面向車路協(xié)同5G 網(wǎng)絡(luò)端到端切片技術(shù)方案研究

李艷芬，王秋紅，袁雪琪

(中國電信股份有限公司研究院，北京 102209)

0 引言

由于交通環(huán)境的復(fù)雜性，單車智能無人駕駛存在各類傳感器的可靠性，以及對突發(fā)事件響應(yīng)能力不足的問題，導(dǎo)致無人駕駛需求難以滿足[1]。因此，車路協(xié)同成為通往自動(dòng)駕駛和未來城市智慧交通的必由之路。車路協(xié)同系統(tǒng)包括聰明的車、智慧的路、強(qiáng)大的網(wǎng)和智慧的云4 個(gè)關(guān)鍵因素。其中，C-V2X 與5G 融合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建車路協(xié)同強(qiáng)大的網(wǎng)，是車-路-網(wǎng)-云各個(gè)要素有效融合和優(yōu)勢互補(bǔ)的橋梁[2]。5G 網(wǎng)絡(luò)切片是5G 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一，也是為行業(yè)用戶提供定制化網(wǎng)絡(luò)的主要方法[2]。面向智能車路協(xié)同的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場景非常豐富，其對網(wǎng)絡(luò)性能要求各異[3]，通過5G 網(wǎng)絡(luò)切片可提供特定網(wǎng)絡(luò)能力，可以為不同業(yè)務(wù)場景的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供端到端的大帶寬、低時(shí)延、高可靠的靈活定制化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速上線和更極致的用戶體驗(yàn)[4]。

為了實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)切片對車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的定制化服務(wù)[5]，本文研究從以下幾個(gè)切入點(diǎn)展開。

(1)車路協(xié)同業(yè)務(wù)需求分析

不同車路協(xié)同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)需求不同，通過將車路協(xié)同業(yè)務(wù)進(jìn)行分類，研究不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延等特殊化需求。

(2)車路協(xié)同端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)方案

網(wǎng)絡(luò)切片是貫穿無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)端到端網(wǎng)絡(luò)。本文將通過各個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)對車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)端到端的服務(wù)保障。

1 車路協(xié)同業(yè)務(wù)需求分析

圍繞當(dāng)前行業(yè)中車路協(xié)同應(yīng)用場景，以及各場景對網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的需求，可將車路協(xié)同業(yè)務(wù)場景分為遠(yuǎn)程遙控類、信息服務(wù)類、效率類、安全類4 類[6]。

1.1 遠(yuǎn)程遙控類場景特性及通信需求

典型的遠(yuǎn)程遙控類場景包括遠(yuǎn)程遙控自主泊車、礦山遙控作業(yè)、物流園遙控作業(yè)、港口遠(yuǎn)程遙控作業(yè)等。該類業(yè)務(wù)對實(shí)時(shí)性、可靠性要求非常高，對數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)與丟失有嚴(yán)格要求，要求通信信道具備較高的安全防護(hù)等級。

1.2 信息服務(wù)類場景特性及通信需求

典型信息服務(wù)類場景包括車載娛樂信息下載、場站路徑引導(dǎo)服務(wù)和高精地圖動(dòng)態(tài)更新等。該類業(yè)務(wù)場景通常都屬于連續(xù)性有大帶寬需求的場景，需滿足高速移動(dòng)性需求，部分場景對時(shí)延和計(jì)算要求較高。

1.3 效率類場景特性及通信需求

該類業(yè)務(wù)場景又可以細(xì)分為兩小類場景，一類為車輛編隊(duì)類場景，對時(shí)延要求比較低，可靠性高，消息發(fā)送頻率比較高，業(yè)務(wù)連續(xù)性需求較低；另一類場景為動(dòng)態(tài)車道管理以及汽車近場支付等，該類場景則對時(shí)延和可靠性要求較低一些，對連接數(shù)要求要高一些。

1.4 安全類場景特性及通信需求

典型場景有協(xié)作式車輛匯入和協(xié)作式交叉路口通行等。該類業(yè)務(wù)場景通常通信范圍較小，可靠性高，業(yè)務(wù)連續(xù)性需求低，平臺需求普遍較低，除部分感知需求的場景外，其他場景計(jì)算和存儲能力需求都不高。

1.5 典型場景特性及通信需求

下面針對上述4 類場景中的典型場景進(jìn)行通信性能需求[7]的介紹，如表1 所示。

表1 典型場景通信需求

2 車路協(xié)同端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)研究

智能車路協(xié)同應(yīng)用場景對應(yīng)于3GPP 定義的4 種類型，即eMBB(enhanced Mobile Broadband)、URLLC(ultra-Reliable and Low Latency Communications)、mMTC(massive Machine Type Communications)和V2X(Vehicle to Everything)[8]。對于遠(yuǎn)程遙控類場景、信息服務(wù)類場景、效率類場景、安全類場景業(yè)務(wù)，由于每個(gè)業(yè)務(wù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括控制指令、狀態(tài)量、圖片、視頻等，相應(yīng)的對網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時(shí)延、可靠性、移動(dòng)性、覆蓋范圍和用戶數(shù)等都有不同的要求。

為了滿足這些需求，需要通過5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)。5G 網(wǎng)絡(luò)切片是將5G 物理網(wǎng)絡(luò)切分為多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)多用，從而構(gòu)建多個(gè)專用、虛擬、隔離、按需定制的邏輯網(wǎng)絡(luò)，滿足不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)能力的不同要求(如低時(shí)延、高帶寬、大連接等)。5G 網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)多業(yè)務(wù)需求，從而提供更好的用戶體驗(yàn)。5G 網(wǎng)絡(luò)切片涉及無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)和終端端到端技術(shù)方案。

2.1 無線網(wǎng)切片技術(shù)方案

由于V2X 相關(guān)切片標(biāo)準(zhǔn)尚未制定完成，mMTC 暫時(shí)還沒有規(guī)模應(yīng)用。車路協(xié)同業(yè)務(wù)目前考慮用uRLLC 和eMBB 切片來分別承載，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)性能需求，無線網(wǎng)子切片基于PRB 資源預(yù)留或切片級QoS 調(diào)度來做優(yōu)先保障。

(1)資源保障策略：采用PRB 資源保障策略，給特定切片組分配部分獨(dú)占資源，網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)也能保障切片業(yè)務(wù)體驗(yàn)。PRB 資源保障分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模式。靜態(tài)模式下，業(yè)務(wù)需求完全獨(dú)占PRB 資源；動(dòng)態(tài)模式下，保障一定獨(dú)占PRB 預(yù)留資源，其他資源按調(diào)度策略。

(2)切片級的調(diào)度優(yōu)先級管理：在傳統(tǒng)QoS 優(yōu)先級調(diào)度基礎(chǔ)上，無線新增支持切片ID+5QI 的調(diào)度優(yōu)先級配置，實(shí)現(xiàn)不同切片下相同5QI 的差異化保障。如5QI 9對應(yīng)的調(diào)度優(yōu)先級配置為13，為了實(shí)現(xiàn)切片1、2、3 的差異化保障，可以設(shè)置切片1 的調(diào)度優(yōu)先級為12，切片3的調(diào)度優(yōu)先級為14，此時(shí)無線資源調(diào)度順序?yàn)榍衅?＞切片2＞切片3。

(3)切片級接入控制：根據(jù)SLA 設(shè)置每切片允許接入的用戶數(shù)以及每切片的DRB 接入獨(dú)占門限，實(shí)現(xiàn)切片級的接納控制，保障每切片上已接入用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

基于每個(gè)切片業(yè)務(wù)特性區(qū)分，無線子切片可以參考表2 所示資源調(diào)度策略。

表2 車聯(lián)網(wǎng)切片無線資源策略

2.2 承載網(wǎng)切片技術(shù)方案

承載網(wǎng)可以分為硬切片和軟切片。硬切片采用FlexE(Flexible Ethernet)/MTN(Metro Transport Network) 接口隔離或MTN 交叉隔離兩種技術(shù)；軟切片通常指采用VPN(Virtual Private Network)+QoS 實(shí)現(xiàn)多個(gè)業(yè)務(wù)在一個(gè)屋里基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上的相互隔離。

對于安全性要求高的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)(如局域遠(yuǎn)程遙控類切片等)，建議采用硬切片，其他對時(shí)延不敏感的業(yè)務(wù)建議采用軟切片。

對于安全隔離性要求不高業(yè)務(wù)，一般采用承載軟切片方案。

軟切片可以基于現(xiàn)有傳輸網(wǎng)，提供VPN 通道即可，連接非常靈活。承載網(wǎng)絡(luò)按照2B 和2C 設(shè)置兩類切片，采用VPN 軟切片方式，車聯(lián)網(wǎng)切片內(nèi)部采用PQ 隊(duì)列調(diào)度，2C 業(yè)務(wù)采用WFQ 隊(duì)列調(diào)度，VLAN 內(nèi)通過5QI 到DSCP 映射來保證各專線業(yè)務(wù)的優(yōu)先級。

2.3 核心網(wǎng)切片技術(shù)方案

5G 核心網(wǎng)基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV 技術(shù)，使其可以按需選擇不同隔離策略。根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)情況選擇隔離方案，包括3 種方式：

(1)控制面網(wǎng)元和用戶面網(wǎng)元全共享方式；

(2)控制面網(wǎng)元共享、用戶面網(wǎng)元UPF 新建，滿足本地分流、低時(shí)延和高隔離的要求；

(3)控制面網(wǎng)元和用戶面網(wǎng)元均新建，這種方案對于建設(shè)成本、組網(wǎng)復(fù)雜度、管理運(yùn)維都帶來壓力，多數(shù)情況下不推薦。

對于時(shí)延要求比較低的業(yè)務(wù)，車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)器建議放在MEC。如果應(yīng)用服務(wù)器放在云上或遠(yuǎn)處的IDC，則UPF 到應(yīng)用服務(wù)器之間是入云專線或STN 等有線專線。

2.4 終端切片技術(shù)方案

終端將協(xié)助網(wǎng)絡(luò)選擇無線網(wǎng)、承載網(wǎng)以及核心網(wǎng)絡(luò)的切片方案，從而面向不同車路協(xié)同業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)在5G 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)端到端切片服務(wù)的目標(biāo)。

5G 終端切片基本方案包括基于APPID、IP 三元組、DNN 等多種業(yè)務(wù)顆粒度的切片基本服務(wù)能力。

5G 終端涉及消費(fèi)者終端(智能手機(jī))和行業(yè)終端(行業(yè)CPE 等)，對于切片的支持，在使用場景、業(yè)務(wù)標(biāo)識獲取、實(shí)現(xiàn)方案上存在一定差異。

受限于終端自身操作系統(tǒng)、芯片等因素，5G 終端切片能力成為5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在車路協(xié)同業(yè)務(wù)商用的主要瓶頸。目前5G 終端對多業(yè)務(wù)場景多切片的支持較弱，商用消費(fèi)者終端尚未支持單終端多切片。

3 結(jié)論

5G 網(wǎng)絡(luò)切片是5G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中引入的原生技術(shù)，是為垂直行業(yè)而生的5G 新能力，車路協(xié)同產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為垂直行業(yè)中研究人員重點(diǎn)關(guān)注的熱點(diǎn)之一。本文將車路協(xié)同業(yè)務(wù)分為4 個(gè)大類，基于不同場景業(yè)務(wù)給出網(wǎng)絡(luò)需求，并論述了無線網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)、終端切片技術(shù)方案，為實(shí)際的示范落地和產(chǎn)品落地提供了技術(shù)支撐。