文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191162
中文引用格式： 張蕾，夏旭，朱雪田. 基于5G確定化網絡的行業應用研究[J].電子技術應用，2019，45(12)：20-24，28.
英文引用格式： Zhang Lei，Xia Xu，Zhu Xuetian. Industrial application research based on 5G deterministic network[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(12)：20-24，28.
0 引言
5G賦能企業級客戶和垂直行業的智慧化發展，為運營商和產業合作伙伴帶來新的商業模式，開啟一個全連接的新時代。與此同時，千行百業多種多樣的業務需求場景，也為5G個性化的網絡定制能力帶來巨大挑戰，5G確定化網絡應運而生，并成為近年來業界關注與發展的焦點之一[1-2]。5G確定化網絡指在一個網絡域內，借助移動邊緣計算、網絡切片和時間敏感網絡(Time Sensitive Network，TSN)等多種關鍵技術，可以為承載業務提供確定化業務保障能力的網絡，該確定化業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網絡的個性化和定制化等能力入手，分析了4種典型行業應用場景對5G網絡性能指標的確定化要求，并重點提出了確定化網絡實現架構和關鍵技術，并通過部分典型案例加以呈現。
1 5G特點與能力
5G是面向2020年以后移動通信需求而發展的新一代移動通信系統，在傳輸速率和資源利用率等方面較4G系統獲得大幅提升。用戶在享受更高、更快、更豐富的體驗的同時，也對網絡速率和時延等性能指標提出更高的要求[3]。
5G網絡的增強移動寬帶、超高可靠低時延通信和海量連接，構建了5G與垂直行業實現萬物互聯全連接愿景的特性，如表1所示。一方面，5G技術憑借虛擬化架構的引入，實現轉發面與控制面的徹底分離，通過網絡切片和邊緣計算技術使得面向行業的可定制化網絡構建成為可能，實現業務的快速上線和更極致的用戶體驗，使能垂直行業應用的開放和發展；另一方面，相對于4G“盡力而為”的網絡特性，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，為網絡性能配置提供了靈活的配置空間，從而滿足車聯網、工業互聯網和智能電網等行業網絡的不同需求[4]。
隨著移動通信網絡的快速研究與發展，不同行業用戶對網絡確定化需求日益高漲，特別是在智能電網和工業互聯網等面向于低時延和高可靠性的垂直應用領域，對網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，這種隨網絡指標的嚴格要求促使5G確定化網絡應運而生，并成為業界關注的重點。
目前，電子電氣工程師學會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)和互聯網工程任務組(Internet Engineering Task Force，IETF)已提出確定性網絡技術。IEEE 802.1工作組(Work Group，WG)致力于時間敏感網絡(Time Sensitive Network，TSN)的標準化，時間敏感網絡是當前實現確定性網絡的技術方向，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)工作組專注于網絡層(L3)及更高層次的廣域確定性網絡技術。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，確定性網絡的發展充滿了機遇與挑戰，是未來真正實現5G產業繁榮的基礎，也是5G使能千行百業的重要抓手[2]。
2 典型應用場景
5G確定化網絡技術已成為當今學術界和產業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絡的發展落地具有重要意義。本節將主要分析確定化網絡的4個典型應用場景，并介紹每個場景下對網絡能力的具體需求。
2.1智能電網
智能電網是智慧能源的基本保障，是推動我國經濟社會協調、可持續發展進程的重要物質基礎。基于現有電網業務作“從主干向末端延伸”式的5G應用，如配網差動保護、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技術為這些業務的推廣應用提供了基礎。智能電網中具有潛在需求和典型代表意義的應用場景對5G網絡性能指標的要求如表2～表4所示。
2.2 工業互聯網
工業互聯網通過智能機器間的連接并最終將人機連接，結合軟件和大數據分析，重構全球工業、激發生產力。工業互聯網涉及機械、船舶、飛機制造、電力等較多的工業領域，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。
工業互聯網場景中較具有代表意義的典型業務對5G網絡的性能需求如表5所示。
2.3 智慧醫療
借助5G網絡的毫秒級別的低時延、Gb/s級別的高速率，并充分利用5G 移動通信網絡提供的移動邊緣計算能力，可以為醫療行業提供低時延、高可靠的邊緣云技術服務，實現個性化的便利智慧醫療。
目前，醫療行業的相關業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，通過廣域連續覆蓋的5G網絡實現現場高清視頻、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據進行全天候不間斷的檢測與分析，建立用戶的體征檔案，實現對所患疾病的早發現、早治療。低時延、高可靠場景主要應用有院內無線監護、遠程監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療設備種類多、管理監控不便、設備間數據難以共享等問題，海量機器連接場景則可以提供統一接入方式，實現院內醫療設備統一管理與數據互聯。
智慧醫療場景中的遠程診斷、遠程示教等高價值應用業務對5G網絡服務能力的要求如表6所示。
2.4 車聯網
車聯網是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車聯網的自動駕駛業務對網絡時延、可靠性以及速率要求非常高，根據車輛自動化不同等級，網絡指標也不盡相同，全自動化(L5級)場景中，5G網絡傳輸時延需要達到1 ms，傳輸速率需要達到0.1 Gb/s[4]。
車聯網場景中較具有代表意義的典型業務對5G網絡的性能需求如表7所示。
3 網絡實現架構與關鍵技術
5G確定化網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、動態智能網絡切片和時間敏感網絡技術。超性能異構MEC是5G確定化網絡的基礎，業務在邊緣閉環支持更低時延；動態智能網絡切片則是5G確定化網絡的核心能力，保證確定化網絡體驗；時間敏感網絡旨在為以太網協議構建“通用”的時間敏感機制，確保網絡數據傳輸的時間確定化。
3.1實現架構
5G確定化網絡是一個端到端的概念，涉及無線網絡的基站、傳輸和核心網等多個組成部分。其中，核心網對于5G確定化能力至關重要，5G核心網控制面可以集中部署，對轉發資源進行全局調度；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絡邊緣部署時，可實現本地流量分流，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、接入網、傳輸網構成網絡能力生成層；業務需求層主要負責接收各垂直行業的業務需求，客戶統一訂購簽約界面；能力匹配層主要根據客戶的需求，借助網絡切片、移動邊緣計算、時間敏感網絡等5G關鍵技術，形成5G網絡的確定化服務能力；能力提取與編排層根據“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，最終滿足行業客戶對確定化網絡能力的需求。
3.2 關鍵技術
3.2.1 邊緣計算
在5G確定化網絡中，邊緣計算非常重要。MEC邊緣計算節點有兩個核心任務：(1)把網絡端到端的時延最大化地降低到可接受的范圍。時延是所有網絡能力中最關鍵的一點，確定化網絡首先要能夠保證低時延。MEC使時延能夠降低到足夠低，使整個網絡的聯接可以快速在邊緣實現。(2)實現確定化的網絡，需要在MEC邊緣節點上通過移動邊緣計算業務平臺(ME Platform manager，MEP)，使能各系統之間的互聯互通合作，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)可以選擇業務，本地業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核心網或省級UPF。
MEC并非一定要部署到末端綜合接入機房，而是可以根據業務需求確定，主要部署位置包括邊緣級(基站與回傳網絡之間)、區域級(匯聚環和接入環之間)和地區級(匯聚核心層)。依據UPF與MEP部署位置的不同，可以進一步實現對網絡確定化時延的靈活控制，如圖3所示。
3.2.2 網絡切片
網絡切片是5G網絡核心能力，在5G確定化網絡中扮演了重要角色網絡。網絡切片通過將網絡資源靈活分配、能力靈活組合，基于一張物理網絡虛擬出網絡特性不同的邏輯子網，滿足不同場景的定制化需求。在網絡切片劃分的過程中，可以根據不同類型業務對邏輯子網的特性和能力進行定制，因此網絡切片使得運營商具備了按需定制網絡服務的能力。此外，通過開放標準API和自服務入口，網絡運營商可以授權其客戶自行購買并運營網絡切片，客戶可以將網絡切片集成到自身的服務和應用中，從而極大提升網絡切片應用的靈活性和變現能力，拓展運營商的商業機會。
面對行業客戶多變的需求，網絡切片提供靈活按需定制的服務，需要實現切片閉環的保障和SLA指標實現的檢測，需要實現切片的隔離和安全性保障，來應對不同行業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子切片組成，需要實現E2E切片的統一管理。基于確定化網絡編排可以提供專業子切片內部的傳輸，通過使用多個彼此資源不沖突的子切片，在不同邏輯網絡中實現單獨帶寬和時延保障，確保網絡性能的確定性。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來實現，同時對于物理性維護和必要的外線干預，提供人工閉環的保障途徑。
3GPP標準協議制定的全新5G核心網架構中引入了新的網絡功能網絡數據分析功能(NWDAF)，用于收集、分析網絡數據，以及向其他的網絡功能提供數據分析結果信息，NWDAF提供的數據分析結果主要包含切片負載、業務體驗、網絡性能等信息[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 時間敏感網絡(TSN)
在5G垂直行業的業務中，及時、安全地傳輸數據是工業通信技術的關鍵要求之一。時間敏感網絡是滿足該要求的很有發展前景的重要技術。根據3GPP 5G需求規范[3]，對于時間敏感的工業應用場景，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網絡上融合TSN服務，關鍵在于實現5G網絡與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。具體實現中可以將網絡中性能需求不同的業務設置不同優先級，并進行包括帶寬、時延、分組長度、發送頻率、端口入時間窗口和出時間窗口以及每個節點間的出、入時間窗口的匹配等特性配置，實現確定性需求業務流程與其他業務沒通過時分復用為高優先級業務流程提供確定傳輸時隙，以保證時間敏感業務的確定化傳輸路徑[2]。
目前，在OT和CT領域，部分企業正在嘗試將5G與TSN相結合，實現將傳感器和執行器等工業設備以5G方式連接到TSN網絡。較之于4G，5G無線接入網提供了更好的可靠性和傳輸延遲。同時，5G虛擬化系統架構允許被靈活地部署，可以實現不受電纜安裝限制的TSN網絡。
4 實現案例
在工業互聯網、智能電網、車聯網、智能醫療等5G垂直行業典型應用場景，對時延、帶寬、可靠性等網絡指標提出嚴格要求。本文以智能電網典型場景為例，闡述5G確定化網絡已在行業應用中的初步探索。
在智能電網的發電、輸電、變電、配電和用電等多個生產環節中，包括視頻巡檢、配網自動化、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務場景。其中，對于廣域開放性場景，主要針對配網和用網以及少量存在移動性或無線接入需求的輸變電場景。確定化網絡重點采用5G網絡切片解決方案，而邊緣計算是支撐超低時延超大帶寬網絡切片的主要技術手段；對于局域封閉性場景，主要針對發電廠、變電站等特定高安全隔離需求場景，確定化網絡重點采用以邊緣計算為核心的虛擬專網解決方案，網絡切片則是實現公專網業務協同的支撐技術。
以精準符合控制場景為例，該場景重點為解決電網故障初期頻率快速跌落、主干通道潮流越限、省際聯絡線功率超用、電網旋轉備用不足等問題。通過確定化網絡技術，根據不同控制要求分為實現快速負荷控制的毫秒級控制系統和更加友好互動的秒級/分鐘級控制系統，基于5G網絡切片解決方案，通過邊緣計算實現超低時延超大帶寬網絡切片，實現架構如圖6所示。
測試結果表明：基于5G確定化網絡技術，充分利用5G網絡的毫秒級低時延能力，結合網絡切片的SLA保障，增強電網與電力用戶間的雙向互動，有效提升了在突發電網負荷超載的情況下對電網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確定化網絡技術已成為當今學術界和產業界研究人員重點關注的熱點之一。本文從5G網絡的個性化和定制化等能力入手，分析了4種典型行業應用場景對5G網絡性能指標的確定化要求，重點提出了確定化網絡實現架構和關鍵技術，并通過部分典型案例加以呈現。5G確定化網絡關鍵技術的研發仍處于起步探索階段，而5G與時間敏感性技術的協同融合也是實現確定化網絡的關鍵，5G確定化網絡將是實現5G行業業務應用的基礎，也是5G使能千行百業的重要抓手。
參考文獻
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[2] 黃韜，汪碩，黃玉棟，等.確定性網絡研究綜述[J].通信學報，2019，40(6)：160-176.
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[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，華為.5G網絡切片使能智能電網[Z].2018.
作者信息:
張 蕾，夏 旭，朱雪田
(中國電信智能網絡與終端研究院，北京102209)