面向行业客户的5G专网性能保障的关键技术探讨

周立栋

（中国移动通信集团广东有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

近几年，针对5G在行业客户应用研究越来越广泛，涌现出了一批又一批的优秀案例，涵盖了工业制造、港口矿山、交通运输、电力、医疗等诸多领域。业界的研究热点主要聚焦在5G与工业互联网时间敏感网络（TSN）深度融合，5G与智慧交通行业深度融合，通过5G构建广域局域网等方面，均取得了一定的进展。行业客户多样化的业务需求场景，离不开5G网络关键技术的支持，这些关键技术有一个共同之处，5G核心网网元下沉及网络切片部署技术为5G与行业客户的结合搭建了基本框架。在搭建基本框架的基础上，针对不同的行业客户的应用，有选择性的进行了功能扩展和性能优化，这些技术主要集中在5G LAN、5G-V2X、5G 5G uRLLC等方面。

1 面向行业客户的5G专网性能保障的关键技术

1.1 面向行业客户5G专网基本框架

（1）核心网网元有选择性的下沉。5G具有高速率、低时延、广链接特性，5G核心网作为5G业务使能中心，差异化体验和运营的锚点，网络建设需要满足5G网络更加高效、灵活弹性、敏捷健壮以及智能化运维的组网能力。因此在5G核心网提出分层的网络架构。在此基础上，结合5G业务需求，5G核心网建设主流的建网方式有以下4种模式：一是针对eMBB类大视频、AR/VR等场景需求，将UPF进行下沉，满足视频业务就地访问的需求；二是为满足车联网业务需求，将SMF与UPF一起进行下沉至园区或者企业，满足车联网业务高可靠性的组网要求；三是为满足URLLC的组网需求，将AMF/SMF/UPF一起下沉；四是为满足行业大客户的组网需求，5GC全部下沉至园区或企业，组建私有专网。

（2）网络切片技术部署方式。5G网络切片由无线网子切片、核心网子切片、承载网子切片及网络切片管理子系统四部分组成。前三者统一于网络切片管理子系统中，利用SDN、NFV、FlexE、虚拟化等四种关键技术实现。目前对网络切片技术的研究已经从其概念和分类逐步深入到多切片的协同和划分上，在5G网络中，用户可能拥有2C和2B两种属性，在这种场景下，在共享PCF中设置网络切片选择（NSSP）策略，用户可以同时接入多个切片，实现切片的动态切换。在面向5G 2B业务eMBB场景业务需求时，AMF/UDM/PCF等与2C切片有2种部署方式，分别为共享和隔离两种，当eMBB场景业务需求面向人时，采用共享方式部署；当eMBB场景业务需求面向企业时，与2C切片以隔离方式部署。在面向2B mMTC场景业务需求时，此类业务对切片的隔离度要求低，可部署一个切片实例承载多种业务需求。在面向5G 2B URLLC场景业务需求时，在需要低时延切片控制的同时，也需要高带宽的切片协同回传视频，这种场景需要一个切片实例同时支持eMBB和URLLC。

1.2 面向行业客户5G专网性能优化技术

（1）5G与TSN技术深度融合。时间敏感网络（TSN）以低时延、高可靠和确定性传输等方面特性很好的满足工业互联网的发展。为了满足工业互联网行业的网络组网以及开放化的需求，产业界、学术界以及标准组织研究，开始探索5G与工业互联网的结合等方面的相关增强技术，尤其是3GPP已经开始了5G TSN的标准化工作，采用桥接技术建立了基本的融合架构。

5G与TSN融合后，5G NR无线替代工厂内的有线网络，可以灵活的部署5G系统架构，满足工业互联网各种场景的组网需求。在3GPP R16版本中，又对5G TSN网络增强技术进行了深入的研究，主要解决了灵活的上行链路调度、精确的时间同步以及5G对TSN类型流量的支持相关技术难题。

5G与TSN技术深度融合主要从三个方面入手：在接入侧，将TSN系统的时间同步、时延和时延抖动的技术思路扩展至5G空口，使5G空口满足TSN网络数据的传输需求；在U E侧，部署TSN网关，在3GPP R16版本中定义为DS-TT，对接5G网关与TSN网关的相关协议的转换及业务系统的映射；在核心网侧，部署核心网侧TSN网关，实现工业互联网中相关端口、协议数据单元以及QoS机制映射，在核心网网络策略方面，支持在同一个UPF下的UE与UE之间实现确定性通信的能力开放。但当前5G TSN网络的产业链还不够成熟，5G TSN网络发展需要终端、接入、传输及核心网的改造支持。

（2）5G与车联网深度融合。车联网应用可大致分为协同服务类应用、交通安全类应用、交通效率类应用、信息服务类应用。其中协同服务类应用已经在智慧高速编队行驶、基于5G的远程驾驶、智慧路口协作通行、协同性安全驾驶等方面开展。目前自动驾驶应用主要集中在L2级别，5G与V2X技术结合将推动自动驾驶向着L3/L4方向发展。3GPP在R16版本，开展了基于5G系统的V2X技术研究。相比与LTE V2X，5G-V2X技术有以下特点：在接入层，引入组播、广播和单播等多种通信方式，单播通信方式中可以与特定终端建立链路，也可以与特定的业务建立链路，实现链路的高可靠性的传输要求。在核心网，将LTE-V2X的VCR功能集成到PCF功能中，实现车联网业务参数及策略的下发功能。在引入PC5直接通信的基础上，将QoS与NR-PC5结合，实现了更高质量的V2X的业务需求。在R16标准冻结的同时，3GPP已经紧锣密鼓启动了R17技术标准的研究工作。并初步规划了R17的主要增强技术，继续对现有版本标准进行演进，计划在2021年底完成。5G在V2X技术方面的增强，为智慧交通行业的发展带来了更广阔的前景，最终实现L5级别的自动驾驶。

（3）5G与局域网深度融合。随着用户对局域网组网灵活性以及对终端的灵活管理功能的要求的不断提高，局域网局限性也逐步凸显出来。比如，行业客户要求能够随时调取特定终端的数据，能够与特定的终端组成动态的组群，满足临时性组网的需求。5G与LAN技术的结合，很好地解决了行业客户智能化组网的需求。5G LAN技术首次在移动网络中引入终端管理的概念，支持组内终端直接通信，通过动态的群组管理、指定终端的IP地址等技术，构建基于5G的二层转发网络。在核心网层面，将组内的终端信息及IP地址放入到UDM中，为行业客户提供能力开放接口，可灵活实现组内成员管理及局域网的构建。通过5G SMF与UPF的交互实现终端组内数据交换和用户面路径的选择。行业客户通过5G建设网络的同时，通过5G LAN增强技术，使得5G接入的终端可以和应用服务器组建大二层的局域网，满足行业专属“局域网”建设需求。

2 技术应用分析

行业客户的应用可以概括为传统局域网、工业互联网以及未来的车联网的应用。5G以其大带宽、低时延、广互联优良的技术优势、灵活的组网方式正推动各行各业广阔的发展。5G 80%的应用主要集中在工业互联网，已经在业界达成共识，在组建5G TSN基础上，行业客户可利用5G LAN及5G-V2X技术实现园区内局域网组网以及车联网方面的需求，利用切片技术实现园区内网络一体化的建设，在节省建设成本的基础上，建立一张开放的网络。

3 结束语

目前，行业客户对专网建设要求越来越灵活，5G网络以其优良的特性和良好的扩展性，为行业客户的建设组建一张网络，实现多种功能提供了可行性的方案。本文面主要面向智能化工业园区组网需求，以5G网络切片和核心网功能下沉为基础，分别对园区基于5G组建TSN网络、LAN网络及V2X网络研究了其增强技术，为未来智能园区的组网提供了一体化的解决方案。