基于5G网络的确定化网络实现架构和关键技术分析

0 引言

5G赋能企业级客户和垂直行业的智慧化发展，为运营商和产业合作伙伴带来新的商业模式，开启一个全连接的新时代。与此同时，千行百业多种多样的业务需求场景，也为5G个性化的网络定制能力带来巨大挑战，5G确定化网络应运而生，并成为近年来业界关注与发展的焦点之一［1-2］。5G确定化网络指在一个网络域内，借助移动边缘计算、网络切片和时间敏感网络（Time SensiTIve Network，TSN）等多种关键技术，可以为承载业务提供确定化业务保障能力的网络，该确定化业务保障能力涵盖时延、时延抖动和丢包率等关键QoS指标体系［1］。

本文从5G网络的个性化和定制化等能力入手，分析了4种典型行业应用场景对5G网络性能指标的确定化要求，并重点提出了确定化网络实现架构和关键技术，并通过部分典型案例加以呈现。

1 5G特点与能力

5G是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统，在传输速率和资源利用率等方面较4G系统获得大幅提升。用户在享受更高、更快、更丰富的体验的同时，也对网络速率和时延等性能指标提出更高的要求［3］。

5G网络的增强移动宽带、超高可靠低时延通信和海量连接，构建了5G与垂直行业实现万物互联全连接愿景的特性，如表1所示。一方面，5G技术凭借虚拟化架构的引入，实现转发面与控制面的彻底分离，通过网络切片和边缘计算技术使得面向行业的可定制化网络构建成为可能，实现业务的快速上线和更极致的用户体验，使能垂直行业应用的开放和发展；另一方面，相对于4G“尽力而为”的网络特性，5G大带宽（0～10 Gb/s）、低时延（1～100 ms）和高可靠性（0～99.999 9%）等能力，为网络性能配置提供了灵活的配置空间，从而满足车联网、工业互联网和智能电网等行业网络的不同需求［4］。

随着移动通信网络的快速研究与发展，不同行业用户对网络确定化需求日益高涨，特别是在智能电网和工业互联网等面向于低时延和高可靠性的垂直应用领域，对网络提出了更加严格的时延、抖动、丢包率和可靠性等承载需求，这种随网络指标的严格要求促使5G确定化网络应运而生，并成为业界关注的重点。

目前，电子电气工程师学会（InsTItute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）和互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force，IETF）已提出确定性网络技术。IEEE 802.1工作组（Work Group，WG）致力于时间敏感网络（TIme SensiTIve Network，TSN）的标准化，时间敏感网络是当前实现确定性网络的技术方向，通过IEEE 802.1AS时钟同步、IEEE 802.1Qcc流预留、IEEE 802.1Qch循环排队等技术保障物理层和链路层的确定性时延；IETF的DetNet（Deterministic Network）工作组专注于网络层（L3）及更高层次的广域确定性网络技术。此外，5G标准化工作组已将目标定为总时延1 ms或更低，应用层的开放通信平台OPC UA（Object linking and embedding for Process Control Unified Architecture）也在积极寻求与TSN的结合，确定性网络的发展充满了机遇与挑战，是未来真正实现5G产业繁荣的基础，也是5G使能千行百业的重要抓手［2］。

2 典型应用场景

5G确定化网络技术已成为当今学术界和产业界研究人员重点关注的热点之一，不仅在学术领域有广阔的研究空间，而且在产业化方面也有巨大的市场前景，因此，研究其在特定场景下具体需求对确定化网络的发展落地具有重要意义。本节将主要分析确定化网络的4个典型应用场景，并介绍每个场景下对网络能力的具体需求。

2.1智能电网

智能电网是智慧能源的基本保障，是推动我国经济社会协调、可持续发展进程的重要物质基础。基于现有电网业务作“从主干向末端延伸”式的5G应用，如配网差动保护、毫秒级精准负荷控制对通信的可靠性、低时延、大带宽、安全防护有着迫切需求，5G技术为这些业务的推广应用提供了基础。智能电网中具有潜在需求和典型代表意义的应用场景对5G网络性能指标的要求如表2～表4所示。

2.2 工业互联网

工业互联网通过智能机器间的连接并最终将人机连接，结合软件和大数据分析，重构全球工业、激发生产力。工业互联网涉及机械、船舶、飞机制造、电力等较多的工业领域，应用广泛。如飞机制造领域，通过5G+8K视频检测生产安装缺陷，使用5G+AR辅助飞机装配，有效提高飞机生产研制效率，该场景对5G网络时延、带宽和安全性等性能指标都提出了较为严格的要求。

工业互联网场景中较具有代表意义的典型业务对5G网络的性能需求如表5所示。

2.3 智慧医疗

借助5G网络的毫秒级别的低时延、Gb/s级别的高速率，并充分利用5G 移动通信网络提供的移动边缘计算能力，可以为医疗行业提供低时延、高可靠的边缘云技术服务，实现个性化的便利智慧医疗。

目前，医疗行业的相关业务比较全面地覆盖了5G的三大应用场景。例如，增强型移动宽带场景应用主要有5G急救车，通过广域连续覆盖的5G网络实现现场高清视频、病患体征及病情等关键生命信息的实时回传，辅助后台指挥中心的指挥调度；同时，通过可穿戴设备对病患及高危人群的体征数据进行全天候不间断的检测与分析，建立用户的体征档案，实现对所患疾病的早发现、早治疗。低时延、高可靠场景主要应用有院内无线监护、远程监测及远程手术等对低时延有较高要求的场景。针对当前存在的院内医疗设备种类多、管理监控不便、设备间数据难以共享等问题，海量机器连接场景则可以提供统一接入方式，实现院内医疗设备统一管理与数据互联。

智慧医疗场景中的远程诊断、远程示教等高价值应用业务对5G网络服务能力的要求如表6所示。

2.4 车联网

车联网是5G重要应用场景之一，也是解决目前自动驾驶面临技术瓶颈的重要技术手段之一。5G车联网的自动驾驶业务对网络时延、可靠性以及速率要求非常高，根据车辆自动化不同等级，网络指标也不尽相同，全自动化（L5级）场景中，5G网络传输时延需要达到1 ms，传输速率需要达到0.1 Gb/s［4］。

车联网场景中较具有代表意义的典型业务对5G网络的性能需求如表7所示。

3 网络实现架构与关键技术

5G确定化网络基于原生云超分布式架构，包括三大关键使能技术：超性能异构MEC、动态智能网络切片和时间敏感网络技术。超性能异构MEC是5G确定化网络的基础，业务在边缘闭环支持更低时延；动态智能网络切片则是5G确定化网络的核心能力，保证确定化网络体验；时间敏感网络旨在为以太网协议构建“通用”的时间敏感机制，确保网络数据传输的时间确定化。

3.1实现架构

5G确定化网络是一个端到端的概念，涉及无线网络的基站、传输和核心网等多个组成部分。其中，核心网对于5G确定化能力至关重要，5G核心网控制面可以集中部署，对转发资源进行全局调度；用户面则可按需集中或分布式灵活部署，当用户面下沉靠近网络边缘部署时，可实现本地流量分流，支持端到端的毫秒级时延。

图1给出了5G确定化网络逻辑架构示意图，其中最底层展示了5G服务化架构，核心网、接入网、传输网构成网络能力生成层；业务需求层主要负责接收各垂直行业的业务需求，客户统一订购签约界面；能力匹配层主要根据客户的需求，借助网络切片、移动边缘计算、时间敏感网络等5G关键技术，形成5G网络的确定化服务能力；能力提取与编排层根据“确定化服务能力”指标要求，将提取到的能力借助能力编排器进行封装与编排，最终满足行业客户对确定化网络能力的需求。

3.2 关键技术

3.2.1 边缘计算

在5G确定化网络中，边缘计算非常重要。MEC边缘计算节点有两个核心任务：（1）把网络端到端的时延最大化地降低到可接受的范围。时延是所有网络能力中最关键的一点，确定化网络首先要能够保证低时延。MEC使时延能够降低到足够低，使整个网络的联接可以快速在边缘实现。（2）实现确定化的网络，需要在MEC边缘节点上通过移动边缘计算业务平台（ME Platform manager，MEP），使能各系统之间的互联互通合作，所有应用可以在边缘实施，确保确定化时延和可靠性［3］。

MEC可以使应用、服务和内容实现本地化、近距离、分布式部署，作为5G演进的关键技术之一，在5G架构也支撑边缘计算的部署，常见模式是用户面功能（User Plane Function，UPF）可以选择业务，本地业务可以选择下沉的方式，具体部署架构图如图2所示。

MEC作为AF与5G核心网之间的接口，交互路由与控制策略信息。图3为AF影响路由与策略，即本地卸载流量走插入UPF，其他流量直接走大区核心网或省级UPF。

MEC并非一定要部署到末端综合接入机房，而是可以根据业务需求确定，主要部署位置包括边缘级（基站与回传网络之间）、区域级（汇聚环和接入环之间）和地区级（汇聚核心层）。依据UPF与MEP部署位置的不同，可以进一步实现对网络确定化时延的灵活控制，如图3所示。

3.2.2 网络切片

网络切片是5G网络核心能力，在5G确定化网络中扮演了重要角色网络。网络切片通过将网络资源灵活分配、能力灵活组合，基于一张物理网络虚拟出网络特性不同的逻辑子网，满足不同场景的定制化需求。在网络切片划分的过程中，可以根据不同类型业务对逻辑子网的特性和能力进行定制，因此网络切片使得运营商具备了按需定制网络服务的能力。此外，通过开放标准API和自服务入口，网络运营商可以授权其客户自行购买并运营网络切片，客户可以将网络切片集成到自身的服务和应用中，从而极大提升网络切片应用的灵活性和变现能力，拓展运营商的商业机会。

面对行业客户多变的需求，网络切片提供灵活按需定制的服务，需要实现切片闭环的保障和SLA指标实现的检测，需要实现切片的隔离和安全性保障，来应对不同行业的不同的安全等级要求。同时，一个E2E切片同样可以由多个专业子切片组成，需要实现E2E切片的统一管理。基于确定化网络编排可以提供专业子切片内部的传输，通过使用多个彼此资源不冲突的子切片，在不同逻辑网络中实现单独带宽和时延保障，确保网络性能的确定性。其中E2E切片智能保障的示意图如图4所示，主要依赖自动化闭环来实现，同时对于物理性维护和必要的外线干预，提供人工闭环的保障途径。

3GPP标准协议制定的全新5G核心网架构中引入了新的网络功能网络数据分析功能（NWDAF），用于收集、分析网络数据，以及向其他的网络功能提供数据分析结果信息，NWDAF提供的数据分析结果主要包含切片负载、业务体验、网络性能等信息［5］。NWDAF在切片的智能选择、切片自动负荷分担、网络功能备份的自动调整等切片保障方面，将有望带来更多的可能性。

3.2.3 时间敏感网络（TSN）

在5G垂直行业的业务中，及时、安全地传输数据是工业通信技术的关键要求之一。时间敏感网络是满足该要求的很有发展前景的重要技术。根据3GPP 5G需求规范［3］，对于时间敏感的工业应用场景，可能需要达到1 ms的延迟、1 ？滋s的抖动和99.9999%的可靠性。

5G与TSN的融合有助于将5G的潜力扩展到更广阔的领域，在5G网络上融合TSN服务，关键在于实现5G网络与TSN的互通，图5给出了5G与TSN的融合方案。为了满足行业应用对确定性时延的要求，首先要提供精确的时间同步机制，并要提供确定的传输路径。具体实现中可以将网络中性能需求不同的业务设置不同优先级，并进行包括带宽、时延、分组长度、发送频率、端口入时间窗口和出时间窗口以及每个节点间的出、入时间窗口的匹配等特性配置，实现确定性需求业务流程与其他业务没通过时分复用为高优先级业务流程提供确定传输时隙，以保证时间敏感业务的确定化传输路径［2］。

目前，在OT和CT领域，部分企业正在尝试将5G与TSN相结合，实现将传感器和执行器等工业设备以5G方式连接到TSN网络。较之于4G，5G无线接入网提供了更好的可靠性和传输延迟。同时，5G虚拟化系统架构允许被灵活地部署，可以实现不受电缆安装限制的TSN网络。

4 实现案例

在工业互联网、智能电网、车联网、智能医疗等5G垂直行业典型应用场景，对时延、带宽、可靠性等网络指标提出严格要求。本文以智能电网典型场景为例，阐述5G确定化网络已在行业应用中的初步探索。

在智能电网的发电、输电、变电、配电和用电等多个生产环节中，包括视频巡检、配网自动化、精准负荷、控制自动抄表等可以与5G“超低时延”和“海量连接”特性相结合的典型业务场景。其中，对于广域开放性场景，主要针对配网和用网以及少量存在移动性或无线接入需求的输变电场景。确定化网络重点采用5G网络切片解决方案，而边缘计算是支撑超低时延超大带宽网络切片的主要技术手段；对于局域封闭性场景，主要针对发电厂、变电站等特定高安全隔离需求场景，确定化网络重点采用以边缘计算为核心的虚拟专网解决方案，网络切片则是实现公专网业务协同的支撑技术。

以精准符合控制场景为例，该场景重点为解决电网故障初期频率快速跌落、主干通道潮流越限、省际联络线功率超用、电网旋转备用不足等问题。通过确定化网络技术，根据不同控制要求分为实现快速负荷控制的毫秒级控制系统和更加友好互动的秒级/分钟级控制系统，基于5G网络切片解决方案，通过边缘计算实现超低时延超大带宽网络切片，实现架构如图6所示。

测试结果表明：基于5G确定化网络技术，充分利用5G网络的毫秒级低时延能力，结合网络切片的SLA保障，增强电网与电力用户间的双向互动，有效提升了在突发电网负荷超载的情况下对电网末端小颗粒度负荷单元的精准管理能力，将因停电所造成的经济、社会影响降至最低。

5 结论

5G确定化网络技术已成为当今学术界和产业界研究人员重点关注的热点之一。本文从5G网络的个性化和定制化等能力入手，分析了4种典型行业应用场景对5G网络性能指标的确定化要求，重点提出了确定化网络实现架构和关键技术，并通过部分典型案例加以呈现。5G确定化网络关键技术的研发仍处于起步探索阶段，而5G与时间敏感性技术的协同融合也是实现确定化网络的关键，5G确定化网络将是实现5G行业业务应用的基础，也是5G使能千行百业的重要抓手。

参考文献

［1］ 赵福川，刘爱华，周华东.5G确定性网络的应用和传送技术［J/OL］。中兴通讯技术：1-14［2019-11-20］.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/34.1228.TN.20190916.1427.002.html.

［2］ 黄韬，汪硕，黄玉栋，等。确定性网络研究综述［J］。通信学报，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推进组.5G愿景与需求白皮书［Z］.2014.

［5］ 中国电信，国家电网，华为.5G网络切片使能智能电网［Z］.2018.