基于5G網(wǎng)絡的確定化網(wǎng)絡實現(xiàn)架構和關鍵技術分析

0 引言

5G賦能企業(yè)級客戶和垂直行業(yè)的智慧化發(fā)展，為運營商和產業(yè)合作伙伴帶來新的商業(yè)模式，開啟一個全連接的新時代。與此同時，千行百業(yè)多種多樣的業(yè)務需求場景，也為5G個性化的網(wǎng)絡定制能力帶來巨大挑戰(zhàn)，5G確定化網(wǎng)絡應運而生，并成為近年來業(yè)界關注與發(fā)展的焦點之一［1-2］。5G確定化網(wǎng)絡指在一個網(wǎng)絡域內，借助移動邊緣計算、網(wǎng)絡切片和時間敏感網(wǎng)絡（Time SensiTIve Network，TSN）等多種關鍵技術，可以為承載業(yè)務提供確定化業(yè)務保障能力的網(wǎng)絡，該確定化業(yè)務保障能力涵蓋時延、時延抖動和丟包率等關鍵QoS指標體系［1］。

本文從5G網(wǎng)絡的個性化和定制化等能力入手，分析了4種典型行業(yè)應用場景對5G網(wǎng)絡性能指標的確定化要求，并重點提出了確定化網(wǎng)絡實現(xiàn)架構和關鍵技術，并通過部分典型案例加以呈現(xiàn)。

1 5G特點與能力

5G是面向2020年以后移動通信需求而發(fā)展的新一代移動通信系統(tǒng)，在傳輸速率和資源利用率等方面較4G系統(tǒng)獲得大幅提升。用戶在享受更高、更快、更豐富的體驗的同時，也對網(wǎng)絡速率和時延等性能指標提出更高的要求［3］。

5G網(wǎng)絡的增強移動寬帶、超高可靠低時延通信和海量連接，構建了5G與垂直行業(yè)實現(xiàn)萬物互聯(lián)全連接愿景的特性，如表1所示。一方面，5G技術憑借虛擬化架構的引入，實現(xiàn)轉發(fā)面與控制面的徹底分離，通過網(wǎng)絡切片和邊緣計算技術使得面向行業(yè)的可定制化網(wǎng)絡構建成為可能，實現(xiàn)業(yè)務的快速上線和更極致的用戶體驗，使能垂直行業(yè)應用的開放和發(fā)展；另一方面，相對于4G“盡力而為”的網(wǎng)絡特性，5G大帶寬（0～10 Gb/s）、低時延（1～100 ms）和高可靠性（0～99.999 9%）等能力，為網(wǎng)絡性能配置提供了靈活的配置空間，從而滿足車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)等行業(yè)網(wǎng)絡的不同需求［4］。

隨著移動通信網(wǎng)絡的快速研究與發(fā)展，不同行業(yè)用戶對網(wǎng)絡確定化需求日益高漲，特別是在智能電網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等面向于低時延和高可靠性的垂直應用領域，對網(wǎng)絡提出了更加嚴格的時延、抖動、丟包率和可靠性等承載需求，這種隨網(wǎng)絡指標的嚴格要求促使5G確定化網(wǎng)絡應運而生，并成為業(yè)界關注的重點。

目前，電子電氣工程師學會（InsTItute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）和互聯(lián)網(wǎng)工程任務組（Internet Engineering Task Force，IETF）已提出確定性網(wǎng)絡技術。IEEE 802.1工作組（Work Group，WG）致力于時間敏感網(wǎng)絡（TIme SensiTIve Network，TSN）的標準化，時間敏感網(wǎng)絡是當前實現(xiàn)確定性網(wǎng)絡的技術方向，通過IEEE 802.1AS時鐘同步、IEEE 802.1Qcc流預留、IEEE 802.1Qch循環(huán)排隊等技術保障物理層和鏈路層的確定性時延；IETF的DetNet（Deterministic Network）工作組專注于網(wǎng)絡層（L3）及更高層次的廣域確定性網(wǎng)絡技術。此外，5G標準化工作組已將目標定為總時延1 ms或更低，應用層的開放通信平臺OPC UA（Object linking and embedding for Process Control Unified Architecture）也在積極尋求與TSN的結合，確定性網(wǎng)絡的發(fā)展充滿了機遇與挑戰(zhàn)，是未來真正實現(xiàn)5G產業(yè)繁榮的基礎，也是5G使能千行百業(yè)的重要抓手［2］。

2 典型應用場景

5G確定化網(wǎng)絡技術已成為當今學術界和產業(yè)界研究人員重點關注的熱點之一，不僅在學術領域有廣闊的研究空間，而且在產業(yè)化方面也有巨大的市場前景，因此，研究其在特定場景下具體需求對確定化網(wǎng)絡的發(fā)展落地具有重要意義。本節(jié)將主要分析確定化網(wǎng)絡的4個典型應用場景，并介紹每個場景下對網(wǎng)絡能力的具體需求。

2.1智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)是智慧能源的基本保障，是推動我國經濟社會協(xié)調、可持續(xù)發(fā)展進程的重要物質基礎?；诂F(xiàn)有電網(wǎng)業(yè)務作“從主干向末端延伸”式的5G應用，如配網(wǎng)差動保護、毫秒級精準負荷控制對通信的可靠性、低時延、大帶寬、安全防護有著迫切需求，5G技術為這些業(yè)務的推廣應用提供了基礎。智能電網(wǎng)中具有潛在需求和典型代表意義的應用場景對5G網(wǎng)絡性能指標的要求如表2～表4所示。

2.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過智能機器間的連接并最終將人機連接，結合軟件和大數(shù)據(jù)分析，重構全球工業(yè)、激發(fā)生產力。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)涉及機械、船舶、飛機制造、電力等較多的工業(yè)領域，應用廣泛。如飛機制造領域，通過5G+8K視頻檢測生產安裝缺陷，使用5G+AR輔助飛機裝配，有效提高飛機生產研制效率，該場景對5G網(wǎng)絡時延、帶寬和安全性等性能指標都提出了較為嚴格的要求。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景中較具有代表意義的典型業(yè)務對5G網(wǎng)絡的性能需求如表5所示。

2.3 智慧醫(yī)療

借助5G網(wǎng)絡的毫秒級別的低時延、Gb/s級別的高速率，并充分利用5G 移動通信網(wǎng)絡提供的移動邊緣計算能力，可以為醫(yī)療行業(yè)提供低時延、高可靠的邊緣云技術服務，實現(xiàn)個性化的便利智慧醫(yī)療。

目前，醫(yī)療行業(yè)的相關業(yè)務比較全面地覆蓋了5G的三大應用場景。例如，增強型移動寬帶場景應用主要有5G急救車，通過廣域連續(xù)覆蓋的5G網(wǎng)絡實現(xiàn)現(xiàn)場高清視頻、病患體征及病情等關鍵生命信息的實時回傳，輔助后臺指揮中心的指揮調度；同時，通過可穿戴設備對病患及高危人群的體征數(shù)據(jù)進行全天候不間斷的檢測與分析，建立用戶的體征檔案，實現(xiàn)對所患疾病的早發(fā)現(xiàn)、早治療。低時延、高可靠場景主要應用有院內無線監(jiān)護、遠程監(jiān)測及遠程手術等對低時延有較高要求的場景。針對當前存在的院內醫(yī)療設備種類多、管理監(jiān)控不便、設備間數(shù)據(jù)難以共享等問題，海量機器連接場景則可以提供統(tǒng)一接入方式，實現(xiàn)院內醫(yī)療設備統(tǒng)一管理與數(shù)據(jù)互聯(lián)。

智慧醫(yī)療場景中的遠程診斷、遠程示教等高價值應用業(yè)務對5G網(wǎng)絡服務能力的要求如表6所示。

2.4 車聯(lián)網(wǎng)

車聯(lián)網(wǎng)是5G重要應用場景之一，也是解決目前自動駕駛面臨技術瓶頸的重要技術手段之一。5G車聯(lián)網(wǎng)的自動駕駛業(yè)務對網(wǎng)絡時延、可靠性以及速率要求非常高，根據(jù)車輛自動化不同等級，網(wǎng)絡指標也不盡相同，全自動化（L5級）場景中，5G網(wǎng)絡傳輸時延需要達到1 ms，傳輸速率需要達到0.1 Gb/s［4］。

車聯(lián)網(wǎng)場景中較具有代表意義的典型業(yè)務對5G網(wǎng)絡的性能需求如表7所示。

3 網(wǎng)絡實現(xiàn)架構與關鍵技術

5G確定化網(wǎng)絡基于原生云超分布式架構，包括三大關鍵使能技術：超性能異構MEC、動態(tài)智能網(wǎng)絡切片和時間敏感網(wǎng)絡技術。超性能異構MEC是5G確定化網(wǎng)絡的基礎，業(yè)務在邊緣閉環(huán)支持更低時延；動態(tài)智能網(wǎng)絡切片則是5G確定化網(wǎng)絡的核心能力，保證確定化網(wǎng)絡體驗；時間敏感網(wǎng)絡旨在為以太網(wǎng)協(xié)議構建“通用”的時間敏感機制，確保網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間確定化。

3.1實現(xiàn)架構

5G確定化網(wǎng)絡是一個端到端的概念，涉及無線網(wǎng)絡的基站、傳輸和核心網(wǎng)等多個組成部分。其中，核心網(wǎng)對于5G確定化能力至關重要，5G核心網(wǎng)控制面可以集中部署，對轉發(fā)資源進行全局調度；用戶面則可按需集中或分布式靈活部署，當用戶面下沉靠近網(wǎng)絡邊緣部署時，可實現(xiàn)本地流量分流，支持端到端的毫秒級時延。

圖1給出了5G確定化網(wǎng)絡邏輯架構示意圖，其中最底層展示了5G服務化架構，核心網(wǎng)、接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)構成網(wǎng)絡能力生成層；業(yè)務需求層主要負責接收各垂直行業(yè)的業(yè)務需求，客戶統(tǒng)一訂購簽約界面；能力匹配層主要根據(jù)客戶的需求，借助網(wǎng)絡切片、移動邊緣計算、時間敏感網(wǎng)絡等5G關鍵技術，形成5G網(wǎng)絡的確定化服務能力；能力提取與編排層根據(jù)“確定化服務能力”指標要求，將提取到的能力借助能力編排器進行封裝與編排，最終滿足行業(yè)客戶對確定化網(wǎng)絡能力的需求。

3.2 關鍵技術

3.2.1 邊緣計算

在5G確定化網(wǎng)絡中，邊緣計算非常重要。MEC邊緣計算節(jié)點有兩個核心任務：（1）把網(wǎng)絡端到端的時延最大化地降低到可接受的范圍。時延是所有網(wǎng)絡能力中最關鍵的一點，確定化網(wǎng)絡首先要能夠保證低時延。MEC使時延能夠降低到足夠低，使整個網(wǎng)絡的聯(lián)接可以快速在邊緣實現(xiàn)。（2）實現(xiàn)確定化的網(wǎng)絡，需要在MEC邊緣節(jié)點上通過移動邊緣計算業(yè)務平臺（ME Platform manager，MEP），使能各系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通合作，所有應用可以在邊緣實施，確保確定化時延和可靠性［3］。

MEC可以使應用、服務和內容實現(xiàn)本地化、近距離、分布式部署，作為5G演進的關鍵技術之一，在5G架構也支撐邊緣計算的部署，常見模式是用戶面功能（User Plane Function，UPF）可以選擇業(yè)務，本地業(yè)務可以選擇下沉的方式，具體部署架構圖如圖2所示。

MEC作為AF與5G核心網(wǎng)之間的接口，交互路由與控制策略信息。圖3為AF影響路由與策略，即本地卸載流量走插入UPF，其他流量直接走大區(qū)核心網(wǎng)或省級UPF。

MEC并非一定要部署到末端綜合接入機房，而是可以根據(jù)業(yè)務需求確定，主要部署位置包括邊緣級（基站與回傳網(wǎng)絡之間）、區(qū)域級（匯聚環(huán)和接入環(huán)之間）和地區(qū)級（匯聚核心層）。依據(jù)UPF與MEP部署位置的不同，可以進一步實現(xiàn)對網(wǎng)絡確定化時延的靈活控制，如圖3所示。

3.2.2 網(wǎng)絡切片

網(wǎng)絡切片是5G網(wǎng)絡核心能力，在5G確定化網(wǎng)絡中扮演了重要角色網(wǎng)絡。網(wǎng)絡切片通過將網(wǎng)絡資源靈活分配、能力靈活組合，基于一張物理網(wǎng)絡虛擬出網(wǎng)絡特性不同的邏輯子網(wǎng)，滿足不同場景的定制化需求。在網(wǎng)絡切片劃分的過程中，可以根據(jù)不同類型業(yè)務對邏輯子網(wǎng)的特性和能力進行定制，因此網(wǎng)絡切片使得運營商具備了按需定制網(wǎng)絡服務的能力。此外，通過開放標準API和自服務入口，網(wǎng)絡運營商可以授權其客戶自行購買并運營網(wǎng)絡切片，客戶可以將網(wǎng)絡切片集成到自身的服務和應用中，從而極大提升網(wǎng)絡切片應用的靈活性和變現(xiàn)能力，拓展運營商的商業(yè)機會。

面對行業(yè)客戶多變的需求，網(wǎng)絡切片提供靈活按需定制的服務，需要實現(xiàn)切片閉環(huán)的保障和SLA指標實現(xiàn)的檢測，需要實現(xiàn)切片的隔離和安全性保障，來應對不同行業(yè)的不同的安全等級要求。同時，一個E2E切片同樣可以由多個專業(yè)子切片組成，需要實現(xiàn)E2E切片的統(tǒng)一管理?；诖_定化網(wǎng)絡編排可以提供專業(yè)子切片內部的傳輸，通過使用多個彼此資源不沖突的子切片，在不同邏輯網(wǎng)絡中實現(xiàn)單獨帶寬和時延保障，確保網(wǎng)絡性能的確定性。其中E2E切片智能保障的示意圖如圖4所示，主要依賴自動化閉環(huán)來實現(xiàn)，同時對于物理性維護和必要的外線干預，提供人工閉環(huán)的保障途徑。

3GPP標準協(xié)議制定的全新5G核心網(wǎng)架構中引入了新的網(wǎng)絡功能網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分析功能（NWDAF），用于收集、分析網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，以及向其他的網(wǎng)絡功能提供數(shù)據(jù)分析結果信息，NWDAF提供的數(shù)據(jù)分析結果主要包含切片負載、業(yè)務體驗、網(wǎng)絡性能等信息［5］。NWDAF在切片的智能選擇、切片自動負荷分擔、網(wǎng)絡功能備份的自動調整等切片保障方面，將有望帶來更多的可能性。

3.2.3 時間敏感網(wǎng)絡（TSN）

在5G垂直行業(yè)的業(yè)務中，及時、安全地傳輸數(shù)據(jù)是工業(yè)通信技術的關鍵要求之一。時間敏感網(wǎng)絡是滿足該要求的很有發(fā)展前景的重要技術。根據(jù)3GPP 5G需求規(guī)范［3］，對于時間敏感的工業(yè)應用場景，可能需要達到1 ms的延遲、1 ？滋s的抖動和99.9999%的可靠性。

5G與TSN的融合有助于將5G的潛力擴展到更廣闊的領域，在5G網(wǎng)絡上融合TSN服務，關鍵在于實現(xiàn)5G網(wǎng)絡與TSN的互通，圖5給出了5G與TSN的融合方案。為了滿足行業(yè)應用對確定性時延的要求，首先要提供精確的時間同步機制，并要提供確定的傳輸路徑。具體實現(xiàn)中可以將網(wǎng)絡中性能需求不同的業(yè)務設置不同優(yōu)先級，并進行包括帶寬、時延、分組長度、發(fā)送頻率、端口入時間窗口和出時間窗口以及每個節(jié)點間的出、入時間窗口的匹配等特性配置，實現(xiàn)確定性需求業(yè)務流程與其他業(yè)務沒通過時分復用為高優(yōu)先級業(yè)務流程提供確定傳輸時隙，以保證時間敏感業(yè)務的確定化傳輸路徑［2］。

目前，在OT和CT領域，部分企業(yè)正在嘗試將5G與TSN相結合，實現(xiàn)將傳感器和執(zhí)行器等工業(yè)設備以5G方式連接到TSN網(wǎng)絡。較之于4G，5G無線接入網(wǎng)提供了更好的可靠性和傳輸延遲。同時，5G虛擬化系統(tǒng)架構允許被靈活地部署，可以實現(xiàn)不受電纜安裝限制的TSN網(wǎng)絡。

4 實現(xiàn)案例

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能醫(yī)療等5G垂直行業(yè)典型應用場景，對時延、帶寬、可靠性等網(wǎng)絡指標提出嚴格要求。本文以智能電網(wǎng)典型場景為例，闡述5G確定化網(wǎng)絡已在行業(yè)應用中的初步探索。

在智能電網(wǎng)的發(fā)電、輸電、變電、配電和用電等多個生產環(huán)節(jié)中，包括視頻巡檢、配網(wǎng)自動化、精準負荷、控制自動抄表等可以與5G“超低時延”和“海量連接”特性相結合的典型業(yè)務場景。其中，對于廣域開放性場景，主要針對配網(wǎng)和用網(wǎng)以及少量存在移動性或無線接入需求的輸變電場景。確定化網(wǎng)絡重點采用5G網(wǎng)絡切片解決方案，而邊緣計算是支撐超低時延超大帶寬網(wǎng)絡切片的主要技術手段；對于局域封閉性場景，主要針對發(fā)電廠、變電站等特定高安全隔離需求場景，確定化網(wǎng)絡重點采用以邊緣計算為核心的虛擬專網(wǎng)解決方案，網(wǎng)絡切片則是實現(xiàn)公專網(wǎng)業(yè)務協(xié)同的支撐技術。

以精準符合控制場景為例，該場景重點為解決電網(wǎng)故障初期頻率快速跌落、主干通道潮流越限、省際聯(lián)絡線功率超用、電網(wǎng)旋轉備用不足等問題。通過確定化網(wǎng)絡技術，根據(jù)不同控制要求分為實現(xiàn)快速負荷控制的毫秒級控制系統(tǒng)和更加友好互動的秒級/分鐘級控制系統(tǒng)，基于5G網(wǎng)絡切片解決方案，通過邊緣計算實現(xiàn)超低時延超大帶寬網(wǎng)絡切片，實現(xiàn)架構如圖6所示。

測試結果表明：基于5G確定化網(wǎng)絡技術，充分利用5G網(wǎng)絡的毫秒級低時延能力，結合網(wǎng)絡切片的SLA保障，增強電網(wǎng)與電力用戶間的雙向互動，有效提升了在突發(fā)電網(wǎng)負荷超載的情況下對電網(wǎng)末端小顆粒度負荷單元的精準管理能力，將因停電所造成的經濟、社會影響降至最低。

5 結論

5G確定化網(wǎng)絡技術已成為當今學術界和產業(yè)界研究人員重點關注的熱點之一。本文從5G網(wǎng)絡的個性化和定制化等能力入手，分析了4種典型行業(yè)應用場景對5G網(wǎng)絡性能指標的確定化要求，重點提出了確定化網(wǎng)絡實現(xiàn)架構和關鍵技術，并通過部分典型案例加以呈現(xiàn)。5G確定化網(wǎng)絡關鍵技術的研發(fā)仍處于起步探索階段，而5G與時間敏感性技術的協(xié)同融合也是實現(xiàn)確定化網(wǎng)絡的關鍵，5G確定化網(wǎng)絡將是實現(xiàn)5G行業(yè)業(yè)務應用的基礎，也是5G使能千行百業(yè)的重要抓手。

參考文獻

［1］ 趙福川，劉愛華，周華東.5G確定性網(wǎng)絡的應用和傳送技術［J/OL］。中興通訊技術：1-14［2019-11-20］.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/34.1228.TN.20190916.1427.002.html.

［2］ 黃韜，汪碩，黃玉棟，等。確定性網(wǎng)絡研究綜述［J］。通信學報，2019，40（6）：160-176.

［3］ TS 22.261，Service requirements for next generation new services and markets，V17.0.1［Z］.2019.

［4］ IMT-2020 5G推進組.5G愿景與需求白皮書［Z］.2014.

［5］ 中國電信，國家電網(wǎng)，華為.5G網(wǎng)絡切片使能智能電網(wǎng)［Z］.2018.