 3GPP R15 版本標(biāo)準(zhǔn)于 2018 年 6 月正式發(fā)布。工業(yè)和信息化部也在2018年11月18日印發(fā)了《車聯(lián)網(wǎng)（智能網(wǎng)聯(lián)汽車）直連通信使用5905-5925 MHz頻段管理規(guī)定（暫行）》的通知[14]，批準(zhǔn)了車聯(lián)網(wǎng)的D2D 通信無線資源。但是從實(shí)際執(zhí)行的情況來看，LTE-V2X 僅僅在國內(nèi)的一些示范區(qū)域展開了部分有關(guān)自動駕駛的測試工作，并沒有商業(yè)化的自動駕駛項(xiàng)目成熟落地。

5G 標(biāo)準(zhǔn) R16 Stage 3 原本定于在 2020 年 3 月份發(fā)布，受到疫情影響，延遲到3GPP TSG＃88全體遠(yuǎn)程會議（2020年6月份）上批準(zhǔn)R16相關(guān)的所有標(biāo)準(zhǔn)。其中涉及到有關(guān)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容如下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）3GPP TS 23.501：5G系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)

（2）3GPP TS 23.502：5G系統(tǒng)流程

（3）TS22.261 5G系統(tǒng)的服務(wù)要求

（4）TR22.830網(wǎng)絡(luò)切片角色模型的研究

由于標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)車聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的最新的內(nèi)容，到實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供貨商及運(yùn)營商的業(yè)務(wù)提供，需要長時間的供應(yīng)鏈和業(yè)務(wù)的完善，預(yù)計至少需要1年的時間來完成。

根據(jù)3大運(yùn)營商的5G業(yè)務(wù)部署的計劃來看，在今明兩年中還沒有明確的提出有關(guān)支持自動駕駛和高精度地圖業(yè)務(wù)的計劃。

7 結(jié)束語

基于5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)和移動邊緣計算技術(shù)的快速成熟和落地，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以為基于自動駕駛的高等級車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)的傳輸和計算平臺，為高等級的自動駕駛業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和更為安全高效的解決方案。

針對自動駕駛所提出的詳細(xì)的業(yè)務(wù)性能需求，運(yùn)營商能夠考慮5G 網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營負(fù)載效率，并利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)和移動邊緣計算技術(shù)為車聯(lián)網(wǎng)提供安全、可靠的通信平臺。