5G確定性網絡為提升業務體驗和優化成本打造專業性“聯接”

5G時代eMBB業務和toB業務對安全隔離、時延、抖動、丟包等指標提出了嚴苛的要求。5G網絡需提供確定性聯接能力,具體表現在以下4個方麵。

一是安全隔離確定性。通過切片技術對網絡資源進行物理隔離或邏輯隔離,並通過對接入用戶的鑒權授權、數據存儲和傳輸安全的可靠性保障等措施實現安全隔離。

二是時延和抖動確定性。5G時代業務除了對時延的要求,對抖動也提出了嚴苛要求。例如,電力行業差動保護業務要求端到端時延小於15ms,抖動小於0.5業務周期,業務周期則是800us。

三是帶寬/速率確定性。相比點播視頻業務對下行帶寬的要求,直播、遠程監控、工業視覺等業務對5G網絡上行帶寬提出了更高的要求。四是丟包率確定性。對於CloudVR、觸覺互聯網等對時延較為敏感的實時多媒體業務和智能製造等toB業務,重傳機製無法滿足其對時延的要求。因此,保障E2E丟包率也是5G確定性網絡主要特征。

本文主要探討目前業界認知較為薄弱的網絡時延和抖動確定性問題,為5G時代網絡建設和運營提供參考和幫助。

單設備超低時延下的資源消耗理論

筆者希望幫助讀者直觀理解,進入超低時延和抖動模式某門限之後,為保障時延SLA或抖動SLA,相對於異步統計複用模式,實時時延保證係統吞吐能力會大幅下降。

理論仿真結果顯示,低時延SLA導致係統可承載吞吐量下降,等效單位流量資源消耗增加。當數據包的到達時延間隔分布為泊鬆分布時,高/中/低三檔不同的時延SLA在不同的違約率水平下,轉發低時延數據包與轉發普通背景數據包的資源開銷換算關係,如圖1所示。

 

圖1低時延數據包與一般數據包的處理開銷對比

仿真結果顯示,設備能承載的吞吐量隨著時延SLA的降低而降低,時延小於某門限之後,進入超低時延區域。1‰的違約率下,係統吞吐量下降為滿載的1/10,轉發一個低時延數據包的開銷相當於普通MBB數據包的10倍,若違約率設置為0.1‰,差距還將進一步擴大。

在真實網絡情況中,輸入話務模型較泊鬆分布複雜。在設備實現層麵,真實係統處理較理論上的排隊調度模型複雜。性能表現已經極大地依賴Cache、多核互聯、總線、任務部署和調度等要素,這些實現要素會帶來數據包處理耗時的不均勻性,從而引入額外的時延抖動。如果追求時延的可控性,需要在這些要素上進行設計調整。

在實際的網絡係統中,通常低時延業務流的占比較低,即低時延數據包的到達間隔較為稀疏。在一定條件下,在係統中注入一定比例的背景類普通數據流,可以提升係統承載的有效吞吐量,從而降低綜合成本。

5G確定性網絡框架和綜合技術方案

3GPP定義了5G網絡與TSN網絡無縫集成的網絡架構,采用“黑盒方案”將端到端5G網絡作為交換機與TSN網絡集成,可支持802.1AS時鍾同步、802.1Qbv調度等基本的TSN特性。配合空口物理層增強特性使能5G網絡,為時延/抖動要求的toB業務提供確定性聯接能力,如圖2所示。

 

圖2 5G網絡與TSN網絡集成架構

為滿足端到端的時延與抖動,傳統TSN係統定義了多交換機之間基於時鍾同步的調度機製。通過該機製,傳輸路徑上的交換機調度節拍一致,使不同類型的業務流在交換機出端口上的調度時隙隔離,避免衝突。該方案需要對5G網絡進行全局改造,因此並不適用於5G網絡。

5G網絡支持TSN架構采用同步和異步相結合的調度方式支持確定性。同步調度是指5GS作為邏輯交換機與TSN係統的節點配合對業務數據流進行基於時隙的調度。異步調度是指在5G係統內采用異步的調度方式,即保障業務最大時延小於PDB即可。在5G係統內,5GC將eMBB業務和大規模部署的toB業務的5G係統內時延分解為空口時延和N3接口傳輸時延兩部分。空口時延由空口低時延技術保障,而N3接口的傳輸時延可采用FlexE等異步統計複用技術保障。

這種調度機製能在TSN係統不改動的前提下,實現5G係統與TSN係統對接,同時還對5G係統的影響不大。考慮到該方案也需要端到端的時鍾同步機製,因此該調度機製很難應用於大規模部署的網絡。由於在UPF側和UE側對數據流按照時隙調度,因此帶寬資源利用率低,對於非周期性業務流采用該方案會造成比較大的帶寬資源浪費,所以該方案與周期性業務流更匹配。

值得注意的是,為了能達到確定性SLA需求,不能僅僅依賴多設備之間的協同調度,還對整個網絡的部署和規劃提出更高的要求。例如,在工廠車間的環境中,大量的金屬部件會對5GNR的無線信道產生遮擋和反射等幹擾,因此針對終端的部署位置和移動屬性進行無線站點覆蓋優化是非常有必要的。與此同時,5G網絡的實時運行狀態監測也是5G使能確定性網絡的一項關鍵能力。

3GPPQoSMonitoring方案提供了端到端時延監測能力和告警能力,當5G網絡質量不滿足業務SLA需求時,5G網絡可快速監測並向應用提供告警,應用可快速進行措施響應,避免產生重大經濟和人身損失。

綜上所述,5G網絡提供確定性的傳輸能力不僅依賴於協同調度能力,還依賴於無線網絡覆蓋的規劃,實現多維目標優化,達成確定性SLA保障。

5G的專業性為行業提供確定性聯接具備獨到優勢

首先,在無線側頻譜幹擾管理複雜度極高。在企業園區中存在公網和專網的混合覆蓋,因此公網和專網的頻譜協調管理是無法回避的問題。由於運營商部署了公網網絡,因此虛擬專網模式選擇運營商作為網絡建設、規劃、優化的主體,可由運營商解決公網和專網的覆蓋衝突問題,避免行業直麵這些問題。

其次,無線通信產業鏈培育成本極高。比如5G芯片的研發耗資巨大,需要規模市場來驅動終端產品價格下降,零散的單一行業不具備足夠的市場體量,虛擬專網模式讓行業可以借助運營商網絡規模市場的成本優勢,以更低成本獲得5G服務;另外,行業/企業的應用對無線網絡的KPI要求差異極大,虛擬專網基於運營商公網,通過網絡切片等關鍵技術為行業快速提供5G網絡服務,從而有效降低建網成本。

再次,運營商具備大規模電信級網絡安全運營經驗。可以根據行業需要提供定製化的安全加固,為行業提供電信級安全保障服務。

綜上,從建網專業性、成本優勢和安全保障等角度看,5G行業虛擬專網是5G為行業提供確定性聯接的最佳方式。

 

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