面向垂直行業的網業協同關鍵場景和解決方案

于天意 王昕怡 曾凱越 鄧 偉

中國移動通信有限公司研究院 北京 100053

引言

隨著5G技術發展成熟，面向工業、港口、礦山、醫療等各行各業的垂直行業網絡具備迫切需求且是業內各界重點關注的發展方向。數字經濟是當前社會發展的大勢，5G行業網是重要抓手。2021年7月13日，工業和信息化部、中央網絡安全和信息化委員會辦公室 、國家發展和改革委員會、教育部、財政部、住房和城鄉建設部、文化和旅游部、國家衛生健康委員會、國務院國有資產監督管理委員會、國家能源局等十部門聯合印發《5G應用“揚帆”行動計劃(2021-2023年)》。為形成5G應用“揚帆遠航”的局面，共制定八大行動計劃，該計劃將加快利用5G改造工業內網，打造5G全連接工廠標桿，形成信息技術網絡與生產控制網絡融合的網絡部署模式，推動“5G+工業互聯網”服務于行業核心生產環節[1-2]。

面向各行各業的不同業務場景，對5G網絡的能力需求也各不相同，5G企業及園區典型業務場景對網絡提出網絡性能確定化以及網絡功能個性化的新需求[3]，行業典型業務場景及需求如表1所示。

表1 典型行業業務類型及需求

為滿足不同行業的不同業務需求，需要網絡和業務實現協同工作，使網絡側和業務側可協商、可溝通。網業協同的研究成為賦能行業實現業務保障的關鍵，也是當前5G行業網發展亟需強化的技術方向。

1 網業協同定義及流程機制

面向B端行業市場，5G網絡在超低時延、超高可靠性、上行大帶寬等基本性能方面都有相比個人消費市場更為嚴苛的需求，除此之外，行業業務還需要網絡能夠提供本地化、可監控、易操作等SLA(Service Level Agreement，服務等級協議)保障服務，云網一體化、網業協同等整體方案[4]，以確保工業等生產場景的正常運作，為企業帶來生產效率和管理效率的保障和提升。面向個人消費市場的普通5G網絡面向上層業務是盡力交付的模式，在覆蓋弱、干擾強、容量高等特殊狀況下對業務保障的表現容易受到影響。而行業應用為保障業務的安全生產、高效生產，對網絡的確定性要求極為嚴格，因此需要網絡側和業務側同時配合協同，基于傳統網絡能力疊加更多業務感知以及雙向協同的智能保障能力。

1.1 網業協同定義

基于上述需求，網絡業務協同策略的研究成為面向行業領域的5G網絡關鍵問題之一。網業協同是指網絡側和業務側可以實現跨層跨域的協商與溝通，使網絡能力和業務模型及業務需求達到高度適配，從而保障業務運行效果。

網業協同包含兩種模式，即“網隨業動”和“業隨網動”。“網隨業動”是指通過業務感知等手段，在網絡側導入業務需求，根據業務需求而進行網絡功能的優化調整，使網絡能力適配業務需求，保障業務正常運行。如對業務的確定性保障，網絡側需要根據業務需求的SLA性能指標，保證業務性能，減少故障發生。“業隨網動”是指在保證業務效果的前提下，業務側與網絡側主動交互，通過溝通形成優化執行決策，調整自身業務模型等來適配網絡能力，同樣達到協同優化的保障效果。

1.2 網業協同流程機制

網業協同整體流程機制為一個閉環，按照實現邏輯可分為特征感知—智能決策—閉環監控—反饋評估4個步驟，如圖1所示。

圖1 網業協同閉環保障機制

1.2.1 特征感知

特征感知指網絡和業務側進行信息互通感知，分為對業務感知和網絡感知。

1)業務感知是獲取應用業務特征及SLA網絡保障要求，作為網絡初始輸入。方式一，可提供業務到網絡的意圖輸入接口配置相關網絡要求參數；方式二，可基于AI引擎模塊智能識別業務種類、業務流特征，進行感知分析，實現網絡按需保障。

2)網絡感知是通過開放接口開放網絡帶寬、資源、容量、RB占用等信息，實現業務對網絡能力的感知，基于網絡狀態(如擁塞情況、可用帶寬)等實現業務側發包的協同和適配。

1.2.2 智能決策

一方面，網絡側基于業務感知分解業務需求以及所需網絡資源，按需調整調度算法，生成參數調度策略。包括QoS調度選擇(5QI)、調度參數調優(ARP、PRB、預調度、RB資源預留比例等)、功能導引(如啟用CA、選頻等)等觸發網絡資源編排和用戶編排。

另一方面，業務側基于網絡狀態的感知進行業務流優化，按需調整業務周期、碼率、分辨率規格等實現業務跨層協同，保障業務層體驗。

1.2.3 閉環監控

基于業務側QoE體驗收集和網絡側E2E時延、速率、丟包率等指標監控實現界面呈現，檢查確認調度算法是否實現網絡SLA保障達標，以及業務側跨層協同是否保障業務體驗順暢或正常運行。

1.2.4 反饋評估

基于雙側指標監控提供保障效果校驗和評估，分別向網絡側和業務側互相實現正/負反饋，校驗網絡對業務的過保障/欠保障狀態，以輔助算法迭代進入下一輪的保障優化，整體流程如圖1所示。

在網隨業動模式下，網絡需具備閉環調度架構能力。在網絡和業務部署后，網絡側首先要執行業務感知，而后進行智能分析，獲取策略執行網絡側調整，實現閉環控制，從而實現網業協同。最后需要對整體網業協同進行效果檢驗。

在業隨網動模式下，業務側需在適配網絡能力范圍內做出相應調整。在網絡和業務部署后，首先實現網絡側對業務側進行能力上報，進行智能優化分析得出業務側調整策略，然后通過業務模型適配調整實現整體的網業協同保障效果。

2 無線網絡能力開放協同

為實現上述網業協同的閉環，首先需要網絡與業務層的交互接口，實現網絡能力對業務開放，以及業務對網絡的需求配置以及信息感知。業界已有在無線側引入無線智能控制平臺的潛在部署方式，從而實現對網絡能力的協同調度[5]。無線網絡能力開放是實現網業協同的一個基礎條件和重要手段。行業客戶基于自身數據不出場、低時延等普遍訴求，需要業務的本地化部署，基于邊緣計算的業務本地化部署網絡架構如圖2所示。

圖2 基站提供一站式業務本地化部署網絡架構

在此架構下，業務直接部署在基站上，形成云網業一體化基站，云網業一體化基站可新增到業務之間的能力開放接口，實現無線能力開放[6]。

2.1 無線能力開放架構

邊緣計算能力開放總體架構如圖3所示，在此架構下，原有UPF(User Plane Function，用戶面功能)與MEP(MEC Platform，多接入邊緣計算平臺)之間能力開放接口MP2[7]，實現網絡與業務之間的能力開放。遵循邊緣計算能力開放流程與接口規范[8]，新增云網業一體化基站到MEP的能力開放網關之間的接口MP2-R，實現無線能力的對外開放，無線網天然貼近業務側，評估多種無線能力可向邊緣平臺進行開放，豐富MEP平臺能力，使MEP平臺具備業務感知能力、智能優化能力等網業協同功能，最大化數據價值。

圖3 邊緣計算PaaS平臺總體架構

2.2 MP2-R無線能力開放接口

定義MP2-R接口，實現無線能力開放，網絡能力組件化，支持對外賦能。Mp2-R接口是邊緣計算平臺和云網業一體化基站之間的接口，用于實現無線網絡能力對外開放，無線網絡能力包括本地分流配置、定位信息、SLA無線狀態信息開放等增強的網絡服務能力，通過MEP上的一系列能力組件對特定無線數據進行加工處理，挖掘數據特征，實現更直觀的網絡感知，形成無線特色業務感知能力。

整體能力開放架構涉及三個環節兩個接口，如圖4所示，三個環節包括數據傳輸、業務感知和行業賦能；兩個接口包括數據上報接口和能力開放接口MP2-R。

圖4 能力開放架構

業務感知環節基于MP2-R接口支持鑒權能力、業務分流、DNS分流，以及定位、SLA無線狀態信息開放等增強的網絡服務能力開放，支持開放后續持續擴展的網絡服務能力，為網業協同提供無線數據及無線能力的支撐。MP2-R接口支持開放的內容如下。

1)分流規則的配置能力開放：如對應應用或對應域名的分流規則配置。

2)定位服務的開放：如支持特定用戶特定區域的位置查詢、訂閱和信息通知等。

3)SLA信息開放和需求配置服務：如園區級、切片級、業務級、用戶級等不同維度的網絡性能指標信息，以及測量信息查詢、特定業務的SLA需求配置等。

3 典型場景與解決方案：基于PLC業務特征識別實現預調度自適應

典型的PLC類業務，有相對固定的PLC包大小和包周期。網業協同功能模塊采取AI/ML的方式實現自動學習識別業務特征模型，獲取相關特征參數，生成網絡側調度優化策略，如調整預調度周期、TBsize大小等相關參數進行靈活的自適應預調度，當PLC業務模型發生變化時，基于模型學習和預調度自適應更好地匹配業務來包特征，達到PLC業務時延優化的效果，精準匹配業務特征實現調度保障。

其中，業務特征感知獲取的參數包括：包大小、包周期、包到達時間、業務流向。

在實現PLC的網業協同機制中，網絡側可通過無線能力開放MP2-R接口將監測到的網絡SLA指標開放給業務側進行智能分析，得出決策并根據業務側需求進行反向網絡控制優化，實現網業閉環協同。

4 方案測試與效果驗證

針對業務特征感知實現預調度自適應典型網業協同場景，于浙江某醫院開展網業協同SLA保障測試試點驗證，如圖5所示。

圖5 測試驗證拓撲

通過基站搭載網業協同功能模塊，基于2.6GHz室分部署進行覆蓋，移動推車搭載指令類業務終端，通過網線連接CPE接入醫院5G室分，通過SPN傳輸將園區2B業務轉發至基站，基站集成了本地分流模塊以及網業協同功能模塊，業務數據經防火墻內接醫院的各業務服務器。

4.1 測試方案

先后通過兩種方式實現業務特征獲取進行網絡側預調度自適應保障。方式一：基于網業協同模塊提供業務配置平臺和門戶實現業務特征和SLA要求的配置輸入。方式二：基于AI實現業務模型學習自動獲取業務特征實現無線自適應保障。業務模型通過業務模擬發包工具發起UDP業務，測試時通過調整業務的突發包長、包周期等業務特征，檢驗基站的預調度參數是否適配業務特征發生變化，同時記錄對業務E2E時延帶來的影響。

4.2 方式一測試步驟

1)登錄網業協同模塊的業務配置平臺，進入配置界面。添加本地應用APP簽約SLA性能指標參數和簽約業務模型。業務模型動態學習預測配置關閉。基站側網業協同自適應預調度功能開關開啟。

2)SLA指標配置，時延300ms，時延可靠性99%，業務模型上行包長500Bytes，周期0.5ms。

3)使用終端發起簽約業務模型的業務，實際報文上行包長500Bytes，周期100ms；查詢SLA指標監控數據。

4.3 方式一測試結果

可以看到，在網業協同開關開啟的狀態下，獲取業務SLA配置簽約前RTT時延18.9ms，簽約后RTT時延12.3ms，時延減少34.9%。查看終端側授權和預調度情況如下：Grant size代銷為512Bytes，每個上行slot都啟動了預調度，周期為0.5ms，實際生效的預調度資源和周期與基站網業協同模塊下發的一致，測試結果如圖6、圖7所示。

圖6 方式一測試結果(一)

圖7 方式一測試結果(二)

4.4 方式二測試步驟

1)在網業協同模塊配置平臺上配置應用APP為業務模型靜態配置，根據業務初始特征配置業務模型中的上行包長310Bytes，周期5ms，配置網業協同保障開關為開啟。

2)使用5G終端發起現場周期性突發類業務，實際業務上行包長310Bytes，周期5ms，通過網業協同監控屏幕上監控記錄SLA時延指標、基站預調度周期等相關調度參數配置。

3)應用業務特征發生改變，調整包長/發送周期，UDP發包業務從310Bytes/5ms變為500Bytes/5ms。

4)再次記錄時延、基站預調度參數是否發生自適應保障。

5)打開網業協同業務模型動態學習預測開關，再次記錄觀察SLA時延指標、基站預調度相關參數。

4.5 方式二測試結果

在步驟二中，開啟網業協同保障開關前后，時延從19.0ms降低至14.5ms，時延降低23.7%，測試結果如圖8、圖9所示。

圖8 方式二測試結果(一)

圖9 方式二測試結果(二)

查看終端的預調度參數，預調度資源388Bytes，在每個幀里，第8和18個slot各調度一次，因此調度周期5ms。預調度授權和包大小與實際業務包大小按照網業協同調度策略實現了匹配，實現時延降低，測試結果如圖10所示。

圖10 方式二測試結果(三)

步驟三修改UDP發包模型后，觀察到RTT時延變為17.2ms，此時是由于配置的業務模型包大小由310Bytes變為500Bytes，但尚未打開業務模型動態學習開關，因此此時的預調度授權資源大小不足500字節，剩余未調度的包會通過發送BSR請求上行資源，因此時延變大，測試結果如圖11所示。

圖11 方式二測試結果(四)

步驟五開啟IPI動態學習后，觀察到時延又降低到13.9ms。查看終端側授權的調度資源大小已調整為512Bytes。因此可以看出，開啟方式二的動態業務模型學習預測開關后，網業協同模塊將變化了之后的業務學習并通知基站更新了預調度參數，能夠在一次授權內實現數據包調度完全，實現了時延降低，測試結果如圖12、圖13所示。

圖12 方式二測試結果(五)

圖13 方式二測試結果(六)

4.6 測試結論

總體測試過程時延降低效果如表2和表3所示。

表2 基于業務模型配置的參數自適應

表3 基于業務模型學習的參數自適應

基于以上兩種方式的業務感知實現無線預調度自適應保障，隨業務特征的不同，網業協同功能打開后可帶來23.7～34.9%的時延降低，明顯提升了時延的確定性保障，實現了PLC業務正常有序運行和良好的業務保障。

5 總結

面向垂直行業的不同業務需求，需要網業協同技術的研究與實現提供業務性能保障，基于無線能力開放的網業協同機制是典型手段之一。以典型工業行業PLC業務場景為例，通過對業務和網絡雙向進行感知，同時通過無線能力開放將網絡側SLA監測指標開放給業務側，進行智能分析，得出優化策略，可根據業務需求反向優化網絡預調度參數配置，從而達到業務體驗時延優化效果。測試驗證在此場景下開啟網業協同時延降低23.7%～34.9%，大大提升了業務的確定性保障能力，因此面向垂直行業的網業協同技術將進一步賦能行業企業，提高行業企業的業務能力和生產、管理效率，對垂直行業數智化轉型意義深遠。

后續，針對面向垂直行業的網業協同解決方案這一課題還有許多需要攻關的技術難題，比如如何進一步促進實現網業協同閉環機制，如何更好地進行網絡感知與業務感知，優化智能分析算法，以及無線能力開放的內容與原則。為實現垂直行業更好的業務體驗，未來需要各界共同進行新技術攻關及探索。