面向车路协同5G 网络端到端切片技术方案研究

李艳芬，王秋红，袁雪琪

(中国电信股份有限公司研究院，北京 102209)

0 引言

由于交通环境的复杂性，单车智能无人驾驶存在各类传感器的可靠性，以及对突发事件响应能力不足的问题，导致无人驾驶需求难以满足[1]。因此，车路协同成为通往自动驾驶和未来城市智慧交通的必由之路。车路协同系统包括聪明的车、智慧的路、强大的网和智慧的云4 个关键因素。其中，C-V2X 与5G 融合网络构建车路协同强大的网，是车-路-网-云各个要素有效融合和优势互补的桥梁[2]。5G 网络切片是5G 网络关键技术之一，也是为行业用户提供定制化网络的主要方法[2]。面向智能车路协同的车联网业务场景非常丰富，其对网络性能要求各异[3]，通过5G 网络切片可提供特定网络能力，可以为不同业务场景的车联网业务提供端到端的大带宽、低时延、高可靠的灵活定制化服务，实现业务的快速上线和更极致的用户体验[4]。

为了实现5G 网络切片对车联网应用的定制化服务[5]，本文研究从以下几个切入点展开。

(1)车路协同业务需求分析

不同车路协同业务对网络需求不同，通过将车路协同业务进行分类，研究不同业务对网络带宽、时延等特殊化需求。

(2)车路协同端到端网络切片技术方案

网络切片是贯穿无线网、承载网、核心网端到端网络。本文将通过各个网络切片技术研究，实现对车联网业务端到端的服务保障。

1 车路协同业务需求分析

围绕当前行业中车路协同应用场景，以及各场景对网络指标的需求，可将车路协同业务场景分为远程遥控类、信息服务类、效率类、安全类4 类[6]。

1.1 远程遥控类场景特性及通信需求

典型的远程遥控类场景包括远程遥控自主泊车、矿山遥控作业、物流园遥控作业、港口远程遥控作业等。该类业务对实时性、可靠性要求非常高，对数据传输延时与丢失有严格要求，要求通信信道具备较高的安全防护等级。

1.2 信息服务类场景特性及通信需求

典型信息服务类场景包括车载娱乐信息下载、场站路径引导服务和高精地图动态更新等。该类业务场景通常都属于连续性有大带宽需求的场景，需满足高速移动性需求，部分场景对时延和计算要求较高。

1.3 效率类场景特性及通信需求

该类业务场景又可以细分为两小类场景，一类为车辆编队类场景，对时延要求比较低，可靠性高，消息发送频率比较高，业务连续性需求较低；另一类场景为动态车道管理以及汽车近场支付等，该类场景则对时延和可靠性要求较低一些，对连接数要求要高一些。

1.4 安全类场景特性及通信需求

典型场景有协作式车辆汇入和协作式交叉路口通行等。该类业务场景通常通信范围较小，可靠性高，业务连续性需求低，平台需求普遍较低，除部分感知需求的场景外，其他场景计算和存储能力需求都不高。

1.5 典型场景特性及通信需求

下面针对上述4 类场景中的典型场景进行通信性能需求[7]的介绍，如表1 所示。

表1 典型场景通信需求

2 车路协同端到端网络切片技术研究

智能车路协同应用场景对应于3GPP 定义的4 种类型，即eMBB(enhanced Mobile Broadband)、URLLC(ultra-Reliable and Low Latency Communications)、mMTC(massive Machine Type Communications)和V2X(Vehicle to Everything)[8]。对于远程遥控类场景、信息服务类场景、效率类场景、安全类场景业务，由于每个业务传输的数据包括控制指令、状态量、图片、视频等，相应的对网络的带宽、时延、可靠性、移动性、覆盖范围和用户数等都有不同的要求。

为了满足这些需求，需要通过5G 网络切片技术实现。5G 网络切片是将5G 物理网络切分为多个逻辑网络以实现一网多用，从而构建多个专用、虚拟、隔离、按需定制的逻辑网络，满足不同业务对网络能力的不同要求(如低时延、高带宽、大连接等)。5G 网络切片实现统一基础设施网络适应多业务需求，从而提供更好的用户体验。5G 网络切片涉及无线网、承载网、核心网和终端端到端技术方案。

2.1 无线网切片技术方案

由于V2X 相关切片标准尚未制定完成，mMTC 暂时还没有规模应用。车路协同业务目前考虑用uRLLC 和eMBB 切片来分别承载，根据不同的网络性能需求，无线网子切片基于PRB 资源预留或切片级QoS 调度来做优先保障。

(1)资源保障策略：采用PRB 资源保障策略，给特定切片组分配部分独占资源，网络拥塞时也能保障切片业务体验。PRB 资源保障分为静态和动态模式。静态模式下，业务需求完全独占PRB 资源；动态模式下，保障一定独占PRB 预留资源，其他资源按调度策略。

(2)切片级的调度优先级管理：在传统QoS 优先级调度基础上，无线新增支持切片ID+5QI 的调度优先级配置，实现不同切片下相同5QI 的差异化保障。如5QI 9对应的调度优先级配置为13，为了实现切片1、2、3 的差异化保障，可以设置切片1 的调度优先级为12，切片3的调度优先级为14，此时无线资源调度顺序为切片1＞切片2＞切片3。

(3)切片级接入控制：根据SLA 设置每切片允许接入的用户数以及每切片的DRB 接入独占门限，实现切片级的接纳控制，保障每切片上已接入用户的业务体验。

基于每个切片业务特性区分，无线子切片可以参考表2 所示资源调度策略。

表2 车联网切片无线资源策略

2.2 承载网切片技术方案

承载网可以分为硬切片和软切片。硬切片采用FlexE(Flexible Ethernet)/MTN(Metro Transport Network) 接口隔离或MTN 交叉隔离两种技术；软切片通常指采用VPN(Virtual Private Network)+QoS 实现多个业务在一个屋里基础网络上的相互隔离。

对于安全性要求高的车联网业务(如局域远程遥控类切片等)，建议采用硬切片，其他对时延不敏感的业务建议采用软切片。

对于安全隔离性要求不高业务，一般采用承载软切片方案。

软切片可以基于现有传输网，提供VPN 通道即可，连接非常灵活。承载网络按照2B 和2C 设置两类切片，采用VPN 软切片方式，车联网切片内部采用PQ 队列调度，2C 业务采用WFQ 队列调度，VLAN 内通过5QI 到DSCP 映射来保证各专线业务的优先级。

2.3 核心网切片技术方案

5G 核心网基于网络功能虚拟化NFV 技术，使其可以按需选择不同隔离策略。根据实际业务需求和网络情况选择隔离方案，包括3 种方式：

(1)控制面网元和用户面网元全共享方式；

(2)控制面网元共享、用户面网元UPF 新建，满足本地分流、低时延和高隔离的要求；

(3)控制面网元和用户面网元均新建，这种方案对于建设成本、组网复杂度、管理运维都带来压力，多数情况下不推荐。

对于时延要求比较低的业务，车联网应用服务器建议放在MEC。如果应用服务器放在云上或远处的IDC，则UPF 到应用服务器之间是入云专线或STN 等有线专线。

2.4 终端切片技术方案

终端将协助网络选择无线网、承载网以及核心网络的切片方案，从而面向不同车路协同业务实现在5G 网络内端到端切片服务的目标。

5G 终端切片基本方案包括基于APPID、IP 三元组、DNN 等多种业务颗粒度的切片基本服务能力。

5G 终端涉及消费者终端(智能手机)和行业终端(行业CPE 等)，对于切片的支持，在使用场景、业务标识获取、实现方案上存在一定差异。

受限于终端自身操作系统、芯片等因素，5G 终端切片能力成为5G 网络切片技术在车路协同业务商用的主要瓶颈。目前5G 终端对多业务场景多切片的支持较弱，商用消费者终端尚未支持单终端多切片。

3 结论

5G 网络切片是5G 网络设计中引入的原生技术，是为垂直行业而生的5G 新能力，车路协同产业已经成为垂直行业中研究人员重点关注的热点之一。本文将车路协同业务分为4 个大类，基于不同场景业务给出网络需求，并论述了无线网、承载网、核心网、终端切片技术方案，为实际的示范落地和产品落地提供了技术支撑。