面向垂直行業的5G核心網關鍵技術演進分析

2020-02-22 12:25:59 移動通信 2020年1期

王丹 孫滔 段曉東 李永競 劉棠青

【摘? 要】為更好服務垂直行業,5G核心網在R16階段開展包括5G LAN、URLLC、5G TSN和5G-V2X在內的多項關鍵技術研究,不斷提升5G網絡硬核能力。通過對這四個技術的應用場景和關鍵能力進行分析,明確5G核心網演進方向,即打造具有按需開放、低時延、高可靠、確定性的高性能5G網絡,成為賦能垂直行業發展的新動力。

【關鍵詞】5G核心網;5G LAN;URLLC;TSN;V2X

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.01.002? ? ? ? 中圖分類號:TN919.8

文獻標志碼:A? ? ? ? 文章編號:1006-1010(2020)01-0008-06

引用格式:王丹,孫滔,段曉東,等. 面向垂直行業的5G核心網關鍵技術演進分析[J]. 移動通信, 2020,44(1): 8-13.

0? ?引言

5G第一階段標準(R15)版本在2018年6月順利完成。在第一版標準中,5G SA架構的設計理念主要體現在三個方面:1)服務化架構(Service Based Architecture,SBA)設計,網絡功能拆解為更細粒度的網絡服務,服務間可靈活組合充分滿足eMBB、URLLC、mMTC三大場景需求;2)先進性,5G SBA架構基于微服務設計理念,可與云化基礎設施和云計算充分融合,使5G核心網的部署具備更強的彈性和可靠性[1];3)多樣性,以網絡切片和邊緣計算為基本服務框架,具備賦能垂直行業的能力,可極大拓展5G網絡能力和適用場景。

第一版5G標準已提供靈活的架構和服務垂直行業的基本框架,但在面向垂直行業的具體網絡能力上,仍有待深入研究。因此在R16階段,5G核心網亟需基于典型行業場景,提出針對性解決方案,真正滿足行業訴求,使得5G網絡成為賦能千行百業的基石。

本文通過對5G LAN(Local Area Network)、URLLC

(Ultra high-Reliability and Ultra Low-Latency)、TSN(Time Sensitive Network)和5G-V2X這四個關鍵技術的應用場景和能力進行分析,明確5G核心網下一步演進方向,即打造具有按需開放、低時延、高可靠、確定性的高性能5G網絡。

1? ?面向垂直行業的5G核心網關鍵技術介紹

1.1? 5G LAN技術

從2G到4G,移動網絡提供的是統一的接入和一致的終端管理。5G時代到來,行業客戶希望5G網絡在提供大連接、高帶寬、低時延的同時,也能像自建的局域網那樣,自己實現對終端的靈活管理。例如行業客戶指定終端的IP地址、要求終端只能與特定的終端通信、授權終端屬于特定群組并動態加入和刪除等。5G LAN技術的出現,正是為了滿足行業客戶這一訴求。

5G LAN技術首次在移動網絡中引入終端組管理的概念,支持組內終端直接通信。該技術共有以下三個特征。

(1)特征1:動態的群組管理。UDM維護一個組內終端的所有簽約信息,行業客戶可通過能力開放接口,將一個終端從群組內動態的加入或刪除。

(2)特征2:指定終端的IP地址。行業客戶可通過能力開放接口,將指定的IP地址段配置到UDM中。當終端使用5G LAN DNN創建會話時,5G網絡將采用靜態IP地址分配的方式,將UDM中存儲的指定IP地址分配給組內終端。這樣達到行業終端使用行業內網IP地址的效果,從而使得通過5G接入的終端可以無縫地與行業內網中的應用服務器或終端互通,構建行業專屬的廣域“局域網”。

(3)特征3:通過UPF直接通信。一個組內終端相互發送的數據,可經過5G網關UPF進行直接轉發,不需要經過N6口;一個組內的終端接入多個UPF時,這些UPF之間將構建直連隧道,保障直接通信。這樣的設計使得5G UPF具備了類似路由器一樣的直接轉發功能,不再需要N6口上路由器或應用服務器的介入,縮短了數據轉發路徑。5G LAN支持終端之間通過UPF直接通信如圖1所示:

5G LAN技術還可與SD-WAN相結合,在UPF集成或外設SD-WAN路由器,構建從5G網絡到行業內網的專屬通道,借助5G強大的覆蓋能力,支持行業終端可以隨時隨地無縫接入行業內網。

1.2? URLLC技術

URLLC(Ultra-Reliable and Low Latency Communi-cation)是3GPP定義的5G三大應用場景之一。典型場景如:

◆工業控制:時延5~20 ms,可靠性5個9;

◆智能電網差動保護:時延15 ms,可靠性5個9;

◆遠程手術:時延≤20 ms,可靠性5個9;

◆自動駕駛:時延3~100 ms,可靠性5個9或更高。

URLLC網絡要求能夠為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近5個9的業務可靠性保證。為滿足這一要求,5G網絡通過構建冗余鏈路和端到端時延監控來保障URLLC業務體驗。

(1)構建冗余傳輸鏈路,支持高可靠數據傳輸

為了滿足URLLC的可靠性要求,5G網絡支持構建端到端的冗余傳輸鏈路或N3隧道的冗余傳輸鏈路。

為盡量減少無線信道波動影響,5G網絡通過建立兩條端到端會話的方式來提升整體的可靠性。如圖2所示,端到端的會話由UE發起,通過兩個NG-RAN建立兩條會話連接到相同的數據網絡(DN),這兩個會話的傳輸路徑不相交。在該機制中,終端和基站都需要支持雙連接。

此外,5G網絡還引入N3冗余隧道機制,增強傳輸鏈路的可靠性。如圖3所示,這兩個N3隧道建立在相同的RAN和UPF之間,但底層傳輸鏈路不相交。為了實現該方案,NG-RAN和UPF需根據控制面要求在正常建立PDU會話時構建兩條N3隧道,NG-RAN和UPF需要支持對上下行數據包的復制和去重。

(2)QoS監控支持實現5G網絡低時延

通過實時測量,5G控制面能及時掌握當前端到端時延情況,輔助網絡拓撲調整(例如UPF重選)或QoS策略調整,從而滿足低時延業務要求。時延監控可以基于QoS流粒度,也可以基于節點粒度。

基于QoS流粒度的時延監控。SMF根據業務需求,在PDU會話建立或修改過程中,觸發端到端時延測量。SMF分別向RAN和UPF發送時延測量請求,其中RAN負責測量空口時延并上報給UPF。當整個5G系統保持時間同步時,UPF發送攜帶時間戳的下行數據包,RAN收到這個測量數據包,并根據其本地時間計算出RAN與UPF之間的下行鏈路傳輸時延。RAN負責構建一個攜帶時間戳的假的上行數據包并發送給UPF,根據時間戳和到達時間,UPF可計算出上行鏈路傳輸時延。當整個5G系統沒有時間同步時,默認RAN與UPF之間的上下行時延一致。UPF在下行數據包的GTP-U頭中添加時間戳T1,RAN收到這個報文為T2,RAN開始進行空口的時延測量并收到終端反饋為時間戳T5,UPF收到RAN上報的單向空口時延測量結果L,并標識收到包時的時間為T6。那么據此可推算出5G單向端到端時延為:(T2+T6-T1-T5)/2+L。

基于節點粒度的時延監控。GTP-U節點通過周期性發送Echo報文來測量RAN和UPF之間的節點粒度時延。

1.3? 5G TSN技術

相比URLLC技術在可靠性和時延方面的保障,TSN技術進一步的在時延抖動和時間同步方面對5G網絡進行增強。5G確定性網絡是指基于移動網絡,為特定應用提供確定性傳輸,即有界時延、低抖動、極高可靠性,以及端到端的高精度時間同步[2]。

如圖4所示,5G系統在R16階段已擴展為支持IEEE 802.1AS時鐘同步機制、802.1Qbv[3]門限控制機制和802.1Qcc[4] TSN配置機制等協議,從而構建端到端的時間敏感網絡。

架構增強:如圖4所示,5G系統作為一個TSN橋集成在TSN系統中。此“邏輯”TSN橋包括TSN轉換器,用于TSN系統和5G系統之間用戶面的交互。5GS TSN轉換器功能由終端側TSN轉換器(DS-TT)和網絡側TSN轉換器(NW-TT)組成。

時間同步:為了實現TSN同步機制,整個端到端5G系統可看作是一個IEEE 802.1AS時間感知系統。如圖4所示,有兩個時間同步域,分別為5G時間域和TSN時間域。在5G系統內部,5G GM(5G內部主時鐘)實現與UE、gNB、UPF、NW-TT和DS-TT的時間同步;只有5G系統邊緣的TSN轉換器(TT)才需要支持IEEE 802.1AS的相關功能,例如:支持(g)PTP、時間戳和最佳主時鐘算法(BMCA)等。

時間敏感通信(TSC)QoS控制:首先5G系統與TSN系統協商好每一個TSN業務流的QoS需求,如帶寬要求、時延要求等。5G系統中的DS-TT和NW-TT支持802.1Qbv的存儲轉發機制。在5G系統內部,TSN業務流將采用時延敏感GBR來保障。在每一個周期內,TSC QoS流被要求只能傳輸一個突發數據塊,這個突發數據塊的大小被用來設置QoS參數中的MDBV(Maximum Data Burst Volume)。QoS參數中的PDB(Packet Delay Budget)來自于TSN業務要求,PCF會按照網絡時延測量的結果,將PDB分解為CN-PDB和AN-PDB,其中AN-PDB被用來指導無線處理時延。在QoS的GBR機制保障下,5G系統雖然對TSN系統是透明的,但是也可以按時完成TSN系統要求的數據流調度傳輸。

1.4? 5G-V2X技術

車聯網V2X(Vehicle to Everything)是指通過信息和通信技術,實現車與車、車與人、車與路和車與網的全方位網絡連接,是推動自動駕駛和智能交通發展的重要基礎。自動駕駛分級制度由國際自動機工程師學會(SAE)提出,分為L0~L5共六個等級[5]。LTE-V2X目前只能支撐L2級別的輔助駕駛,5G V2X有望完成L3/L4的系統研發和市場部署,最終實現自動駕駛。3GPP在R16階段,開展基于5G系統的V2X技術研究。與LTE-V2X相比,5G-V2X主要有以下四個技術特征。

(1)特征1:圖5為5G-V2X基本架構,其中PCF成為V2X控制功能。5G網絡將從LTE-V2X時代引入的VCF(V2X Control Function)功能合并到PCF中,實現V2X服務/策略參數制定、QoS參數下發,并對終端進行V2X服務授權和PC5通信配置。

(2)特征2:NR-PC5支持組播與單播通信。組播通信方式下,V2X應用層通過終端的ID和組播群組的大小來識別組播的對象。單播通信方式分為兩種,一種是面向特定終端建立單播鏈路,另一種是面向特定業務建立單播鏈路。單播鏈路建立前,發起方終端和接收方終端會先進行地址信息交互、QoS協商和安全連接建立。

(3)特征3:NR-PC5支持QoS控制。NR-PC5 QoS控制復用5QI參數,并定義了PC5 QoS模型。在終端層面PC5 QoS參數新增UE PC5 AMBR來指示每個終端PC5的最大聚合比特率,RANGE限定了PC5組播通信時QoS參數的應用范圍;在會話層面PC5 Link MABR限制了每個PC5單播連路能提供的期望的聚合比特率。NR-PC5支持QoS控制使得5G網絡可以滿足更多高服務質量要求的V2X應用。

NR-PC5 QoS和Uu QoS對比如表1所示:

(4)特征4:Uu口支持多等級QoS機制。車聯網業務可預先在5G網絡中配置多等級QoS,當基站由于資源受限無法滿足當前QoS要求時,5G網絡將通過自動降低QoS等級的操作,盡可能保持車聯網業務的連續性,同時基站將新的QoS等級通知車聯網業務和終端。

2? ?技術應用分析

(1)5G LAN,構建廣覆蓋的5G“局域網”

5G LAN技術支持行業客戶對終端的群組管理,包括指定終端的IP地址、動態加入一個群組或刪除等,一個組內的終端具有相同的地址段,可在一個“局域網”內相互通信。該技術具備廣闊的應用前景,例如在海量物聯網終端接入的情況下,5G LAN技術能輕松定位到某行業客戶的終端群組,并支持客戶自主對終端進行配置。在工業場景下,可通過構建不同的5G LAN群組,實現不同等級終端之間的安全隔離。

2019年4月,中國移動聯合華為、百度首次成功驗證了5G LAN的能力,實現百度云對一個組內的攝像頭進行動態的IP地址配置,初步驗證了終端組管理的能力。在隨后的百度云智峰會上,中國移動攜手華為和百度,首次展示基于5G LAN技術的8K視頻直播,8K攝像頭通過5G網絡接入,并與百度云服務器通信,攝像頭與服務器同屬一個局域網。

5G LAN技術對終端和基站無影響,僅需核心網改造升級,可作為5G網絡增強技術在垂直行業網絡中優先引入。

(2)URLLC,支持更可靠的傳輸和更低時延

通過冗余傳輸和周期性數據包測量,5G網絡能夠基本滿足URLLC的業務訴求。但該技術的引入,需要終端及應用層根據冗余傳輸機制進行改造,終端和基站需要支持雙連接,基站需配置靈活幀結構從而實現1 ms單向空口時延,周期性數據包檢測也將大量消耗網絡資源。但不可否認的是,URLLC技術帶來的超低時延、超高可靠特性將為遠程手術、工業控制等場景帶來革命性的改變,其將成為5G服務垂直行業的真正的高價值技術。

(3)5G TSN,構建端到端的5G確定性網絡

5G系統在R16階段基本完成與IEEE802.1主流TSN協議族的適配和對接工作,支持在MAC層實現確定性數據傳輸。但由于IEEE TSN協議本身的復雜性和多樣性,3GPP在進行5G TSN技術標準化時遇到一定困難,5G TSN標準工作推進緩慢。因此3GPP計劃在R17啟動面向移動網絡所特有的確定性機制研究。

5G TSN技術對終端、基站、傳輸和核心網均有改造要求,終端和UPF需要支持TT(TSN Translator)功能,核心網AF需支持與TSN系統控制面(CNC/CUC)進行對接并完成協議解讀和參數映射,此外5G核心網還需要實現與傳輸網和基站的5G主時鐘同步。雖然5G網絡引入TSN代價較高,但可以預見的是,5G TSN技術將廣泛應用于工業控制、機器制造、高清音視頻傳輸等領域[6]。具備TSN屬性的5G網絡將真正成為具有確定時延、低抖動、高可靠的5G確定性網絡,為垂直行業提供真正的SLA保障。

(4)5G-V2X,為自動駕駛構建可用的5G網絡

車聯網一直被認為是5G網絡的殺手級業務,具備低時延(自動駕駛5 ms單向延遲[7])、高帶寬(高精度地圖速率達到1 Gbit/s)和高可靠(5個9的可靠性[7])要求。為滿足智慧交通和自動駕駛的要求,5G網絡需廣泛結合5G-V2X技術、URLLC技術、TSN技術以及網絡AI技術,構建一張真正的5G高性能車聯網切片。此外5G V2X關鍵技術例如多等級QoS機制、PC5通信機制等也可以適用于除車聯網外的,具有移動性、低時延、直連通信要求的業務,如云游戲、無人機等。

3? ?結束語

與垂直行業結合是5G發展的關鍵,為了實現賦能千行百業的目標,建議5G網絡以網絡切片和邊緣計算為基本框架,根據行業需求有針對性的進行功能增強和性能優化。建議在工業制造和能源行業,優先進行5G LAN和TSN技術驗證,滿足其組管理、組通信和確定性網絡要求。建議在醫療行業優先引入URLLC技術,滿足遠程手術等低時延高可靠業務要求。建議在5G車聯網中優先引入5G-V2X和URLLC技術,滿足自動駕駛場景下低時延、快速切換、業務連續的要求。加快推進5G硬核能力構建,打造具有按需開放、低時延、高可靠、確定性的高性能5G網絡,使其真正具備服務垂直行業的關鍵能力,從而推動垂直行業技術發展和產業變革,實現5G改變社會的目標。

參考文獻:

[1]? ? ?段曉東,孫滔,陳煒,等. 5G網絡架構設計的5個重要問題[J]. 電信科學, 2014(10): 129-133.

[2]? ? ?3GPP. 3GPP TS 23.501 V16.2.0: System Architecture for the 5G System[S]. 2019.

[3]? ? ?IEEE. IEEE 802.1Qbv-2015: IEEE Standard for Local and metropolitan area networks--Bridges and Bridged Networks - Amendment 25: Enhancements for Scheduled Traffic[S]. 2015.

[4]? ?IEEE. IEEE P802.1Qcc: Standard for Local and metropolitan area networks - Bridges and Bridged Networks-Amendment: Stream Reservation Protocol (SRP) Enhancements and Performance Improvements[S]. 2015.

[5]? ? ?SAE. SAE J3016: Surface vehicle recommended practice[S]. 2016.

[6]? ? ? 3GPP. 3GPP TS 22.104 V17.1.0: Service requirements for cyber-physical control applications in vertical domains[S]. 2019.

[7]? ? ? 3GPP. 3GPP TS 22.186 V16.2.0: Service requirements for enhanced V2X scenarios[S]. 2019.

作者簡介

王丹(orcid.org/0000-0003-2834-4545):碩士畢業于北京大學通信與信息系統專業,現任職于中國移動通信有限公司研究院網絡與IT技術研究所,從事移動網絡核心網架構及關鍵技術研究工作,主要研究內容包括5G網絡架構及關鍵技術、后5G及6G前沿網絡技術等。

孫滔:高級工程師,博士畢業于清華大學,現任中國移動通信有限公司研究院主任研究員、網絡與IT技術研究所網絡創新實驗室室經理、3GPP系統架構組(SA2)副主席,長期從事IPv6、移動網絡架構演進、網絡切片、網絡融合等技術的研究和標準化工作。

段曉東:現任中國移動通信有限公司研究院網絡技術研究所所長,OPEN-O開源社區董事會主席,多年從事IP承載網絡、下一代互聯網(CNGI)、數據業務管理及移動互聯網、NFV/SDN驅動的電信網絡演進、VoLTE、5G網絡技術的研究開發工作,中國移動集團勞動模范,中國移動在IETF、ONF及OPEN-O參會團隊的牽頭人,曾先后獲得國家科技進步特等獎、國家科技進步二等獎、CCSA科學技術獎、中國通信協會進步獎等省部級獎項十余次,多次獲得中國移動通信集團公司科技進步獎,入選2019年國家百千萬人才工程,被授予“有突出貢獻中青年專家”、“中央企業勞動模范”榮譽稱號。

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