面向行業(yè)客戶的5G專網(wǎng)性能保障的關(guān)鍵技術(shù)探討

周立棟

（中國移動通信集團(tuán)廣東有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

近幾年，針對5G在行業(yè)客戶應(yīng)用研究越來越廣泛，涌現(xiàn)出了一批又一批的優(yōu)秀案例，涵蓋了工業(yè)制造、港口礦山、交通運(yùn)輸、電力、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。業(yè)界的研究熱點(diǎn)主要聚焦在5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）深度融合，5G與智慧交通行業(yè)深度融合，通過5G構(gòu)建廣域局域網(wǎng)等方面，均取得了一定的進(jìn)展。行業(yè)客戶多樣化的業(yè)務(wù)需求場景，離不開5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的支持，這些關(guān)鍵技術(shù)有一個共同之處，5G核心網(wǎng)網(wǎng)元下沉及網(wǎng)絡(luò)切片部署技術(shù)為5G與行業(yè)客戶的結(jié)合搭建了基本框架。在搭建基本框架的基礎(chǔ)上，針對不同的行業(yè)客戶的應(yīng)用，有選擇性的進(jìn)行了功能擴(kuò)展和性能優(yōu)化，這些技術(shù)主要集中在5G LAN、5G-V2X、5G 5G uRLLC等方面。

1 面向行業(yè)客戶的5G專網(wǎng)性能保障的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 面向行業(yè)客戶5G專網(wǎng)基本框架

（1）核心網(wǎng)網(wǎng)元有選擇性的下沉。5G具有高速率、低時延、廣鏈接特性，5G核心網(wǎng)作為5G業(yè)務(wù)使能中心，差異化體驗(yàn)和運(yùn)營的錨點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要滿足5G網(wǎng)絡(luò)更加高效、靈活彈性、敏捷健壯以及智能化運(yùn)維的組網(wǎng)能力。因此在5G核心網(wǎng)提出分層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合5G業(yè)務(wù)需求，5G核心網(wǎng)建設(shè)主流的建網(wǎng)方式有以下4種模式：一是針對eMBB類大視頻、AR/VR等場景需求，將UPF進(jìn)行下沉，滿足視頻業(yè)務(wù)就地訪問的需求；二是為滿足車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，將SMF與UPF一起進(jìn)行下沉至園區(qū)或者企業(yè)，滿足車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)高可靠性的組網(wǎng)要求；三是為滿足URLLC的組網(wǎng)需求，將AMF/SMF/UPF一起下沉；四是為滿足行業(yè)大客戶的組網(wǎng)需求，5GC全部下沉至園區(qū)或企業(yè)，組建私有專網(wǎng)。

（2）網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)部署方式。5G網(wǎng)絡(luò)切片由無線網(wǎng)子切片、核心網(wǎng)子切片、承載網(wǎng)子切片及網(wǎng)絡(luò)切片管理子系統(tǒng)四部分組成。前三者統(tǒng)一于網(wǎng)絡(luò)切片管理子系統(tǒng)中，利用SDN、NFV、FlexE、虛擬化等四種關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)。目前對網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的研究已經(jīng)從其概念和分類逐步深入到多切片的協(xié)同和劃分上，在5G網(wǎng)絡(luò)中，用戶可能擁有2C和2B兩種屬性，在這種場景下，在共享PCF中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)切片選擇（NSSP）策略，用戶可以同時接入多個切片，實(shí)現(xiàn)切片的動態(tài)切換。在面向5G 2B業(yè)務(wù)eMBB場景業(yè)務(wù)需求時，AMF/UDM/PCF等與2C切片有2種部署方式，分別為共享和隔離兩種，當(dāng)eMBB場景業(yè)務(wù)需求面向人時，采用共享方式部署；當(dāng)eMBB場景業(yè)務(wù)需求面向企業(yè)時，與2C切片以隔離方式部署。在面向2B mMTC場景業(yè)務(wù)需求時，此類業(yè)務(wù)對切片的隔離度要求低，可部署一個切片實(shí)例承載多種業(yè)務(wù)需求。在面向5G 2B URLLC場景業(yè)務(wù)需求時，在需要低時延切片控制的同時，也需要高帶寬的切片協(xié)同回傳視頻，這種場景需要一個切片實(shí)例同時支持eMBB和URLLC。

1.2 面向行業(yè)客戶5G專網(wǎng)性能優(yōu)化技術(shù)

（1）5G與TSN技術(shù)深度融合。時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）以低時延、高可靠和確定性傳輸?shù)确矫嫣匦院芎玫臐M足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。為了滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)以及開放化的需求，產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界以及標(biāo)準(zhǔn)組織研究，開始探索5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合等方面的相關(guān)增強(qiáng)技術(shù)，尤其是3GPP已經(jīng)開始了5G TSN的標(biāo)準(zhǔn)化工作，采用橋接技術(shù)建立了基本的融合架構(gòu)。

5G與TSN融合后，5G NR無線替代工廠內(nèi)的有線網(wǎng)絡(luò)，可以靈活的部署5G系統(tǒng)架構(gòu)，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)各種場景的組網(wǎng)需求。在3GPP R16版本中，又對5G TSN網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，主要解決了靈活的上行鏈路調(diào)度、精確的時間同步以及5G對TSN類型流量的支持相關(guān)技術(shù)難題。

5G與TSN技術(shù)深度融合主要從三個方面入手：在接入側(cè)，將TSN系統(tǒng)的時間同步、時延和時延抖動的技術(shù)思路擴(kuò)展至5G空口，使5G空口滿足TSN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸需求；在U E側(cè)，部署TSN網(wǎng)關(guān)，在3GPP R16版本中定義為DS-TT，對接5G網(wǎng)關(guān)與TSN網(wǎng)關(guān)的相關(guān)協(xié)議的轉(zhuǎn)換及業(yè)務(wù)系統(tǒng)的映射；在核心網(wǎng)側(cè)，部署核心網(wǎng)側(cè)TSN網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中相關(guān)端口、協(xié)議數(shù)據(jù)單元以及QoS機(jī)制映射，在核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)策略方面，支持在同一個UPF下的UE與UE之間實(shí)現(xiàn)確定性通信的能力開放。但當(dāng)前5G TSN網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)業(yè)鏈還不夠成熟，5G TSN網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需要終端、接入、傳輸及核心網(wǎng)的改造支持。

（2）5G與車聯(lián)網(wǎng)深度融合。車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可大致分為協(xié)同服務(wù)類應(yīng)用、交通安全類應(yīng)用、交通效率類應(yīng)用、信息服務(wù)類應(yīng)用。其中協(xié)同服務(wù)類應(yīng)用已經(jīng)在智慧高速編隊(duì)行駛、基于5G的遠(yuǎn)程駕駛、智慧路口協(xié)作通行、協(xié)同性安全駕駛等方面開展。目前自動駕駛應(yīng)用主要集中在L2級別，5G與V2X技術(shù)結(jié)合將推動自動駕駛向著L3/L4方向發(fā)展。3GPP在R16版本，開展了基于5G系統(tǒng)的V2X技術(shù)研究。相比與LTE V2X，5G-V2X技術(shù)有以下特點(diǎn)：在接入層，引入組播、廣播和單播等多種通信方式，單播通信方式中可以與特定終端建立鏈路，也可以與特定的業(yè)務(wù)建立鏈路，實(shí)現(xiàn)鏈路的高可靠性的傳輸要求。在核心網(wǎng)，將LTE-V2X的VCR功能集成到PCF功能中，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)參數(shù)及策略的下發(fā)功能。在引入PC5直接通信的基礎(chǔ)上，將QoS與NR-PC5結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了更高質(zhì)量的V2X的業(yè)務(wù)需求。在R16標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)的同時，3GPP已經(jīng)緊鑼密鼓啟動了R17技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究工作。并初步規(guī)劃了R17的主要增強(qiáng)技術(shù)，繼續(xù)對現(xiàn)有版本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行演進(jìn)，計(jì)劃在2021年底完成。5G在V2X技術(shù)方面的增強(qiáng)，為智慧交通行業(yè)的發(fā)展帶來了更廣闊的前景，最終實(shí)現(xiàn)L5級別的自動駕駛。

（3）5G與局域網(wǎng)深度融合。隨著用戶對局域網(wǎng)組網(wǎng)靈活性以及對終端的靈活管理功能的要求的不斷提高，局域網(wǎng)局限性也逐步凸顯出來。比如，行業(yè)客戶要求能夠隨時調(diào)取特定終端的數(shù)據(jù)，能夠與特定的終端組成動態(tài)的組群，滿足臨時性組網(wǎng)的需求。5G與LAN技術(shù)的結(jié)合，很好地解決了行業(yè)客戶智能化組網(wǎng)的需求。5G LAN技術(shù)首次在移動網(wǎng)絡(luò)中引入終端管理的概念，支持組內(nèi)終端直接通信，通過動態(tài)的群組管理、指定終端的IP地址等技術(shù)，構(gòu)建基于5G的二層轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)。在核心網(wǎng)層面，將組內(nèi)的終端信息及IP地址放入到UDM中，為行業(yè)客戶提供能力開放接口，可靈活實(shí)現(xiàn)組內(nèi)成員管理及局域網(wǎng)的構(gòu)建。通過5G SMF與UPF的交互實(shí)現(xiàn)終端組內(nèi)數(shù)據(jù)交換和用戶面路徑的選擇。行業(yè)客戶通過5G建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的同時，通過5G LAN增強(qiáng)技術(shù)，使得5G接入的終端可以和應(yīng)用服務(wù)器組建大二層的局域網(wǎng)，滿足行業(yè)專屬“局域網(wǎng)”建設(shè)需求。

2 技術(shù)應(yīng)用分析

行業(yè)客戶的應(yīng)用可以概括為傳統(tǒng)局域網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)以及未來的車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。5G以其大帶寬、低時延、廣互聯(lián)優(yōu)良的技術(shù)優(yōu)勢、靈活的組網(wǎng)方式正推動各行各業(yè)廣闊的發(fā)展。5G 80%的應(yīng)用主要集中在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，已經(jīng)在業(yè)界達(dá)成共識，在組建5G TSN基礎(chǔ)上，行業(yè)客戶可利用5G LAN及5G-V2X技術(shù)實(shí)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)局域網(wǎng)組網(wǎng)以及車聯(lián)網(wǎng)方面的需求，利用切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)一體化的建設(shè)，在節(jié)省建設(shè)成本的基礎(chǔ)上，建立一張開放的網(wǎng)絡(luò)。

3 結(jié)束語

目前，行業(yè)客戶對專網(wǎng)建設(shè)要求越來越靈活，5G網(wǎng)絡(luò)以其優(yōu)良的特性和良好的擴(kuò)展性，為行業(yè)客戶的建設(shè)組建一張網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多種功能提供了可行性的方案。本文面主要面向智能化工業(yè)園區(qū)組網(wǎng)需求，以5G網(wǎng)絡(luò)切片和核心網(wǎng)功能下沉為基礎(chǔ)，分別對園區(qū)基于5G組建TSN網(wǎng)絡(luò)、LAN網(wǎng)絡(luò)及V2X網(wǎng)絡(luò)研究了其增強(qiáng)技術(shù)，為未來智能園區(qū)的組網(wǎng)提供了一體化的解決方案。