基于5G的智能驾驶技术与应用
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1.6 5G网络切片技术

1.6.1 网络切片概述

网络切片(Network Slice)本质上就是将运营商的物理网络划分为多个虚拟网络,每一个虚拟网络根据不同的服务需求来划分,以灵活地应对不同的网络应用场景。所以5G网络切片就是一组网络功能,运行这些网络功能的资源,以及这些网络功能的具体配置。这些网络功能及其相应的配置形成了一个完整的逻辑网络,其中包含了满足特定服务所需的网络特性,并为这种特定的业务场景提供了相应的网络服务,如图1-34所示。

图1-34 5G网络切片示意图

网络切片基于云计算、边缘计算、软件定义网络/网络虚拟化、面向服务的体系架构等几大技术群而实现,通过上层统一的编排让网络具备管理、协同的能力,从而实现基于一个通用的物理网络基础架构平台,能够同时支持多个逻辑网络的功能。

5G网络切片技术通过在同一网络基础架构上构建虚拟独立的逻辑网络,为不同的应用场景提供相互隔离的网络环境,从而使不同的应用场景根据各自的需要而定制网络功能和特性。网络切片技术允许运营商在单个硬件基础架构中划分多个虚拟的端到端网络。每个网络切片从设备到接入网、传输网、核心网在逻辑上隔离,以满足不同类型服务的不同需求。虚拟服务器、网络带宽、服务质量等专用资源对每个网络切片都有充分的保证。由于切片之间是逻辑隔离的,因此一个切片的错误或故障不会影响其他切片的正常通信。5G网络切片将终端设备、接入网资源、核心网资源、网络运维与管理系统等有机组合,提供一个可以独立运维的、不同业务场景和业务类型相互隔离的完整网络。网络运营商可结合自身业务特点,采取差异化的切片策略构建相互隔离的逻辑网络,实现对业务的定制化承载。

目前,业界主流的方式是基于业务场景进行切片划分。典型的业务场景可以分为大带宽的移动接入场景、大规模物联网接入场景,以及低时延、高可靠性业务接入场景,不同场景对各项性能指标的需求如图1-35所示。

图1-35 5G三大应用场景及对各项性能指标的需求

eMBB(enhance Mobile Broadband,增强移动宽带)旨在显著提高移动宽带接入的数据速率、用户密度、容量和覆盖范围,并且能降低时延,即使在智能高速公路等较为拥挤的环境中,也能够实现AR/VR应用的实时数据流传输。增强移动带宽主要以人为中心,侧重于关注多媒体类应用场景,此类使用情景需要在用户密度大的区域增强通信能力,实现无缝的用户体验,如超高清视频传输和高速移动目标通信。在高速行驶的列车中,eMBB能够确保信号的稳定快速链接和基站之间的无缝衔接,通过提高网络传输速度,增强通信能力,最终提高用户体验

mMTC(massive Machine Type Communication,海量物联网通信)是典型的物联网场景,如智能井盖、智能路灯、智能水电表等,在单位面积内有大量的终端,需要网络能够支持这些终端同时接入,在这种场景下终端到网络的连接数量将急剧增长。然而与庞大的连接数量不同,物联网终端传输的数据却十分有限,并且物联网终端的通信行为常常有规律,同时物联网终端通常位置固定、无法移动。因此,大连接物联网场景下的网络切片可以没有用户面连接,其控制面的部署位置也可以相对较高。

uRLLC(ultra Reliable&Low Latency Communication,低时延、高可靠通信)主要是服务于物联网场景,如车联网、无人机、工业互联网等。在这类场景下,对网络的时延和可靠性要求很高。uRLLC主要应用领域之一是车联网,它需要车辆在高速行驶时,不仅要具有带宽和时延保障,还要具有可靠的传输能力,因此在低时延、高可靠场景下,网络切片的控制面和用户面应分开部署,其中控制面的部署位置不应该过高,用户面的部署位置则必须很低,应尽量靠近车辆侧,以减少车辆访问服务器的时延。

每种切片将其所分配的网络资源和运维管理资源整合在一起,构成一个完整的逻辑网络,从而独立承担某类业务端到端的网络功能。

1.6.2 5G网络切片方案

根据网络现有能力,在不同切片等级内组合无线、传输、核心网和安全及运营等能力,匹配网络最有可能的部署策略,共形成5种切片能力等级,满足5G三大类需求。2020年中国移动研究院发布的《网络切片分级白皮书》中将网络切片的能力分级划分为L0~L4级,如图1-36所示。针对公众网、行业网不同的需求,围绕网络资源隔离性、运营运维、安全和定制化服务四个维度,来区分每种能力的不同服务质量保障等级,如图1-37所示。

图1-36 5G网络切片能力等级中国移动研究院.网络切片分级白皮书 [R/OL].[2020-03].https://www-file.huawei.com/-/media/corporate/pdf/news/categories-slice--white-paper-cn.pdf?la=zh.

图1-37 5G网络切片能力等级对比分析[16]

围绕这些不同的切片能力,5G网络可以从无线域(回传网)、传输网域、核心网域三方面进行切片的划分和保障。

1.6.2.1 无线切片方案

无线切片包括无线基站的切片化和无线资源分配的切片化管理两方面。

RAN切片可以基于Cloud RAN架构实现,通过在每个切片上提供公共共享功能和切片特定功能,实现RAN切片上的隔离和共享。如图1-38所示,NR和E-UTRAN分别具有共享RRC(Radio Resource Control)和专用RRC。

图1-38 支持网络切片的RAN网络架构

在无线资源分配和管理方面,无线空中接口资源及其调度策略以空间切片(时频资源切片)的形式定义,既保证资源和数据切片后的良好隔离,又提高了其复用效率。资源分配方式主要有两种:静态分配(硬切)和动态分配(软切)。在静态分配方案中,频率和时间资源以固定的方式分配给每个特定的切片,用户可以使用这些静态无线资源访问切片网络,如图1-39(a)所示。在动态分配方案中,网络切片的调度管理服务根据切片服务请求的实时到达来分配时频资源,保证切片间资源的均衡分配,如图1-39(b)所示。

图1-39 无线资源切片方式

基于虚拟化RAN切片和无线资源分配管理,无线空口保障可以通过差异化QoS优先级方式进行业务保障,以提升频谱这类稀缺资源的使用效率。无线空口资源调度可能的方式包括基于QoS的调度、RB资源预留和载波隔离。

无线切片根据业务的时延、可靠性和隔离要求,可以分为切片级QoS保障、空口动态预留、静态预留。

(1)基于QoS的调度:可以确保在资源有限的情况下,不同业务“按需定制”,为业务提供差异化服务质量的网络服务,包括业务调度权重、接纳门限、队列管理门限等,在抢占资源时,高优先级业务能够优先调度空口的资源,在资源拥塞时,高优先级业务也可能受影响。

(2)RB资源预留:允许多个切片共用同一个小区的RB资源。根据各切片的资源需求,为特定切片预留分配一定量RB资源。RB预留分为静态预留和动态共享。动态共享方式为指定切片预留的资源允许一定程度上和其他切片复用,在该切片不需要使用预留的RB资源时,该切片预留的RB资源可以部分或全部用于其他切片。静态预留方式为指定切片预留的资源在任何时刻都不能分配给其他切片用户使用,以确保任何时刻有充足资源随时可用。

(3)载波隔离:不同切片使用不同的载波小区,每个切片仅使用本小区的空口资源,切片间严格区分,以确保使用各自资源。

1.6.2.2 传输切片方案

通过对网络的传输承载资源(如节点、链路、端口和其他内部资源)进行虚拟化,可以在传输硬件设施中划分出多个逻辑虚拟传输子网,从而在物理网络层构建虚拟子网层。由切片生成的虚拟子网是对物理网络资源的抽象,支持业务场景的端到端实现,包括完整的网络资源,如虚拟控制平面和转发平面。对于控制平面,5G传输承载网利用基于SDN/NFV的虚拟化架构,通过定义传输切片控制器来统一收集底层传输资源信息,负责将逻辑切片策略映射到物理资源。在切片子网中,网络资源的分配和管理(拓扑信息、物理资源的分配协调、协议等)由切片控制器统一处理,逻辑业务不需要意识到与物理网络的连接。传输承载网切片架构如图1-40所示。

图1-40 传输承载网切片架构

根据对切片安全和可靠性的不同隔离度、时延和可靠性诉求,可将切片分为硬切片和软切片。

硬切片是基于物理管道的刚性切片技术,主要针对物理底层(光层)管道资源,代表技术有OTN(Optical Transport Network)、FlexE(Flexible Ethernet)和ODUk(Optical Data Unit of a particular level k)等。

(1)FlexE接口隔离:FlexE/MTN(Metro Transport Network)通过在MAC层和PHY层之间添加FlexEShim层,将MAC层和PHY层分离。基于时隙调度将一个物理以太网端口分成几个以太网弹性硬管道,在网络接口层面基于时隙进行业务接入,在设备层面基于以太网进行统计复用。以太网端口在时域上被分成多个独立的子信道,每个子信道具有独立的时隙和MAC,提供以太网层的端到端物理隔离。

(2)MTN交叉隔离:基于以太网64/66B码块的交叉技术,在接口及设备内部实现TDM(时分复用)时隙隔离,从而实现极低的转发时延和隔离效果。单跳设备转发时延最低5~10μs,较传统分组交换设备有较大提升。

FlexE/MTN接口隔离技术可以组合MTN交叉隔离技术或分组转发技术进行报文传输。

软切片是指基于统计复用的切片技术,主要针对二层以上传输端口带宽资源进行逻辑隔离。它采用不同的逻辑通道承载不同的5G网络切片,同时通过QoS控制策略满足不同网络切片的带宽、时延和丢包率等性能需求,如基于IP/MPLS伪线技术、VPN及VLAN技术等。VPN+QoS隔离根据切片等级划分原则进行映射,包括以下几种。

(1)VPN共享+QoS调度:组合VPN共享+QoS调度技术,转发基于IP包转发,流量参与QoS调度。

(2)VPN共享+FlexE/MTN接口隔离:组合FlexE/MTN接口+QoS调度,业务接入基于时隙隔离,转发基于IP包转发,VPN共享,流量参与QoS调度,较传统分组交换设备隔离效果有所提升,但弱于MTN通道转发。

(3)VPN隔离+FlexE/MTN接口隔离:组合FlexE/MTN接口隔离+QoS调度,业务接入基于时隙隔离,转发基于IP包转发,VPN隔离,流量参与QoS调度,较传统分组交换设备隔离效果有所提升,但弱于MTN通道转发。

(4)端到端MTN通道:组合MTN接口和MTN交叉隔离技术,业务接入基于时隙隔离,转发基于MTN交叉技术,业务为物理隔离,单跳设备转发时延最低5~10 μs,较传统分组交换设备有较大提升。

1.6.2.3 核心网切片方案

从3G时代开始,电信网的核心网开始进行控制面与用户面的分离,并从4G时代通过IMS系统真正实现了以用户为中心的网络服务体系,网络的控制面进一步围绕用户进行组织和管理,彻底将核心网改造成为“平面化”网络,从而实现网络组织和服务组织的扁平化。

核心网作为直接承接业务的网络层级,核心网切片方案主要实现5G核心网部分的资源和组网隔离与SLA(Service-Level Agreement)保障,具备可根据业务场景灵活调配并自动化部署网络功能/服务的机制。核心网络切片目标主要包括以下几点。

(1)动态管理:运营商可以动态创建和管理(如扩大/缩小、删除、修改)针对不同市场场景定制的网络切片。

(2)支持网络切片的选择:网络可以为特定的UE、设备、服务和用户选择合适的网络切片,也可以改变UE连接的网络切片。

(3)同时访问:UE可以同时访问一个或多个网络切片。

(4)隔离:隔离不同的网络切片。一个切片中的服务不会影响其他切片提供的服务。

面向核心网切片管控,可以基于网络功能虚拟化基础设施(Network Functions Virtualization Infrastructure,NFVI),通过虚拟机、容器等虚拟化技术,在通用性硬件上承载传统通信设备功能的软件处理,从而实现新业务的快速开发、部署和弹性缩扩容。

虚拟资源池可支持“共享”和“独占”两种方式,因此核心网网络切片可以根据需求划分为三种模式。

(1)完全共享模式:用户面共享同一个网络,提供“尽力而为”的服务,通常适用于公众网的普通消费者业务,对于安全隔离、QoS保障等无特殊需求。

(2)部分独占模式:结合行业实际需求,通过共享大部分网元功能和少量网元功能独占专享的方式,在安全隔离、QoS保障、成本之间做到平衡,从而能够满足大多数通用行业的网络切片分级需求。

(3)完全独占模式:在虚拟化基础设施上虚拟出一个行业专用核心网,保障行业用户的安全隔离、QoS需求。

核心网网络切片的参考架构如图1-41所示。

图1-41 核心网网络切片的参考架构

网络切片管理主要负责网络切片的管理与监控,包括切片设计、实例编排和运行管理功能。网络功能虚拟化管理和编排负责管理网络基础资源,从物理资源的虚拟化到逻辑资源的组合与连接,直至形成网络功能并将其编排成为网络切片实例。网络切片选择用于处理用户附着请求,其功能是综合业务签约和功能特性等多种因素,为用户选择合适的网络切片实例进行接入,实现用户终端与网络切片间的接入映射。特定网络切片与特定的网络应用相关,按照需求可以划分为完全共享模式的公共切片、完全独占模式的独立切片、部分独占模式的共享切片。

5G核心网在实现网络切片时,每个网络切片由S-NSSAI(Single Network Slice Selection Assistance Information)唯一标识,运营商可根据服务等级协议SLA管理每个用户有资格使用的切片类型和业务。同时,每个切片可以由AMF负责统一的用户接入与管理,并根据用户的不同对话通过SMF对UPF进行有区分的流量控制,从而实现根据每个用户的请求进行差异化处理,如图1-42所示。

图1-42 5G核心网切片

1.6.3 支持自动驾驶的网络切片

网络切片是5G网络重要的技术之一,得到了3GPP的高度重视。3GPP R15阶段正式把网络切片的相关概念、方案写入了规范。自动驾驶由于其高带宽、低时延网络的需求,因此对网络切片有强烈的应用诉求。自动驾驶对网络切片的诉求包括以下三方面。

1)大带宽Telematics服务

自动驾驶车辆需要连接云端后台,提交自动驾驶车辆运行状态、执行远程控制指令、路线规划推荐等传统Telematics服务,同时还需要进行高精度地图的基图下载,获取高精度地图的动态更新等自动驾驶特有的服务。传统的Telematics服务属于对带宽和时延要求不太敏感且对安全较为敏感的服务,与公众移动互联网服务需求一致。但自动驾驶特有的高精度地图下载、更新类服务,对带宽和时延具有一定的要求,需通过边缘计算进行内容卸载。

因此对大带宽的Telematics需求,可以通过共享网络切片实现,在无线侧使用动态共享方式保障无线数据传输带宽需求,在传输网侧使用软切片保障带宽、QoS和数据安全,在核心网使用共享切片保障端到端(车到云端)连接的可用性和服务质量。

2)低时延、高可靠的车车/车路协同服务

自动驾驶车辆需要通过C-V2X技术实现车辆之间和车辆与边缘计算平台之间的大带宽、低时延、高可靠的数据交互,以支持超视距认知、协同决策等需求。这一需求中,自动驾驶车辆和边缘计算之间需要保障带宽和低时延,且LTE Uu/NR Uu接口的资源调度体制与公众移动互联网资源调度体制不同,Uu接口需要较高的调度效率以降低调度时延,公网需要较高的资源利用率,对调度时延不敏感。

因此对车车/车路协同服务需求,在无线侧一方面提供独立载波方式(5.9GHz专用频段)保障其超低时延需求业务的质量,同时使用静态预留方式为Uu接口提供充足的资源。由于车路协同主要依赖边缘计算,且边缘计算将部署在基站临近的本地网位置,而边缘计算与云端之间并无大带宽低时延通信需求,因此在边缘计算平台与云端平台之间,只需传输网使用软切片保障数据安全,核心网使用共享切片保障边缘计算和云计算之间的服务质量即可。

3)综合大带宽、低时延的远程驾驶服务

自动驾驶车在面临困境或需要停车辅助等场景时,需要提供远程驾驶辅助服务。远程驾驶服务的核心是实时感知和反馈控制,包括车辆的驾驶数据采集,包括车端前方、左侧、右侧、全景、车内等各路视频同步回传,实时呈现给远程驾驶员,供其及时判断车况、路况等,同时将驾驶员的各种操作通过网络实时下发到车端,完成对远程车辆的控制。因此远程驾驶需要提供三方面支持:一是车辆感知数据,包括车辆状态与车载传感器采集信息的大带宽实时回传;二是路侧数据,包括环境状态数据与路侧传感器采集信息的大带宽实时回传;三是远程驾驶控制指令的高可靠实时下发。

车辆感知数据和路侧数据回传包括车载/路侧视频数据、雷达数据和车辆状态数据,为了保证远程驾驶控制仓对车辆状态和环境状态的实时认知,这类数据对带宽要求和传输时延要求较高。远程驾驶控制指令是远程驾驶的驾驶舱向车辆下达的控制指令,其带宽要求不高,但要求具有极高的可靠性和较低的时延。

因此,对远程驾驶服务需求,在无线侧通过静态预留方式为Uu接口提供充足的无线资源,在传输网使用硬切片保障终端到云端和边缘计算到云端大带宽低时延的安全数据传输,在核心网使用独立切片保障终端到云端和边缘计算到云端的会话级持续性服务质量。

围绕自动驾驶的三种不同业务需求,5G网络需要采用不同的网络切片策略,按照不同服务能力等级进行服务质量保障,如图1-43所示。其中,逻辑基站切片提供逼近与物理专网一样的独立的生命周期管理和安全隔离,可以屏蔽运营商公网业务和网络维护的影响;传输网络切片采用硬切片屏蔽运营商公网不确定性的数据和信令流量峰值对专网的冲击;核心网则使用专用切片保障端到端服务的可靠性。

图1-43 支持自动驾驶的网络切片体系