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2019/6/20 16:45

面向垂直行业的5G NSA网络端到端解决方案探索

邮电设计技术  王群青

摘 要

本文主要是浙江联通在5G NSA组网和垂直行业应用示范建设中,针对智能驾驶、智慧医疗、广电新媒体等典型行业应用需求分析,探索定制不同的端到端网络实现方案。利用MECVPDN网络及云专线等技术和资源,在试验网中加以应用部署,实现5G网络2B业务的端到端支撑,获得客户高度认可并取得良好的示范效果。

关键词

5G网络 行业应用 智能驾驶 智慧医疗 新媒体 MEC VPDN 云专线

概述

5G时代,将进入一个万物都能够发现、倾听、感知的智能世界。传统的汽车、制造业、健康等各个行业,也将因为5G变得更加智能化、自动化和互联网化。5G作为全新的连接架构将成为推动大多数行业变革的基础,并将对人们的日常生活和整个商业发展产生深远影响。5G发展已经成为我国国家战略的重要组成部分。

浙江联通作为国家发改委5G规模建网及应用示范工程建设单位之一,早在2018年初率先启动了5G试验网络方案制定及业务探讨工作,成立5G专项工作小组,积极推动5G网络技术与垂直行业应用的深度融合,发挥中国联通“云管边端业”一体化优势,打通前端市场需求、产品创新和落地工作。

1.1浙江联通5G试验网情况

目前已经冻结的5G标准分为NSA和SA两种组网方式,为实现快速建网思路,中国联通在5G建网初期选择NSA架构,后期向SA架构演进。

浙江联通于2018年4月底完成5G NSA虚拟化核心网部署,5月上旬开通第一套5G基站,支撑517电信日浙江联通5G发布会VR演示。组织进行现网EPC NSA升级改造,杭州率先全国打通首个4G5G融合局点5G?First?Call,?推动杭州5G连片区域覆盖建设,为5G友好用户体验城市做好准备。同时进行SA试验网络部署,验证一套NR基站NSA和SA双栈性能、网络切片测试等,LTE异厂家区域行业应用站点快速部署等。

杭州已开通5G站点300多个,覆盖武林商圈、钱江新城、萧山机场等口碑及标志性场景,以及吉利研究院、萧山信息港、邵逸夫医院等行业重点客户。

1.25G行业应用试点开展情况

5G时代,网络业务重点从2C转移到2B,行业应用成为5G发展的关键点。浙江联通在新媒体、车联网、智慧医疗、智能制造、智慧能源等行业场景进行了5G创新应用的探索。

在“5G+新媒体”方面,2018年9月杭州·云栖大会5G网络与阿里云联合首次进行广播级5G+8k视频直播展示;与浙江广电集团深入合作,2019年4月开展2050大会5G+媒体直播车联合报道,推出5G+4k移动背包应用,满足多类型节目制作形态的需求。在“5G+智能制造”方面,与嘉兴恒美制衣厂、杭私时装集团有限公司合作打造5G透明工厂 ,将服装智能制造与MEC边缘计算技术融合。在“5G+车联网”方面,联合吉利汽车研究院、华为在杭州湾浙江吉利汽车研究院共同打造基于5G+边缘云的V2X智能驾驶应用,打造业界首个基于5G MEC边缘云的智能驾驶示范标杆。在“5G+智慧医疗”方面,邵逸夫医院基于5G网络的移动查房终端,移动影像阅片“秒”看,已经应用于部分科室及病房中,部署了4K高清会议直播系统,与邵逸夫5G网络直通,进行远程手术示教、跨院区高清视频会议、远程会诊等。

5G NSA网络局限性

2.1NSA和SA组网方式

NSA和SA的组网主要区别在于NSA是将5G的控制信令锚定在4G基站上;SA方案是5G基站直接接入5G核心网,控制信令完全不依赖4G网络。

NSA标准下无需新建核心网,新建5G基站通过4G基站接入4G核心网或接入5G核心网。5G和4G无需互操作,可同时在4G和5G网络发起业务,5G终端需同时接入4G网络,需支持4G/5G双链接。

SA组网需要新建5G基站和5G核心网,5G和4G之间采用互操作方式,5G终端无需同时接入4G网络。

NSA和SA方案各有优缺点,SA是未来发展方向。NSA架构更早冻结,产品也相对更成熟;NSA架构可以借助目前建设成熟的4G网络扩大5G覆盖范围,初期采用NSA以达到快速建网的目标。但是NSA架构必须改动4G现网, 5G基站设备的4G锚点基站必须同一厂家。

2.2NSA组网下应用局限性

在应用方面,而NSA早期主要提供高带宽业务,即eMBB的5G场景,如高清视频、AR/VR等eMBB业务。5G SA网络进一步解决行业对无线技术要求更严苛的场景,URLLC业务要求DL和UL的时延为0.5ms,比如完全自动驾驶、工业控制等超低时延场景。同时,5G SA网络所具有的切片作为其特有的一种功能和技术手段,将保障特殊行业如电力、公安的业务隔离和QoS保障等特殊场景。SA架构透过灵活弹性的网络切片,为不同应用程序提供订制化的网络功能,并引入相关新功能和新业务,加速于垂直行业市场推出差异化的创新服务与商业模式。

5G NSA 核心网EPC+不支持网络切片技术,5G eMBB业务要求DL和UL空口时延为4ms,在低时延业务和网络功能定制化方面存在应用局限性。

为了满足现阶段车辆远程操控、远程医疗等eMBB低时延业务需求,在目前NSA组网下,浙江联通考虑通过建设MEC边缘云、选择合适的承载网络等手段,以达到组网端到端时延小、安全可靠的目的:例如针对吉利研究院智能驾驶、邵逸夫医院移动查房和远程手术直播示教、广电集团新媒体5G+4K大型演播厅录制、5G背包等典型垂直行业应用的需求,与客户平台网络的对接,分别采用了新建MEC、利用现有VPDN网络和云专线三种方式实现业务支撑。

5G+MEC组网及业务测试

3.1 吉利研究院5G网络部署

2018年中,浙江联通联合智网科技与浙江吉利研究院达成5G战略合作协议,共同在吉利杭州湾院区、杭州湾试车场开展基于5G网络环境的业务场景研究与验证,包括4G/5G与LTE-V协同通信、车云通信、车路协同等,共同制定技术演进路线、验证场景设计以及产品实施论证。

2018年9 月,宁波联通首次开通5G基站---“慈溪吉利整车中心”和“慈溪吉 利研发大楼”,覆盖杭州湾吉利研究院院区内的测试道路。

无线基站建设同时,三方多次进行MEC边缘云的建设和业务搭载方式讨论,以确定目标方案、业务测试内容和分阶段性工作计划。最终确定采用5G MEC,部署在研究院附近的杭州湾模块局机房,一期通过业务本地分流方式对接吉利私有云,二阶段MEC开放PAAS能力,移植现有私有云应用并开发新功能, 对接同机房内城域网SR设备访问吉利公有云。整体网络示意如下:

3.2 5G MEC接入网络设计

MCE边缘云为华为DGW设备,实际为SAE-GW设备U面,C面使用杭州5G试验NSA核心网设备。MEC采用最新版本的NFV架构 ,具备边缘云跨层解耦、业务聚合、能力开放等特性,又满足核心网计费及安全需要。

由于全国首次采用该解决方案,浙江联通和华为团队共同探索,自定义边缘DC内外部的接口IP网络设计和规划,使其即适合现有承载网规范,又便于快速开通,满足吉利要求时间。

MEC与移动网内部接口:通过MEC EOR直连IPAN(采用10GE),疏通Sxa/Sxb/Sxm接口(对接GW-C),和S1-U/S1-MME接口。由于C-U分离的Sxa等接口需要在杭州核心网和宁波IPRAN承载贯穿, 该接口使用4G-RAN VPN和对应IP地址段,根据C面U面所处位置分配不同区域IP地址。

MEC对外接口:Gi接口初期直连吉利研究院私有云,后期对接城域网SR设备访问吉利公有云。

车联网本地业务流、internet业务流和终端激活信令流程如下图所示:

3.3业务测试

2018年12月24日,5G MEC与吉利私有云对接成功,提供3台5G CPE1.0终端,用于研究院智能驾驶测试车内。经过双方联合测试,并进行无线优化调整,5G网络+MEC下的端到端平均时延在8ms左右,达到客户一阶段测试时延需求目标,代表全国首套5G网络+MEC的成功落地应用。

通过逐段路由测试,8ms时延分布大致如下:

由于没有5G模组,驾驶车内终端到CPE的WIFI浪费1ms时延,基站和MEC之间、MEC到吉利防火墙之间时延占比较大,相比设备标称值,还有优化提升的空间。

3.4解决方案成果

使用GW-U作为MEC部署,由于CPE产品不支持多APN激活,MEC基站下车联网以外的业务,不能设置路由送回省中心核心网出口,即同一个GW-C下挂GW-U之间没有定义规范接口。目前使用公网只能通过模块局到城域网接入点出公网,不利于公众业务的管理。该问题已经向华为研发反馈,提出CPE上支持多APN激活的版本需求,华为研发正在评估考虑在CPE2.0产品上版本开发。

另外,在5G MEC部署中,发现华为vEPC  VRF设置机制不适合C-U分离场景。控制面CGW与DGW信令面交互的Sx接口与Gn/S5等接口不能分开使用不同的VPN,试点方案中Sx数据通过现有4G_RAN VPN上行到省中心核心网,导致核心网通信云内部VPN需要修改调整。而若CN VPN下沉到IPRAN接入,存在安全隐患。向华为研发反馈该问题并要求Sx接口独立设置,华为研发进行了修改,后续建设的宁波通信云已经按新机制设置了独立Sx VPN,以便于灵活部署U面下沉和MEC节点。

时延方面,由于目前尚未有5G模组产品,采用CPE方式,驾驶车内终端到CPE的WIFI浪费1ms时延。基站和MEC之间、MEC到吉利防火墙之间时延占比较大,相比设备标称值,还有优化提升的空间。

5G+VPDN企业专网方案

4.1  邵逸夫5G未来医院设计

落后地区及农村的医疗资源贫乏,城市大医院人满为患,而小医院、社区医院门可罗雀,通过信息化技术革新来缓解这些医疗资源紧缺和分布不均的问题,是目前医疗行业的一个明确需求。

而随着生活水平提高,健康的干预治疗会逐步前移,医院信息化也会逐步从以医院为中心变成以病患为中心、提供咨询、预防、饮食干预、检查预约新型健康服务。

邵逸夫医院利用联通5G网络和数据中心大力拓展医联体(分院)、医共体等医疗协同、资源下沉,基于云计算、大数据、AI、物联网建立以人为中心的新型医疗健康数据中心,全面提升互联网+医疗能力。达到:

1、在院内外随时随地处理办公和医疗业务;

2、移动阅片、审片,影像科医生不再限制在医院内,把时间留给病患;

3、基于4K/VR等技术 手术示教、远程手术指导,远程会诊等,将医疗资源下沉,提高工作效率;

4、医共体内医院打通院间数据,集中使用同一信息系统,统一登录、管理,业务统一发放上线,跨院区影像信息调阅快速、流畅,真正做到人财物的大统一。

未来邵逸夫医院5G网络全覆盖,助以MEC、云计算、大数据、网络切片等最新技术,实现端和平台的最短连接,最高保障的业务QOS,全业务工作流移动化,达到行云流水的极致业务体验,无处不在的灵活快速办公。

4.2  邵逸夫一阶段5G网络部署方案

按业务诉求和网络成熟相匹配原则,邵逸夫5G未来医院分阶段有序推进。一阶段选取本院、分院、医联体、医共体下医院的部分场景,进行5G网络和业务部署。2018年底,浙江联通首次使用5G数字化室分产品在邵逸夫医院内部安装调测。

一阶段首先实现基于5G网络的移动护理业务、远程会诊、手术直播示教业务。移动护理业务要求终端访问邵逸夫内部数据中心,要求网络私网对接,端到端安全性高;远程会诊和手术直播采用4K高清设备,三项业务时延要求都在100ms上。

通过对上述业务分析,结合杭州5G核心网机房位置,暂不需要MEC部署到边缘,只需要保证带宽实现高效安全私网业务互通。利用现有VPDN网络资源,设置行业APN GRE隧道+ 专线实现专网访问,是一种能够快速建设而且低成本投入的解决方案。浙江联通现网VPDN网络由LNS、AAA、接入网络组成,与移动网GW建立GRE隧道或L2TP隧道实现业务网络的安全可控。网络结构如下:

从5G无线网络、核心网、VPDN到客户平台的网络,网络端到端路由信息设置如下(隐藏具体地址):

 

4.3  5G移动护理业务实现

邵逸夫移动护理业务基于内网访问,终端采用PDA等,安装应用软件,访问部署与本地数据中心业务。由于目前5G还处于试商用阶段,相关终端及模组尚未规模商用,本次工程采用将5G信号转为wifi连接的方式,支持原有PDA的连接及应用。以楼层为单位部署CPE设备,CPE设备连接5G网络,并将5G信号转换为wifi及固定网络信号,下挂POE交换机+AP,解决AP 的取电问题。AC管理平台部署在本地数据中心,基于统一管理系统,同一个账号,全区(含其他院区)实现无缝切换,漫游。一网多用支持多租户网络应用,新业务场景上线分钟级。形成WIFI专网,云化,集中化,简便易维护。具体网络图如下:

远期采取5G终端,如PAD、手机或者其他专用终端直接业务上行,连接5G网络,基于MEC直接路由到本地数据中心,进一步降低时延、提高网络安全性。

结论

从上述案例部署和应用效果看,5G网络部署MEC边缘云能很好满足现阶段低时延大带宽业务述求,如果5G MEC部署仅实现分流功能,短期看存在实施方案复杂工期较长投资较大的问题,但引入边缘云会带来n种业务拓展机会。而通过5G NSA +VPDN网络到客户私有平台的方案,适用于时延有一定要求但不是特别高的专网场景,同时也充分利旧现有VPDN网络资源,是一种实用型解决方案。

具体的5G行业应用项目中,需要结合带宽时延需求、网络资源情况、以及业务发展方向等因素,提供不同时延和带宽的量化指标对应的解决方案,在不断实践中提升按需定制化能力。秉持”联通5Gn.让未来生长”的信念,定制n个5G网中专网,让n无限延伸,为合作伙伴提供更为广阔的行业应用试验场景,推进5G应用孵化及产业升级。

参考文献

1、 北京中网华通设计咨询有限公司   《5G移动通信系统及关键技术》  电子工业出版社

2、 江林华 《5G物联网及NB-IoT技术详解》   电子工业出版社

3、易飞等   《EPC原理与实践》  电子工业出版社

4、杨峰义等  《5G网络架构》 电子工业出版社

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