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边缘网络将是5G推动确定性网络的切入点

2020-07-02 16:40 次阅读

移动网络已经从2G/3G/4G以人为中心的消费互联网,逐步转向了5G时代服务垂直行业的产业互联网。从提供大带宽、广覆盖网络,支持广域互联、视频娱乐,发展为提供覆盖确定、连接确定、时延确定、安全确定的质量可保障网络,5G正逐渐成为工业互联网、能源物联网、车联网的技术基础和产业升级发展的动力,而5G确定性网络是CT与OT融合发展的必然方向。

垂直行业对网络确定性提出明确诉求

5G时代,垂直行业对网络确定性提出明确诉求。服务垂直行业成为5G网络发展的重点方向。相比个人用户,行业客户在带宽、时延、抖动、可靠性、同步精度等方面都提出了明确的业务体验及质量保障要求。例如,在工业制造领域的闭环控制场景中,端到端时延要求为10ms,抖动要求为±0.5ms,可靠性需达到6~8个9;在运动控制场景中,端到端时延要求为2ms,抖动要求为±500ns,可靠性需达到6~8个9。如在电力能源领域的分布式配电自动化场景中,时间同步精度需要小于1us,网络端到端时延要小于12ms。而以上需求都已明确写入3GPPSA1需求标准(TS 22.104)。

但是,目前的移动网络还无法提供“确定保障”,主要有以下几大原因。第一,移动网络本身的局限性。移动网络提供的是无线传输服务,与有线传输相比,更易受环境影响,传输质量更难保障。同时,空口资源紧缺,只能通过“尽力而为”的调度满足数据传输要求。

第二,网络尚未完成彻底虚拟化,资源的预留或独占对于物理设备而言是极大的浪费。网络资源无法根据业务流量特征进行动态调整,导致运营商缺乏驱动力,难以保障稳定的业务体验。

第三,缺乏端到端的确定性保障机制。移动网络的QoS(Quality of Service)本质是资源抢占,但只要有资源冲突,就有数据处理的不确定,设置高优先级QoS仅提高了资源抢占的概率,无法保障稳定的业务体验。

确定性网络历史回顾及研究现状

提到5G确定性网络,首先需要回顾确定网络性的发展历程。“确定性”这个概念最初是由IEEE提出并进行标准化的,其AVB(音频视频桥接)标准在音视频领域成功应用。IEEE 802.1工作组于2007年创建了AVB任务组,目标用以太网取代家庭中的HDMI、扬声器和同轴电缆。随着IEEE 802.1AVB标准在工作室、体育和娱乐场所的成功应用,这一技术开始吸引工业界和汽车界的关注。

2012年,IEEE 802.1AVB任务组更名为时间敏感网络(TSN)任务组。TSN标准扩展了AVB的技术,具有时间同步、时延保证等确保实时性的机制,成为新一代以太网协议。TSN标准从时间同步、流量调度和整形、可靠性、配置管理这4个方面定义了26个网络协议,其中优先被业界考虑应用的协议包括:时间同步802.1AS、门控调度802.1Qbv、入端口管理802.1Qci和配置管理802.1Qcc。IEEE TSN任务组诞生了许多标准,但绝大部分关于二层网络。

2015年,IETF成立了确定性网络(Det Net)工作组,致力于将基于以太网的确定性技术扩展到广域IP网络。Det Net专注于在第2层桥接和第3层路由段上实现确定传输路径,这些传输路径可以提供延迟、丢包和抖动的最坏情况界限,以提供确定的数据传输。

边缘网络将是5G推动确定性网络的切入点

通过追溯确定性网络的历史可以看出,确定性概念发源于固定网络领域,通过时间同步、门控机制、流调度、帧抢占等优化的协议设计来实现时延敏感业务的确定性传输。但随着5G助力工业互联网、能源物联网、车联网等的发展,越来越多的行业提出基于移动网络的确定性技术研究,其中以3GPP为代表的移动网络标准制定方于2018年7月R16阶段开始Vertical LAN项目研究,面向工业制造场景,开展5G支持IEEE TSN协议、5G局域网技术以及5G行业专网技术的研究及标准化;2019年9月R17阶段,其继续开展Industrial IoT项目研究,进一步完善5G支持IEEETSN协议,对5G独立的确定性机制开展研究及标准化。

中国移动在网络质量保障方面的探索和尝试

推动产业合作,需要明确网络质量保障诉求。在等待5G R16、R17标准成熟的同时,为提前明确行业诉求,中国移动已基于R15的5G网络切片及边缘计算技术,与垂直行业伙伴开展了大量产业合作,力求提供一张在一定程度上实现服务质量可保障的5G网络。

中国移动以网络切片为服务行业的基本框架,以切片质量保障为满足行业诉求的根本目标。网络切片能够在一张网络上为不同行业用户提供不同网络服务,具有资源隔离、质量保障、功能定制三大特征,是实现网络确定性的重要手段,而切片质量保障是切片能否真正服务行业客户的关键。中国移动很早就认识到了切片质量保障的重要性,2017年3月,中国移动在巴塞罗那世界移动大会上发布了《“服务质量可保证”的5G网络切片白皮书》,并以此为契机不断推动切片质量保障的相关工作,期望具有SLA保障的网络切片能向垂直行业提供具有高带宽、低时延、海量连接的5G定制化服务能力。

在中国移动与产业伙伴的全力合作下,5G网络切片技术不断成熟。2019年5月中国移动携手央视、华为联合完成全球首次5G SA网络切片环境下的超高清视频直播验证;2019年7月,中国移动与华为、TIM、腾讯、中国电力科学院、数字王国联合发布了《用户体验驱动的5G切片SLA保障白皮书》,剖析利用大数据分析和人工智能技术对切片优化部署,更好地为切片用户提供服务质量保障;2019年9月,中国移动联合南方电网、华为完成全球首次5G SA网络切片的端到端切片全流程业务验证。

边缘网络是5G推动确定性网络的切入点。边缘网络实现计算存储能力与业务服务能力在网络边缘的本地化部署,并对数据进行本地计算处理,一方面缩短了传输路径,提高了时延和带宽的稳定性;另一方面,边缘网络规模小、易改造、易配置,因此边缘网络的确定性更容易保障。

虽然基于网络切片的独享网络资源、基于边缘网络的本地处理,在一定程度上构建了局域轻载的5G网络,可承载部分确定性业务,但是离5G完全满足确定性业务需求还有一定差距。

为实现真正的5G确定性网络,需要从硬件、协议与无线网络等几方面进行增强,从根本上改变资源调度、业务流控制的机制。首先,从硬件层面端到端地支持时钟同步机制;其次,从协议层面适配现有成熟的确定性网络协议,即IEEE TSN协议;最后,从无线网络层面来看,在尽可能减少对已有5G系统改造的前提下,针对无线空口进行优化,定义时延敏感GBR,定义时间敏感通信辅助参数(TSCAI),协助无线网络进行及时的资源调度。

中国移动在3GPP标准方面积极发力,推动5G确定性网络技术标准化:在无线方面,将10ns同步精度写入标准,满足电网授时精度要求;在核心网方面,推动5G LAN(5G局域网)标准制定,适配以太网数据传输。只有尽快推动R16标准成熟及设备测试,才能够真正看到5G网络对确定性业务的质量保障。截至目前,中国移动已与华为就Vertical LAN项目中的5G LAN技术进行了基础功能测试,并成功搭建基于5G LAN技术的8K直播演示。

中国移动愿与业界合作伙伴共同推动确定性技术研究

实现5G确定性网络不是一蹴而就的,而要经过一个长期的技术探索过程。当前,5G确定性网络仍存在成本高、技术不成熟、需求极端等3方面问题。

第一,5G确定性网络是高价值网络,成本预计较高。5G确定性网络对网络质量要求高,这导致了硬件设备和网络资源成本较高。运营商在尽量满足行业业务确定性诉求的同时,也需要考虑成本问题。网络成本高主要源于以下方面:现阶段探索的5G Vertical LAN技术确定性网络为局域建网,管理成本较高;5G端到端硬件设备需升级至支持时间同步,设备成本较高;5G需构建冗余传输链路保障高可靠需求,无线、传输、网络资源面临双倍消耗,资源成本较高;5G增强支持复杂的确定性网络协议体系,即IEEE TSN协议,设计配置成本较高。

第二,5G网络的确定性技术尚不成熟,有待产业界进一步推动。3GPP R16版本在2020年6月冻结,预计设备厂家在2021年初可提供测试样机。另外,5G确定性网络的性能有一个逐步发展过程,其确定性不是绝对的,而是相对的,随着技术的不断演进,网络可实现的确定性精度会逐步提高。

第三,部分行业对5G网络确定性有着极端的需求。这种极端需求一方面是由于固定网络的天然优势导致,移动网络无法在同步精度、时延、抖动方面超越固定网络;另一方面是由于运营商运维的移动网络长期处于服务大众市场的角色,当其转向服务垂直行业时,行业客户对资源投入的预期不足。需要明确的是,5G服务垂直行业,尤其这种高性能网络,不意味着低成本,相反,从有线到无线,从固定到柔性,高性能移动网络所能够提供的是一种高价值的网络服务。更高的服务质量意味着更多的资源投入。5G确定性网络概念的日益火热,恰恰反映了行业对高质量网络的要求与有限的资源之间的矛盾。

为解决5G确定性网络遇到的问题,各产业伙伴需要共同努力,做好长期研究的准备。一方面,借助技术创新,不断吸纳学习固定网络确定性机制,优化网络性能,更新迭代网络技术,并结合移动网络自身的特点,适当进行机制的简化;结合网络智能化、可编程技术,尽可能降低确定性机制在移动网络应用的成本。另一方面,通过与行业客户的深入合作,解决生产制造等方面的真正痛点,让行业客户真正认识到5G网络质量可保障的价值,并推动5G网络向着确定性方向发展。

未来,中国移动期待从5G网络开始,借助5G确定性网络产业联盟这个平台,与产业界合作伙伴持续努力,共同推动移动网络确定性机制逐步成熟。
       责任编辑:tzh

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