5G技术在小微园区的应用研究

2021-04-09张捷，蒋柯

数字通信世界 2021年3期

关键词：切片时延小微

张捷，蒋柯

（中国电信股份有限公司浙江分公司，浙江杭州 314000）

0 引言

5G技术在园区内的推广与商用，创造性地解决了小微园区生产生活中的突出问题，满足了园区建设的刚性需求，加快了以制造业为代表的智慧园区发展。因此，本文将介绍小微园区和5G技术的特性。

1 小微园区

1.1 小微园区现状

在我国经济高质量发展要求的大背景下，小微园区是推动中小微企业转型升级和集群化的重要承载平台，也是展示“腾笼换鸟、凤凰涅槃”实践成果的重要窗口。包括浙江在内的各个省级政府一直非常重视小微园区的建设，而制造业小微企业园是重中之重。为此，在工业互联网、深度上云与智慧管理平台等数字新基建领域，小微园区都有着迫切而强烈的需求。目前，小微园区的基础网络信息能力有以下难题：

（1）小微园区目前采用的传统组网方式存在网络架构单一的障碍，难以满足园区复杂多变的应用场景。

（2）众多前端设备因通信成本和信号覆盖等因素无法实现无线接入。

（3）园区工业级专业应用对时延和稳定性有更高要求，现有通信基础资源设施难以满足，同时现有无线技术覆盖不够广。

1.2 5G智慧小微园区发展意义

5G技术的商用，对小微企业园高质量发展、数字化转型有重大的推动作用。建设5G智慧小微园区，可以加快5G组网技术、智能制造、边缘计算、大数据分析等新技术的落地，也有利于工业级专业应用的孵化和运营成本的降低，可以使园区内企业更全面系统地获取产业升级机遇，如图1所示。

建设5G智慧小微园区可以重构“政府-园区-企业-员工”关系链，形成正向经营业态圈，推动园区向纵深发展，实现产业升级，实现多方共赢。

图1 5G智慧园区新技术图

2 园区内5G技术应用研究

2.1 5G技术的关键指标和技术

5G有大带宽、高速率、低时延的特点，并在体验速率、连接数密度等指标上有较大突破。

5G接入的理论峰值速率可高达10 Gb/s，用户体验速率在100 Mb/s～1 Gb/s之间。5G相对4G，理论速度提升了100倍。

5G的端到端时延可达到毫秒级，单向空口时延在0.5 ms之下，同时5G的频谱利用率同比4G显著提升，提高约3～5倍。在万物互联场景下连接数密度能够达到100万设备/km2，5G单一基站可完成高密度的设备接入，解决前端设备信号的通信障碍。

总体来说，5G在峰值速率、移动性、时延、频谱效率、连接数密度等关键能力相比4G有了长足进步，为新技术新产业的发展提供了可能。如表1所示。

表1 4G与5G关键指标对比表

2.2 5G定制网在园区的应用

小微园区内应用场景众多，通信需求具有差异化，传统的3G4G网络，甚至5G公共网络都无法完全满足需求。企业客户急需可定制的5G专网，来满足低时延低抖动、云网融合、安全隔离等不同层面的行业数字化转型应用需求。

为此，我们建议实施基于5G定制网的小微园5G网络综合解决方案，依托SA架构（目前，中国电信、中国移动、中国联通均已宣布全面使用SA模式组网），提供灵活组合的定制策略。

小微园5G网络综合解决方案：由5G基站设备、核心网控制面设备、网络管理平台、MEC设备和终端设备等组成5G定制网。采用专网和公网共享5G基站和核心网控制面设备，在企业园区的机房内部署本地UDF，通过私有化部署实现数据不出园，同时将MEC设备部署在边缘机房，并搭建园区私有云，实现对数据、安全性和服务质量的最有效控制。如图2所示。

图2 园区专网组网方案

2.3 5G网络切片在园区内应用

5G网络切片有共享切片和独立切片两种类型。5G网络切片是通过网络功能和特定的RAT设置组成，分为服务层和基础设施层，网络切片是物理基础资源设施上服务层的实现，NFV把设备分解为软件与硬件，硬件通过服务器统一部署，不同的NF组成软件。然后根据不同的SLA为园区个性化的通信服务选择合适的基础物理资源和虚拟资源。如图3所示。

图3 基础设施上的网络切片

园区内业务场景的多样化导致网络需求的多样性，所以需要配置不同类型的5G网络切片。本文从设备管理、生产两大场景着手。园区管理的设备主要为摄像头和各种传感器，对安全性和可靠性的要求相对较低，故采用共享切片模式，因设备基本不动所以移动端配置可以忽略，只考虑控制面功能的配置，单独部署UDF、SMF和SMF在园区内，NRF、AMF等网络功能和eMBB网络共享。

在园区生产场景中，工业自动控制和无人物对时延、数据安全性和网络可靠性要求较高，因而可利用5G技术特性中切片和低时延能力，实施独立网络切片，根据园区生产需求进行弹性扩展。为更好实现这类技术，所有必要功能都在云边缘节点上实例化，开放充足接口来支持相关应用的实现。

2.4 5G TSN技术在园区内应用

时间敏感网络（TSN）是实现园区工业互联的重要技术，主要特点是低时延、高可靠和确定性传输。

5G系统在TSN网络架构中使用桥接技术，作为5GS桥，包含UE、DS-TT、NW-TT、UDF和UE之间用户隧道。UDF对应5GS桥，通过DS-TT作为终端侧入口，NW-TT提供TSN出口端口。由DS-TT与NW-TT组成TSN转换器，实现用户面与控制面之间的交互。如图4所示。

图4 5G TSN桥

5G TSN在园区内应用场景众多，包括设备控制、机器人控制、AGV控制等。实现这些场景，时间同步、低时延低抖动是主要考虑因素。

时间同步：实现时间同步是面向园区场景的关键能力需求之一。为了实现5G与TSN的同步，整个端到端5G系统可看作是一个IEEE 802.1AS时间感知系统。有两个时间同步域，分别为5G时间域和TSN时间域。5G内部，5G GM与NW-TT、DS-TT、UPF、用户设备侧和5G基站达成时间同步；只有TSN转换器需支持IEEE 802.1AS协议并执行相关功能。当园区工业应用业务需要消除时延抖动时，TSN转换器实现5G网络和工业互联网时钟的时间同步，从而进行流量调度。

为了减轻网络传输的抖动和时延对园区业务的影响，5G TSN解决周期性确定服务质量，结合时延敏感通信辅助信息，采用保持与转发机制，支持802.1Qbv调度机制，以减少抖动。采用延时关键GBR 技术，提高同步实时流业务调度优先级，降低时延。