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车联网中5G网络切片技术的运用路径

时间:2021-01-11作者:蒋树国 王小臣 王成
本文导读:这是一篇关于车联网中5G网络切片技术的运用路径的文章,网络切片技术作为5G的关键技术之一,其主要功能为统筹协调5G端到端的网络基础资源,为各种不同的业务或用户群提供类似于端到端的专用网服务。

  摘    要: 介绍5G网络切片技术的发展,以及5G网络切片典型业务的分类。根据车联网实际业务需求,将车联网数据业务对应于5G网络切片业务,并提出车联网业务在5G网络切片的系统架构,为车联网(V2X)业务的实现提供技术理论支持。

  主题词: 5G; 网络切片; 车联网; 网络架构;

  Abstract: This paper introduces the development of 5G network slicing technologies and the classification of typical 5G network slicing services. According to the application scenarios of the V2X, the service of the V2X corresponds to the 5G network slice typical service, and the system architecture of the V2X in 5G network slice is presented, providing technical and theoretical support for the realization of the V2X business.

  Keyword: 5G; Network slicing; V2X; Network architecture;

  0、前言

  随着我国智能网联汽车发展规划的提出,车联网(V2X)技术得到国家的大力支持,各车企也大规模地推广车联网技术。车联网技术的推广和应用与移动通信系统平台的技术相辅相成,怎样利用5G网络切片技术来为车联网提供更好的服务,是目前各个行业关注的焦点。

  1、 5G网络切片技术的背景

  针对目前迅猛增长的数据通信领域的业务需求,在不同的应用场景有对网络功能、系统性能、安全性、用户体验、服务质量(Qo S)、时延等不同的要求。假如利用同一网络基础传输平台提供服务,网络控制系统势必变得非常复杂和难以控制,而且还会造成高额的网络维护费用和复杂的控制流程,从而加大网络的稳定性和维护的难度。同样,如果对不同的服务需求(或者业务需求)提供专有网络,虽然可以保障业务的可靠性、安全性,但是绝大多数的业务方不能承受建设专用网络的费用及维护费用[1]。由于这种情况普遍存在,国际电信联盟(ITU)在2014年10月提出了“IMT-2020 (即5G工作时间表,主要研究5G关键需求和解决方案)”[2],提出了要将网络切片技术作为实现5G技术的关键需求。

  网络切片技术作为5G的关键技术之一,其主要功能为统筹协调5G端到端的网络基础资源,为各种不同的业务或用户群提供类似于端到端的专用网服务。端到端的服务不仅要规划和设计相关核心网、无线网、接入网、传输网、管理网络这些实际的物理网络单元和节点,还要明确按需定制的业务、功能、带宽、容量、Qo S与连接关系,同时还包括了安全隔离、资源隔离、业务生命周期管理和操作维护隔离[3]。
 

车联网中5G网络切片技术的运用路径
 

  3GPP最早在R14阶段由独立组网SA1的TR22.864[4]报告中提出了网络切片的需求,随后SA2在TR 23.799[5]报告中对网络切片方案进行了初步研究,在R15阶段SA2正式把切片的相关概念、方案写入了TS 23.501[6]中,SA5定义网络切片管理和编排的解决方案。在无线接入网RAN1和RAN2中定义无线接入网对网络切片的支持规范[7]。这些标准最终被写入了我国目前运营商采购设备所普遍采用的技术规范中。

  2 、5G网络切片典型业务的分类

  为了满足目前各行业不同的业务需求,ITU将5G时代的业务归纳成3种典型的业务类型:移动超宽带业务e MBB、超高可靠性低时延业务URLLC和大规模物联网m MTC。

  e MBB切片主要适用于用户密集的热点区域,特点是不需要特别的Qo S保障,但需要尽可能大的带宽来实现极致的流量吞吐,并能够尽可能降低时延[8]。该类型针对的是大流量移动宽带业务,如AR/VR、4K/8K超高清视频等业务。

  m MTC切片主要应用于海量设备连接,传输的数据量是间断性的,用于对时延不敏感的业务,特点是需要较高的数据处理能力及较低的阻塞率[9]。该类型针对的是大规模物联网业务,如自动抄表系统、物流跟踪、智能停车等业务。

  URLLC切片应用于对吞吐量和时延有比较严苛的要求的场景,特点是需严格的Qo S保障,保证低传输时延要求。该类型针对的是数据需要及时反馈,并且需要连续不断地进行双向数据保持畅通的业务,如远程医疗及交通安全等业务。

  3 、车联网典型业务的分类

  车联网技术是基于移动通信网络,配合车载终端、路侧单元及智能交通设施,组成1个广域互联互通的网络。车联网实现了信息在车车、车路、车人及车与互联网之间的传输,进而提供车辆和云端数据的交互操作,为提升车辆超视距及交通参与者的感知能力提供了新的科学技术手段[10]。由于车联网的参与方不仅仅包含了车辆、道路、行人、智能设施及各种路侧设备,还包括了高精度地图和各种私人App应用以及行业管理App应用等各种管理应用程序。所以在进行有关车联网的5G网络切片的构架时,首先需要定义相关车联网的业务类型。

  根据中国汽车工程学会T/CSAE 53—2017《合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用层数据交互标准》附录B的车联网业务分类说明,针对相关业务对通信频率和时延的不同需求,将17个1期应用分为2大类,一类是高时延(>100 ms)、低频率(<10 Hz)的应用;另一类是低时延(≤100 ms)、高频率(≥10 Hz),其详细分类如表1所示[11]。

  表1 典型业务分类[11]
表1 典型业务分类[11]

  其中低时延业务(要求迅速并及时反馈)主要是和车辆自动驾驶及交通安全相关的业务,其数据的交互量和计算量大,是保障交通安全非常重要的计算依据,这类低时延业务参考URLLC业务Qo S来进行切片的定义和管理。

  其中高时延业务(要求准确反馈,对实时性要求不高)主要是和车辆驾驶辅助及可能影响交通安全相关的业务,数据的交互量和计算量不大,起到车辆运行轨迹和未来的趋势进行决策辅助的功能,这类业务参考m MTC业务Qo S来进行切片的定义和管理。

  针对车辆管理和应用的各种App软件的切片管理,由于该类业务对数据带宽要求不高,对时延要求不敏感,因此可采用m MTC业务Qo S来进行切片的定义和管理。

  在车联网相关自动驾驶的环节中,高精度地图是一个非常重要且不可或缺的因素。当自动驾驶车辆调用高精度地图时,是提前对所处环境进行精准预判并生成行驶策略。在享受高精度地图带来的优势的同时,还需要面对高精度地图频繁更新所带来的困扰[12]。在5G网络覆盖的地区,建议将本地的高精度地图下载到对应的移动边缘计算的EMC服务器中,结合采用e MBB业务Qo S来进行切片的定义和管理。这样就可以保障自动驾驶车辆在5G覆盖区域内,能及时地更新当地最新的高精度地图,同时也节约了大量的传输网络带宽。

  4 、车联网5G网络切片架构分析

  车联网作为一个跨行业、多场景、多业务模式的综合数据业务的复合型的应用技术,相比于以前单一垂直行业的业务技术要求存在很多的不同。尤其是对其在应用场景、数据通信性能及复杂计算的快速反馈方面的要求,采用单一业务模型的分类来为车联网提供数据服务的网络切片架构明显不能够满足车联网的业务要求。

  根据以上车联网典型业务分类的分析得出:车联网业务需要5G网络并提供3类的网络切片,这种复杂的切片网络架构如图1所示。

  通过对车联网业务的精准分析,能够详细地分解各种业务所需求的时延、带宽及访问频率关键的网络切片所依据的系统参数,并结合本地5G网络其他应用的负荷程度,来针对5G网络资源的统筹进行切片管理是运营商将5G网络资源最大化的最优解。

  图1 车联网业务5G网络切片网络架构
图1 车联网业务5G网络切片网络架构

  每个地区的5G业务的负载情况也是随着数据业务的普及程度而发生变化,在车联网的初级阶段,由于车联网的参与者不多,5G网络完全可以满足用户需求,但是随着车联网的不断普及,运营商需要不断地完善和优化5G网络资源来不断地满足车联网用户的需求。

  5 、我国运营商网络切片情况

  根据我国3大运营商在今年3月末公布的2020年有关5G网络招标公告的信息[13],3大运营商本年度的采购及建设内容均包含有建设5G SA商用网络和移动网络边缘计算的计划(表2)。因此在本年度,从我国基础网络的业务提供能力来看,3个运营商均有提供5G网络切片和移动边缘计算的能力。

  6 、问题与挑战

  目前我国有关自动驾驶、高精度地图的实际应用还非常的少。没有办法根据采集实际交通的大数据来对5G网络覆盖下的新的车联网业务进行分类总结。同时,目前我国车联网技术存在跨行业、跨部门协调及监管等各种问题。针对巨大的车联网数据的监管、安全等重要因素,各个管理部门的侧重点和权限也存在一定的冲突,所以在5G车联网大规模的落地前,需要通过法律、法规明确标准及数据安全等方面内容,才能针对5G车联网进行详细的规划。

  表2 3大运营商核心网部署方式
表2 3大运营商核心网部署方式

  在通信技术领域,支持LTE-V2X的3GPP R14版本标准已于2017年正式发布;支持LTE-V2X增强(LTE-e V2X)的3GPP R15版本标准于2018年6月正式发布。工业和信息化部也在2018年11月18日印发了《车联网(智能网联汽车)直连通信使用5905-5925MHz频段管理规定(暂行)》的通知[14],批准了车联网的D2D通信无线资源。但是从实际执行的情况来看,LTE-V2X仅仅在国内的一些示范区域展开了部分有关自动驾驶的测试工作,并没有商业化的自动驾驶项目成熟落地。

  5G标准R16 Stage 3原本定于在2020年3月份发布,受到疫情影响,延迟到3GPP TSG#88全体远程会议(2020年6月份)上批准R16相关的所有标准。其中涉及到有关网络切片技术的相关内容如下标准:

  (1)3GPP TS 23.501:5G系统的系统架构

  (2)3GPP TS 23.502:5G系统流程

  (3)TS22.261 5G系统的服务要求

  (4)TR22.830网络切片角色模型的研究

  由于标准中有关车联网和网络切片技术的最新的内容,到实际网络设备供货商及运营商的业务提供,需要长时间的供应链和业务的完善,预计至少需要1年的时间来完成。

  根据3大运营商的5G业务部署的计划来看,在今明两年中还没有明确的提出有关支持自动驾驶和高精度地图业务的计划。

  7 、结束语

  基于5G网络切片技术和移动边缘计算技术的快速成熟和落地,5G网络技术可以为基于自动驾驶的高等级车联网业务提供数据的传输和计算平台,为高等级的自动驾驶业务提供网络基础和更为安全高效的解决方案。

  针对自动驾驶所提出的详细的业务性能需求,运营商能够考虑5G网络的运营负载效率,并利用网络切片技术和移动边缘计算技术为车联网提供安全、可靠的通信平台。

  参考文献

  [1] 杨德龙,孟萨出拉,丁慧霞,等.5G网络切片技术能源互联网应用分析[J].无线通信,2018,8(6):252-257.
  [2] ITU-RM.IMT-Vision-Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Beyond:ITU-R M.2083-2015[S].ITU,2015.
  [3] 魏垚,谢沛荣.网络切片标准分析与发展现状[J].移动通信,2019,43(04):29-34.
  [4] 3GPP.Feasibility Study on New Services and Markets Technology Enablers-Network Operation:TSG SA1 TR 22.864[S].3GPP,2016.
  [5] 3GPP.Study on Architecture for Next Generation System:TSG SA2 TR 23.799[S].3GPP,2016.
  [6] 3GPP.System Architecture for the 5G System:TSG SA2 TS23.501[S].3GPP,2018.
  [7] 3GPP Study on Architecture for Next Generation System:TR23.799[S].3GPP,2016.
  [8] Oriol,S,Jordi,R,Ramon,F,et al.On Radio Access Network Slicing from a Radio Resource Management Perspective[J].IEEE Wireless Communications,2017(99):2-10.
  [9] Zhou,X,Li,R,Chen,T,et al.Network Slicing as a Service:Enabling Enterprises’Own Software-Defined Cellular Networks[J].IEEE Communications Magazine,2016(54):146-153.
  [10] 王小臣,蒋树国,王成.车联网中移动边缘计算的网络架构[J].客车技术与研究,2020,42(02):9-11+22.
  [11] 中国汽车工程学会.合作式智能运输系统车用通信系统应用层及应用层数据交互标准:T/CSAE 53-2017,T/ITS 0058-2017[S].北京:中国汽车工程学会,2017.
  [12] 中国联通网络技术研究院.中国联通5G网络切片白皮书[R/OL].(2017-02-28)[2020-10-28].chrome-extension://ibllepbpahcoppkjjllbabhnigcbffpi/http://h-s.www-file.huawei.com.forest.naihes.cn/-/media/corporate/pdf/white%20paper/5g-service-guaranteed-network-slicing-whitepaper.pdf?la=zh.
  [13] C114通信网.三大运营商5G资本开支1803亿大手笔盘活产业链[EB/OL].(2020-03-25)[2020-10-28].http://www.c114.com.cn.forest.naihes.cn/news/16/a1120143.html.
  [14] 工业和信息化部.印发《车联网(智能网联汽车)直连通信使用5905-5925 MHz频段管理规定(暂行)》的通知[EB/OL].(2018-11-13)[2020-10-28].http://www.miit.gov.cn.forest.naihes.cn/n1146295/n1652858/n1652930/n4509650/c6482536/content.html.

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