面向5G和垂直行業的確定性承載技術探討

中國信息通信研究院 北京 100191

引言

根據“十四五”規劃，第五代移動通信(5G)、工業互聯網、大數據中心等新型基礎設施將進一步加快建設，5G及相關增強技術在工業互聯網、智能電網、智能交通、智慧醫療、智慧教育等垂直行業領域的技術創新和應用推廣成為業界關注熱點。由于5G+垂直行業存在多種應用場景，單個場景中又存在增強移動寬帶(eMBB)、超高可靠低時延通信(uRLLC)和移動物聯網通信(mMTC)等業務的融合應用，同時不同業務類型的服務等級協議(SLA)指標需求又存在較大差異，因此面向垂直行業的5G網絡切片及其確定性保障成為推動5G應用推廣的關鍵使能技術，并且涉及無線網絡、承載網絡、核心網絡和業務運營系統等多個環節。目前3GPP R17標準將重點增強支撐uRLLC和網絡切片的無線接入網(RAN)技術和核心網的定制化服務能力，ITU-T、IEEE和IETF等多個國際標準化組織正在積極開展L1~L3的確定性承載技術標準研制，國內外正在加強5G確定性網絡技術研究創新和產業化應用實踐。

本文主要聚焦5G+垂直行業的確定性承載需求和各種技術方案探討，提出了產業各方協同加強5G確定性承載技術研究和試點應用的重點工作建議，希望為國家新基建發展和行業數字化轉型做出貢獻。

1 5G+垂直行業的確定性承載需求分析

面向5G+垂直行業的應用推廣，5G行業終端(CE)、無線接入網(RAN)、承載網絡(TN)、核心網(CN)和運營支撐系統(OSS)需協同編排和調度端到端網絡資源，為各類行業客戶提供可預期、可規劃、可定制和可驗證的5G確定性網絡[1]，按需提供行業虛擬專網的差異化和確定性SLA體驗。由于不同垂直行業應用場景存在網絡覆蓋范圍(局域網或廣域網)、拓撲結構、業務流量流向、SLA需求指標等多方面的差異性，因此5G+垂直行業的確定性承載需求與具體應用場景密切相關，本節重點分析了5G+工業互聯網、5G+智能電網的典型業務承載需求，并介紹了部分生產控制類業務的確定性承載性能指標。

1.1 5G+工業互聯網應用場景

在5G+工業互聯網的重點工程推進方案中，5G無線專網的服務場景包括智能制造、產線物流倉儲、資產盤點、移動巡檢等業務場景，可歸納為運動控制類、傳感采集類、工業圖像/視頻監控類等典型分類，不同業務對確定性承載性能指標的側重點要求也各不相同。

1)運動控制類業務：承載網絡需具備確定性的低時延、高可靠、高精度時間同步和抗電磁干擾特性；表1提供了某些工業自動化控制類業務的確定性承載需求指標示例[1]。

2)傳感采集類業務：承載網絡需具備確定性的高密度連接的靈活擴展和高可靠接入能力，并且設備具備體積小巧、即插即用、低功耗、低成本和使用壽命時間長的特性。

3)工業圖像/視頻質檢類業務：承載網絡需要具備確定性的高傳輸帶寬、高安全隔離、靈活速率分配(10M~1Gb/s)和低時延等特性，此外還要研究機器視覺等AI機制對承載的具體需求。

1.2 5G+智能電網應用場景

5G+智能電網主要涉及電力生產控制類Ⅰ區、生產非控制類Ⅱ區、生產信息類Ⅲ區和信息管理類Ⅳ區共四大類業務，不同業務類型之間需要實現承載資源的高安全隔離。智能電網的具體業務類型主要包括配電差動保護、同步相量測量(PMU)、智能化的配電自動化、用電負荷需求側響應、智能巡檢和設施運行狀態監測等，可按照生產控制和信息采集兩大類進行分類，其中生產I區和II區的生產控制類業務明確提出了確定性的承載性能指標需求[2]，具體見表 2。近期國家電網、南方電網都在與運營商、設備商、科研院所等積極合作，開展一些支撐5G+智能電網的確定性網絡承載需求、技術標準研究和應用實踐工作[3]。

1.3 垂直行業的確定性承載需求小結

綜合來說，高安全、高可靠和低時延是垂直行業中生產控制類業務關注度最高的三個特性，此外還要兼顧分析視頻監控、信息化服務等多業務承載需求，因此5G承載需重點研究如何通過硬隔離+軟隔離的網絡切片和管控運維系統，滿足99.999%乃至99.9999%的網絡級和設備級的高可靠技術，以及在復雜業務流模型下保障確定性低時延或低抖動的關鍵技術，研制推出適配不同行業應用的確定性承載技術和產品解決方案。

2 確定性承載網絡技術進展

近年來，國內外推動研究的確定性承載網絡技術包括L1層基于時隙復用的FlexE接口和時隙交叉的MTN通道技術，L2層基于以太網橋接的時延敏感網絡(TSN)系列技術、L3層基于IP/MPLS+TSN的確定性網絡(DetNet)技術等。ITU-T、IEEE、IETF和3GPP等各組織均已開啟固網和移動網絡的確定性技術研究并取得一些階段性成果，但仍面臨擴展性等多方面挑戰，需要業界從局域和廣域的應用場景、跨域的協同管控和SLA性能保障等方面加強確定性承載網絡技術方案研究和產業化應用驗證。

表1 某些工業自動化控制類業務的確定性承載需求指標示例

表2 智能電網的生產控制類業務的確定性承載需求指標示例

2.1 我國主導SPN的MTN通道技術

切片分組網絡(SPN)是中國移動牽頭推動的支持5G和新型綜合業務的承載網，融合了L0~L3層技術，兼具分組轉發靈活性和TDM管道隔離優勢。通過OIF規范的FlexE接口和ITU-T的MTN通道提供端到端TDM硬隔離管道，通過定長的分組交換、MPLS-TP或SR-TP隧道和QoS機制提供軟隔離的L2VPN和L3VPN業務。如圖1所示，SPN技術由三個子層構成：負責L2和L3轉發的切片分組層，支持MPLS-TP和段路由SR技術；負責L1轉發的切片通道層，對應ITU-T城域傳送網(MTN)標準中的段(Section)層和通道(Path)層；負責L0傳輸的切片傳送層提供物理媒質的光傳輸接口服務。SPN網絡采用SDN架構具備業務靈活調度、高可靠性、低時延、高精度時鐘、易運維、嚴格QoS保障等屬性。

圖1 切片分組網絡(SPN)的技術架構

在2017~2021年期間，中國移動、中國信通院、華為、中興、中信科等國內成員單位聯合組成SPN/MTN技術標準推進團隊，總共提交300多篇技術文稿，主導發布了一份技術報告“支持IMT-2020/5G的傳送網絡GSTR TN5G”，三項ITU-T國際標準G.8300“5G傳送網絡特性”、G.8310“MTN架構”和G.8312“MTN接口”，以及一份增補文件G.sup69“MTN網絡演進”，2021年正在推動G.8321“MTN設備”、G.8331“MTN線性保護”、G.8351“MTN管控”和MTN同步等系列標準項目，標志著我國提出并主導的MTN技術將形成一套完善的ITU-T新一代5G傳送網國際標準體，如圖2所示。

2.2 IEEE 802.1 TSN技術

2012年，IEEE 802.1音頻視頻橋接(AVB)任務組更名為時間敏感網絡(TSN)任務組，目標是保證時延敏感流的服務質量，實現低時延、低抖動和零丟包率的網絡。在IEEE 802.1標準框架下，TSN基于特定應用需求制定了一系列標準，包括802.1Qca路徑控制和預留、802.1Qbv時間感知整形器、802.1Qbu或802.3br幀搶占、802.1Qch循環排隊和轉發、802.1AS-Rev 1588 v2定時和同步、802.1Qcc流預留協議增強、802.1Qci時間入口策略器、802.1CB幀復制和消除可靠性以及802.1CM前傳網絡配置，為以太網協議的MAC層提供了一套通用的時間敏感機制，為不同協議網絡之間的互操作提供了可能。TSN技術主要適用于10GE及以下速率的局域網應用，目前還不能擴展到100GE及以上速率和廣域網應用場景，因此TSN產業主要集中在車載多媒體和工業以太網場景。

近兩年，3GPP也在研究TSN over 5G NR，目的是在分組分發、自動尋址和服務質量QoS等領域滿足工業企業需求。3GPP R17已立項開展相關研究。對于周期時延敏感流，一般采用同步的調度整形機制，即要求全網設備進行精準的時鐘同步。TSN over 5G的關鍵技術包括基于5G系統的TSN同步、5G超可靠低延遲(uRLLC)傳輸技術(尤其針對低時延循環數據流)和5G點對點服務質量(QoS)管理及智能調度程序算法。3GPP技術規范TS 22.261[4]提出了對5G系統的服務要求，重點是提出新設備功能來支持時間同步和雙重連接。根據需求規范，對于時間敏感的工業應用場景，需要達到1ms時延、1us抖動和99.9999%可靠性。

圖2 ITU-T的新一代5G傳送網MTN技術標準體系

2.3 IETF的DetNet技術

2015年IETF成立了DetNet(確定性網絡)工作組，目標是研究如何在基于IP和MPLS的數據平面上承載用于實時應用的特定單播或多播數據流，提供具有極低丟包率的確定性傳輸路徑，以此確保有最大上限的端到端時延和抖動性能[5]。IETF的DetNet工作組一直與IEEE 802.1的TSN任務組合作推進應用解決方案，即IETF負責DetNet的整體架構、數據平面規范、數據流量信息模型、YANG模型，而IEEE 802.1 TSN任務組負責具體技術機制及其算法研制，時延保障主要基于TSN相關技術，還沒有開展其他時延保障機制研制。DetNet近期研究重點是在IP和MPLS網絡中承載有實時性和確定性需求的相關應用[6-7]，包括專業音視頻、樓宇自動化系統(BAS)、工業無線通信和移動通信、工業M2M、采礦業、私有區塊鏈等流數量和規模有限的業務場景[8]。近期，也在開展與5G相關的技術方案研究，一是如何通過MPLS L3VPN連接兩個TSN網絡[9]；二是DetNet如何在有限業務流數、點到點和點到多點應用場景下，提供5G網絡切片的確定性時延保障。相關技術標準化還在研究中，尚需開展深入研究和試驗論證。

華為公司也向ITU-T SG13和IETF分別提交了確定性IP的相關技術提案，推動在大規模和長距離廣域網中研究確定性IP技術，于2019~2020年在我國未來網絡試驗設施(CENI)上開展了北京－南京－上海的一些現網試驗，取得了小于百微秒抖動的顯著進展。由于廣域網的拓撲結構復雜，來自各局向的業務流數量巨大，并且流量的突發性和匯聚調度模型多樣，路由器的線路配置了多路100GE或400GE接口，對確定性承載技術的擴展性和可靠性要求較高。因此，在廣域網應用的確定性IP技術研究整體上仍處于技術創新和標準化探討的初期階段，技術方案還沒有獲得業界的廣泛共識，仍需持續加強研究和完善。

3 確定性承載技術研究重點探討

5G端到端網絡的確定性面臨諸多技術現狀和組網應用環境的挑戰。無線終端和基站之間的空口速率和時延性能受流量負荷、優先級調度狀態和無線環境干擾等多種因素影響，5G核心網的確定性也受分布式云化部署方案、規模以及云間互連性能的影響。承載網絡的確定性指標一般包括帶寬、時延、抖動、隔離、安全、可用性和時鐘同步等關鍵參量?；诜纸M統計復用的L2或L3的承載網絡技術，對業務的轉發時延和丟包性能與網絡節點數量、傳輸鏈路時延、網絡流量負荷狀態和節點內QoS調度機制等因素密切相關?；跁r隙復用調度的靈活以太網FlexE接口技術和SPN的MTN通道交叉調度技術，其帶寬保障和硬管道隔離特性與分配的時隙單元帶寬和數量等相關，其轉發時延與節點內部對以太網PCS子層以64/66bit為基本調度單元的成幀封裝機制、交換芯片的轉發能力等相關。

我國運營商的承載網絡技術發展演進需滿足固移融合、云網融合、智能協同管控運維和確定性SLA保障等要求。其中，在運營商5G回傳和云網融合網絡中應用的確定性承載網絡技術不是單一技術機制，而是由一系列不同網絡層面的確定性技術、協議和QoS機制的合集，需要根據不同行業的差異化需求，綜合分析這些確定性承載技術的優劣勢和適用場景，研究提出確定性承載網絡的技術體系，重點研究確立面向運營商廣域網和行業專網融合應用的確定性承載技術架構和應用方案，包括如何通過L1的硬隔離和L2/L3的軟隔離網絡切片，采用集中路由計算和SLA加權選路方式實現資源預留和業務路徑優化，通過高精度時間和頻率同步，實現周期映射，按照優先級策略應用幀搶占、門控優先級隊列調度、流量過濾和整形等QoS機制，支持50ms快速網絡保護、多發選收、預置路由和動態重路由恢復等多種網絡保護和恢復技術機制來提供不同級別的可靠性保障，分別支持提供確定性的帶寬、低時延、低抖動、高精度同步和高可靠性等SLA指標。

為了支撐新技術方案驗證和規模應用試驗，還應聚焦5G確定性承載網絡的性能指標體系和綜合測評方法開展深入研究。結合工業互聯網、智能電網等典型應用場景和組網應用方案、業務流量流向、SLA需求指標和網絡切片應用部署方案的差異化，對端到端業務性能指標值通過科學建模方法，量化分解為無線、承載和核心網三個子域的性能指標值。需要根據5G+垂直行業的各類典型業務流量流向模型、組網拓撲、性能指標體系研究，提出確定性承載網絡的綜合性能指標體系和評測方法并形成標準等研究成果。此外，還可以利用承載網絡設備自身或外部探針支持的高精度性能監測能力，實現對所承載業務流的雙向/單向時延、抖動、丟包和流量性能的基本數據采集，利用機器學習(ML)等技術開展大數據分析、算法模型訓練和人工智能分析推斷，支撐各類行業虛擬專網的承載網絡的智能化管控和運維，包括網絡資源的動態規劃、編排和配置，以及長期的性能監測、故障定位分析及預測優化。

為深入支撐5G+垂直行業的應用發展，IMT-2020(5G)推進組下屬的5G承載工作組正持續推動相關研究。在2020年12月工作組會議上，討論確定了2021年7個研究項目，其中4個項目將重點推動5G承載網絡新架構、關鍵技術和智能化管控運維方面研究，如圖3所示。第一個項目是對5G+垂直行業的確定性承載技術和評測方案進行深入研究，并與第三、四個項目在技術體系架構和智能協同管控方面開展聯合研究，結合我國產業各方優勢，協同推進確定性承載技術架構、標準體系、組網測評和規模試驗等重點工作，全面增強我國5G承載技術和產業優勢。

圖3 5G承載工作組推動5G+X應用的重點研究項目

4 結語

近年來，我國產業各方都在加強5G與垂直行業的融合應用探索，不斷積累各行各業對5G網絡的業務需求、解決方案和應用實踐案例。因此5G無線、承載、核心網以及業務運營系統需密切協同，同時加強面向5G+垂直行業的確定性承載技術研究，統籌提供靈活定制化的高性價比解決方案，協同推進結合重點行業的5G規模應用，有力支撐國家新基建發展戰略和行業數字化轉型。