面向車路協(xié)同的端到端切片實踐

張龍，周秀杰，王秋紅

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

隨著車輛智能化的發(fā)展以及通信技術(shù)的快速演進，車聯(lián)網(wǎng)從以支持車載信息服務(wù)為主向以支持智能化和網(wǎng)聯(lián)化為基礎(chǔ)的輔助駕駛、自動駕駛和智慧交通的應(yīng)用發(fā)展。在車載信息服務(wù)階段，車輛通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)與云端服務(wù)器通信，實現(xiàn)娛樂、車載導(dǎo)航等應(yīng)用；在輔助駕駛階段，車輛通過與周圍的車輛、路側(cè)交通基礎(chǔ)設(shè)施、人、云端服務(wù)通信，獲得周圍車輛的狀態(tài)、路側(cè)的交通信號燈、交通標志等信息，輔助提升車輛的安全行駛能力；在自動駕駛和智慧交通階段，將實現(xiàn)車、路、人、云的全方位連接，在進行智能感知信息的共享與交換同時共享部分決策信息，具備復(fù)雜環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等功能，從而實現(xiàn)最終的全天候無人駕駛和高度協(xié)同的智慧交通[1]。

基于車路協(xié)同的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場景非常豐富，其對網(wǎng)絡(luò)性能要求各異。通過5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可提供為特定網(wǎng)絡(luò)能力和網(wǎng)絡(luò)特性組建邏輯網(wǎng)絡(luò)的能力，可以為不同業(yè)務(wù)場景的車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供端到端的大帶寬、低時延、高可靠的靈活定制化服務(wù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速上線和更極致的用戶體驗[2]。本文將介紹在此背景下，中國電信在現(xiàn)網(wǎng)部署端到端網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)及進行功能和性能測試的實踐經(jīng)驗及測試結(jié)論。

1 車路協(xié)同與切片技術(shù)

1.1 5G網(wǎng)絡(luò)切片的原理

網(wǎng)絡(luò)切片是一組帶有特定無線配置、傳輸配置和核心網(wǎng)配置的網(wǎng)絡(luò)功能的集合，運營商可以在同一套物理設(shè)備上提供多個端到端的虛擬網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)功能可以靈活部署在網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點、邊緣節(jié)點、傳輸節(jié)點或者核心節(jié)點，以便適配運營商期望的任何商業(yè)模式。一個網(wǎng)絡(luò)切片，擁有獨立的拓撲、虛擬網(wǎng)絡(luò)資源、流量和配置規(guī)則。多個網(wǎng)絡(luò)切片可以滿足未來5G 網(wǎng)絡(luò)中不同用戶的特定傳輸需求。

為了識別端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，每個網(wǎng)絡(luò)切片由S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information，單個網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息）進行唯一標識，而一個S-NSSAI 由SST（Slice/Serive Type，切片/ 服務(wù)類型）和SD（Slice Differentiator，切片分離）所組成[3]。切片管理系統(tǒng)可以根據(jù)企業(yè)客戶對網(wǎng)絡(luò)帶寬、時延及可靠性等性能的需求，為企業(yè)終端用戶分配特定S-NSSAI，指定5QI（5G QoS Indicator，5G QoS 標識符）優(yōu)先級、DNN（Data Network Name，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱）、速率等參數(shù)，下發(fā)對應(yīng)配置到相關(guān)網(wǎng)元，進而通過端到端網(wǎng)絡(luò)切片為用戶提供靈活高效的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

1.2 切片技術(shù)對車路協(xié)同的必要性

表1 列出了幾種典型業(yè)務(wù)場景的網(wǎng)絡(luò)需求：

表1 典型業(yè)務(wù)場景的網(wǎng)絡(luò)需求

由表1 可見，不同業(yè)務(wù)類型對網(wǎng)絡(luò)時延、可靠性、帶寬等性能參數(shù)要求不一，而可靠性的提升往往會損耗網(wǎng)絡(luò)帶寬。以單一參數(shù)配置所有類型的網(wǎng)絡(luò)流量無疑是對網(wǎng)絡(luò)能力的巨大浪費，而使用切片技術(shù)可以很好地隔離不同種類的流量，如通過5QI 優(yōu)先級保障、RB（Resource Block，資源塊）資源預(yù)留等技術(shù)保障重要業(yè)務(wù)的時延及可靠性，可以實現(xiàn)在同一無線網(wǎng)絡(luò)承載不同種類的業(yè)務(wù)，在滿足重要業(yè)務(wù)低時延、高可靠性的同時，最大程度地使用空口資源。

1.3 端到端網(wǎng)絡(luò)切片的實現(xiàn)方案

端到端網(wǎng)絡(luò)切片包含無線網(wǎng)切片、傳輸網(wǎng)切片和核心網(wǎng)切片三部分[4]。

無線網(wǎng)切片當前支持兩種實現(xiàn)方式，分別為基于5QI的調(diào)度和RB 資源預(yù)留。其中，基于5QI 的調(diào)度可以確保在資源有限的情況下，不同業(yè)務(wù)“按需定制”，為業(yè)務(wù)提供差異化服務(wù)質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在資源搶占時，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)能夠優(yōu)先調(diào)度空口的資源，在資源擁塞時，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)也可能受影響；RB 資源預(yù)留則根據(jù)各切片的資源需求，為特定切片預(yù)留分配一定量RB 資源，確保特定切片用戶在網(wǎng)絡(luò)擁塞時也可以調(diào)度所需資源。

傳輸網(wǎng)切片在轉(zhuǎn)發(fā)面一般有FlexE/MTN（Flexible Ethernet，靈活以太網(wǎng)技術(shù)/Metro Transport Network，城域傳送網(wǎng)）接口隔離、MTN 交叉隔離和VPN+QoS（Virtual Private Network，虛擬專用網(wǎng)/Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）隔離等技術(shù)。其中，F(xiàn)lexE/MTN 接口隔離技術(shù)可以組合MTN 交叉隔離技術(shù)或分組轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)進行報文傳輸，每個FlexE/MTN 接口的QoS 調(diào)度是隔離的；MTN 交叉隔離基于以太網(wǎng)64/66B 碼塊的交叉技術(shù)，在接口及設(shè)備內(nèi)部實現(xiàn)TDM（Time Division Multiplex，時分多路復(fù)用）時隙隔離，從而實現(xiàn)極低的轉(zhuǎn)發(fā)時延和隔離效果；VPN+QoS隔離可以實現(xiàn)多種業(yè)務(wù)在一個物理基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上相互隔離。

核心網(wǎng)切片在網(wǎng)元功能層則分為完全共享模式、部分獨占模式和完全獨占模式。其中，部分獨占模式通過共享大部分網(wǎng)元功能+少量網(wǎng)元功能獨占專享的方式，在安全隔離性需求和成本之間做到最佳平衡，從而能夠滿足大多數(shù)通用行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)切片分級需求。

本次測試中，5G 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)如圖1 所示：

圖1 車聯(lián)網(wǎng)5G切片總體方案

其中無線網(wǎng)分別測試了基于5QI 的調(diào)度和RB 資源預(yù)留；承載段使用VPN 軟切片+QoS 隔離的方案承載不同切片流量；核心網(wǎng)則在用戶面使用ToB（To Business，面向組織）用戶專用UPF（User Plane Function,用戶面功能），信令面與普通業(yè)務(wù)類切片用戶共享AMF/SMF/UDM（Access and Mobility Management Function，接入和移動性管理功能/Session Management function，會話管理功能/The Unified Data Management，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能）等網(wǎng)元。

測試中，使用了Spark 及Probe 測試軟件對測試終端進行操作，發(fā)送或接收不同大小的數(shù)據(jù)包模擬自動駕駛車輛的業(yè)務(wù)流量，進行大速率Ping 以測試不同信號強度、靜止或移動狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)的可靠性及時延。

為模擬真實環(huán)境中普通用戶流量對車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的影響，測試時使用了普通業(yè)務(wù)類切片用戶大速率灌包及基站加載模擬負責等手段；為模擬真實車輛的移動，測試終端放置在車輛中，使用車載電源及逆變器供電，最大程度模擬真實自動駕駛車輛的工作狀況。

2 測試結(jié)果分析

本次測試中共使用了3 類切片，分別為駕駛類切片、信息服務(wù)類切片和普通業(yè)務(wù)類切片，使用DNN 區(qū)分不同切片。三類切片分別對應(yīng)駕駛類應(yīng)用、信息服務(wù)類應(yīng)用和與自動駕駛無關(guān)的其它應(yīng)用。在深入理解車企業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)性能的需求后，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能參數(shù)及在網(wǎng)運行狀態(tài)，為三類切片定制了各自的5QI、ARP（Allocation and Retention Priority，分配和保留優(yōu)先權(quán)）、S-NSSAI 參數(shù)，基于業(yè)務(wù)需求確定了無線側(cè)RB 資源預(yù)留比例、空口MAC/RLC（Radio Link Control，無線鏈路控制）/PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)集中協(xié)議）參數(shù)組，確定了傳輸網(wǎng)切片隔離方案和核心網(wǎng)網(wǎng)元共享模式等，為業(yè)務(wù)測試提供了定制化的端到端切片網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

其中，駕駛類切片應(yīng)用于遠程駕駛（接管）、遠程控制車輛（如云端調(diào)度、遠程語音控制）等業(yè)務(wù)，要求高可靠性、低時延，因此分配了最高優(yōu)先級的5QI。RB資源預(yù)留也會在駕駛類切片進行配置和測試。

信息輔助類切片應(yīng)用于通過推送車輛生成的半結(jié)構(gòu)化語義數(shù)據(jù)、實時地圖數(shù)據(jù)和部分原始數(shù)據(jù)，需要大帶寬、低時延，但可靠性要求比駕駛類業(yè)務(wù)稍低，因此分配了低于駕駛類切片、與普通業(yè)務(wù)類切片相同的優(yōu)先級，但資源分配比例比普通業(yè)務(wù)類切片更高，當資源受限時，可以達到比普通業(yè)務(wù)更高的速率。

普通業(yè)務(wù)類切片則用于承載車內(nèi)視頻/ 點云信息上傳、娛樂信息下載等業(yè)務(wù)，對時延和可靠性要求較低，因此繼承了現(xiàn)網(wǎng)普通ToC 用戶的配置。

下文分別從3 個方面來給出數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

2.1 靜態(tài)及動態(tài)測試

圖2 展示了使用不同大小的數(shù)據(jù)包進行大量Ping 測試的結(jié)果。對比駕駛類切片與普通業(yè)務(wù)類切片用戶切片，駕駛類切片用戶終端由于優(yōu)先級更高，空口側(cè)基站會進行更積極的調(diào)度，傳輸側(cè)及核心網(wǎng)用戶面會以更高優(yōu)先級發(fā)送其業(yè)務(wù)報文，所以Ping 包延遲有明顯降低，可靠性明顯提升。

圖2 駕駛類切片與普通業(yè)務(wù)類切片Ping時延對照

其中，實線和虛線數(shù)據(jù)分別為駕駛類切片和普通業(yè)務(wù)類切片不同大小Ping 包的時延數(shù)據(jù)；CDF_99%（Cumulative Distribution Function，累計分布函數(shù)）定義為可靠性達到99%的數(shù)據(jù)包最大時延，其它幾項以此類推。

2.2 測試基于5QI和RB資源預(yù)留的性能保障

在近中遠點，分別使用駕駛類切片、信息服務(wù)類切片和普通業(yè)務(wù)切片同時做灌包測試，以測試不同類型切片在基于5QI 或RB 資源預(yù)留的帶寬保障下，誤碼率及速率的變化趨勢。其中駕駛類切片RB 保障配置為10%。測試結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 基于RB資源預(yù)留的帶寬保障下三種切片在近中遠點的誤碼率變化

圖4 基于5QI的帶寬保障下三種切片在近中遠點的平均速率變化

由圖3 測試結(jié)果可見，駕駛類切片用戶由于配置了更高的優(yōu)先級和高可靠性特性，在近中遠點誤碼率均比信息服務(wù)類及普通業(yè)務(wù)類切片用戶更優(yōu)。由圖4 可見，駕駛類切片用戶在信號較差的中點和遠點，仍能保持較好的網(wǎng)絡(luò)性能。基于5QI 和基于RB 資源預(yù)留的帶寬保障均可以在用戶信號較差時，對重要業(yè)務(wù)保障一定的通信速率。

2.3 不同切片類型用戶灌包測試

為測試不同切片類型用戶之間的影響，進行了三項測試：

（1）使用駕駛類和信息服務(wù)類切片用戶進行大速率灌包測試，之后加入普通業(yè)務(wù)類切片用戶大速率灌包。

（2）使用信息服務(wù)類切片用戶進行大速率灌包測試，之后加入駕駛類用戶大速率灌包。

（3）兩個駕駛類切片用戶大速率灌包。

測試結(jié)果為：

（1）由于駕駛類切片配置了最高的優(yōu)先級和有限保障帶寬，而信息服務(wù)類切片與普通業(yè)務(wù)類切片優(yōu)先級相同、資源按比例分配，所以普通業(yè)務(wù)類切片用戶的業(yè)務(wù)會影響信息服務(wù)類切片的業(yè)務(wù)，但是不影響駕駛類切片業(yè)務(wù)。

（2）駕駛類切片用戶的業(yè)務(wù)由于配置了更高的優(yōu)先級，所以在資源受限時會搶占信息服務(wù)類切片的資源。

（3）駕駛類切片內(nèi)不同用戶由于優(yōu)先級相同，所以會公平搶占切片內(nèi)帶寬。表現(xiàn)為兩個同樣簽約了駕駛類切片的用戶，在空口指標（接入頻段、頻譜寬度、信號強度等）一致的情況下，會公平競爭，平均分配可用資源。

3 結(jié)束語

本次測試從車企實際業(yè)務(wù)需求出發(fā)，制定了相應(yīng)的測試規(guī)范，并在現(xiàn)網(wǎng)進行了端到端切片網(wǎng)絡(luò)部署和測試，探索出了切片技術(shù)在車路協(xié)同場景下的部署流程和測試方法，對端到端切片用戶的網(wǎng)絡(luò)性能提升進行了摸底，對下一步制定更精準的切片參數(shù)打下了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；切片管理系統(tǒng)的應(yīng)用也給切片的規(guī)模商用提供了極大便利。隨著車聯(lián)網(wǎng)商用進程不斷推進，5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋率提升，切片相關(guān)標準定型以及終端切片能力的不斷提升，相信切片技術(shù)會成為車聯(lián)網(wǎng)必不可缺的關(guān)鍵技術(shù)，為車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵應(yīng)用提供低時延高可靠性的網(wǎng)絡(luò)，為早日實現(xiàn)更高級別的自動駕駛保駕護航。