熊泉 罗鉴 刘爱华 阎金洁

(1. 中兴通讯股份有限公司武汉研发中心,武汉 430074;2. 中兴通讯股份有限公司南京研发中心,南京 210012;3. 中兴通讯股份有限公司深圳研发中心,深圳 518052)

0 引言

网络5.0[1]作为面向2030年的新一代网络架构,通过做强网络,主动向各类产业应用提供网络能力。未来网络需要加强业务和网络的协同,需要分析下一代网络的应用场景及用户的多样化业务承载需求,考虑网络5.0下一代演进方案,给出分类分级的业务指标建议。

网络5.0的未来应用场景非常广泛,主要包括信息通信技术(Information Communications Technology,ICT)基础设施、移动承载网络、产业互联网以及未来多媒体通信等应用领域。不同应用场景的承载需求是多维的,对业务的服务等级协议(Service-Level Agreement,SLA)需求指标不同,因而需要制定业务分类分级方案,从而更好地满足不同应用的需求,推动网络5.0发展与演进。

1 网络5.0典型业务场景及需求分析

1.1 ICT基础设施通信需求

新的ICT基础架构以物联网、云计算、大数据和人工智能为核心。这些网络技术的发展需要信息技术(Information Technology,IT)设施的支持,但目前IT设施尚未成为真正意义上的基础设施,存在着信息系统碎片化的问题,因此,IT资源的整合是必需的。在云时代信息社会发展的推动下,实现ICT基础设施的融合对网络通信产生了以下新的需求。

(1)超高带宽、高服务质量(Quality of Service,QoS)保证(比如低丢包率、低延迟、低抖动)。

(2)确定性时延保证:转发路径的时延和时延抖动可控,时延抖动可测量。

(3)高可靠性,达到99.999%[2]。

1.2 移动业务承载需求

移动网络业务范畴的扩展,将丰富电信网络的生态环境,很多传统行业例如汽车、医疗、能源、市政系统等都将参与到电信生态环境的建设中[3]。5G技术将数字化推向生活的各个场景,建立起全连接社会,丰富了日常体验,提升了生活质量。5G以其多样化的应用场景为移动通信提供了新的机遇,也随之产生了新的技术挑战。因此5G时代的承载网需要满足以下需求。

(1)大带宽:视频类业务的带宽需求持续增加。

(2)低时延:远程医疗、工业控制等场景,有着明确的端到端低时延的需求,例如,第三代合作伙伴计划标准组织(3rd Generation Partnership Project,3GPP)对于5G增强移动宽带(Enhanced Mobile Broadband,eMBB)和低时延高可靠(Ultra Reliable &Low Latency Communication,uRLLC)的用户面和控制面时延要求如表1所示。

表1 5G承载网时延需求

1.3 产业互联网需求

1.3.1 工业互联网需求

工业应用与感知、连接、传输、计算和分析等互联网技术结合形成了工业互联网[4]。工业互联网为新的工业领域应用提供支撑,进一步变革生产关系,提供全新的生产工具,从而推动产业智能化升级,促进生产力的发展突破。为支持智能化工业应用,工业互联网对网络的具体性能指标提出了具体要求(如表2所示)。

表2 工业互联网网络性能要求

广义上讲,车联网(Vehicle-to-Everything,V2X)是实现人与车、车与车、车与路、车与云端之间的数据互通,实现智能交通、智能汽车、智能驾驶等功能的网络。车联网主要包括4个应用场景:车与互联网互联(Vehicle to Network,V2N)、车车互联(Vehicle to Vehicle,V2V)、车路互联(Vehicle to Infrastructure,V2I)以及车人互联(Vehicle to Pedestrian,V2P)。车联网通过在人、车、路、云之间进行信息交换,实现智能决策和协同控制。车联网对确定性时延有严格的要求,以支撑车体定位、控制信号传输的实时性与安全性,并满足调度系统的性能要求[5]。车联网在各种业务场景的SLA需求如表3所示。

表3 V2X业务场景对通信的SLA需求[2]

1.3.2 能源互联网需求

能源互联网是泛在电力物联网与智能电网深度融合的产物。能源互联网以物联网为基础,以大数据分析、机器学习和预测为技术支撑,可以实现电力系统各个环节万物互联、人机交互、状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活[6]。根据《网络5.0应用场景报告》[2],能源互联网对网络性能需求如下。

(1)时延:继电保护应用的时延应小于10 ms。

(2)抖动:继电保护应用每个单向时延的抖动不能超过50 μs。

(3)丢包率:风力发电的丢包率应小于10-6～10-9。

(4)确定性:继电保护应用的双向通道时延差距应小于200 μs。

1.3.3 智慧医疗业务需求

随着ICT技术在医疗行业的持续深化应用,医院系统将全方位信息化。医院信息化以病人信息共享为核心,采用通信及网络技术实现对诊疗信息的采集、缓存与处理。面向未来,更好的医疗服务需要用到超高清实时医疗影像,甚至要求提供基于沉浸式三维视频的医疗诊断和远程服务,这些也将对未来网络提出各种挑战[7]。远程医疗以现代通信技术和多媒体技术为依托,为异地患者提供远距离诊疗服务。随着通信及网络多媒体技术的发展,满足高实时性、强交互性、富媒体形态的远程医疗手段逐渐崭露头角。常见远程医疗场景的传输带宽及时延需求如表4所示。

表4 常见远程医疗场景的传输带宽及时延需求[2]

随着远程医疗手段的不断完善,通过确保更低的和更精确的时延可以保证更安全的医疗服务,实现高安全、高可靠的远程医疗。未来还需要确定性的传输时延和时延抖动,即需要满足毫秒级传输时延和微秒级抖动,从而能够支持多方远程医疗协作等复杂的未来智慧医疗场景。

1.3.4 智慧城市信息基础设施需求

智慧城市以物联网、云计算、大数据、5G技术为核心,通过对城市数据感知、检测、分析,对城市生活中的各类需求作出迅速、灵活、准确的反应[8]。智慧城市建设过程中必不可少的是物联网、云计算等新一代信息技术。例如,依托运营商的网络能力在边缘侧部署多接入边缘计算(Multi-access Edge Computing,MEC)平台,为视频监控平台提供低时延、高带宽的无线网络接入能力和边缘计算能力。构建完整的云-边-端分级计算体系,端侧移动摄像头负责视频采集和简单的图像处理;边侧MEC基站汇聚层承担视频分析、缓存、加速和编码能力;云端核心网负责给具体区域内的边缘云下发控制策略并收集处理结果,进行总体控制和管理。根据《网络5.0应用场景报告》[2]的数据,智慧城市信息基础设施需求如下。

(1)超大带宽:需要的网络带宽会达到10～100 Mbit/s。

(2)低时延:对于网络的时延要求较高,要达到100 ms～1 s。

(3)网络稳定性:实时视频采集要求低的丢包率。

1.4 未来多媒体通信需求

1.4.1 视频类需求

目前,二维平面视频不断提升,已接近人眼生理极限,成为网络主要流量;三维沉浸视频成为视频技术发展的长远趋势。在家庭大屏场景中,点播1 s内初始化、播放0卡顿以及快速频道切换、高并发稳定性等已经成为客厅大屏点播视频和直播视频的关键体验指标,对网络的时延、丢包等提出相关需求。云化虚拟现实(Virtual Reality,VR)可分为以全景视频为主的弱交互和以VR游戏为主的强交互业务,体现为以带宽为主和带宽与时延双敏感的网络要求。根据《网络5.0应用场景报告》[2]的数据,视频类场景对网络性能需求如下。

(1)上行网络:专业级的超高清直播领域,视频信号回传码率可达到500 Mbit/s。

(2)下行带宽:带宽需求将达到300～800 Mbit/s,接近Gbit/s级别。

(3)低时延:云化VR、云游戏等强交互型视频业务要求业务体验的运动到成像时延小于20 ms。

1.4.2 全息通信类需求

全息显示/光场是解决人眼辐辏调节冲突、提供裸眼3D体验的重要技术路线,但对数据的采集、存储、计算规模将呈海量增长[9]。现阶段较成熟的裸眼三维图显示,满足良好用户体验的带宽需求在Gbit/s级别。全息通信类网络性能需求如下:

(1)超大带宽:真人大小的单流图像甚至需要Tbit/s级别的网络带宽;

(2)低时延:网络传输时延需求通常达到ms级别。

2 网络5.0业务需求分类和SLA指标

2.1 业务分类

根据网络5.0典型应用场景中的业务需求,参考异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode,ATM)的网络业务分类机制[10],可以将业务分成以下4种典型类型。

2.1.1 尽力而为业务

尽力而为业务主要包括数据业务。此类业务突发性强,实时性要求不高,因此网络不保障该类业务的带宽、时延、可靠性等服务质量。

2.1.2 可变速率业务

可变速率业务主要包括广播类音视频实时业务。此类业务是准稳态业务,即在经过较长时间的整形和平滑后,数据速率将趋于一个稳定值。可变速率业务对时延不敏感,但对带宽有要求。可变速率业务的带宽随不同时间内终端信息发送速率的变化而变化,需要指定业务流的峰值速率以及较长时间内的平均速率。

2.1.3 有效速率业务

有效速率业务主要包括交互类音视频实时业务(如VR、云游戏等)。目前的音视频编码采用分层编码技术(基础层和增强层),需要确保基础层数据,增强层数据则视网络资源情况而定,需要指定业务流的峰谷速率和峰值速率[11]。此类业务对时延敏感,因此不能采用长时间平滑(整形)来消除突发。

2.1.4 恒定速率业务

恒定速率业务主要包括生产控制类业务。此类业务对时延、抖动要求高。恒定速率业务使用的网络资源需要严格的限定来实现资源的独占,即使该恒定速率业务自身不使用其占有的资源,其他业务也不能使用该资源。

2.2 SLA关键指标

2.2.1 承诺带宽

网络可承诺的网络转发的带宽能力,包括承诺保证带宽和容许保证带宽。确定性带宽与网络的通道或接口类型相关,在不同的网络层次存在带宽聚合和汇聚的场景,以提升网络的利用率。吞吐量是衡量网络带宽最直接的验证方式。

2.2.2 确定性时延

网络可以通过保证时延上界,实现确定性时延。网络端到端时延主要包括节点内处理时延、排队时延、发送时延、链路传播时延等。

2.2.3 确定性抖动

网络可以通过保证时延上界和下界,实现确定性抖动。节点的处理时延(包括排队时延)是造成抖动的主要因素,通过增加抖动缓冲可降低抖动的影响,但会相应增加网络时延。

2.2.4 丢包率

网络可保证确定性业务转发丢包率。网络中丢包主要有两种情况:传输过程中网络发生故障导致丢包和网络拥塞时设备主动丢包。丢包率是影响确定性网络服务质量的重要因素。

2.2.5 可用性

网络的可用性即网络的可用程度,可以用网络无故障运营的时间占总运营时间的百分比来反映。该指标可以体现网络支持的保护/恢复能力,包括网络层的保护/恢复机制和业务层的保护/恢复机制。

3 网络5.0业务分类分级方法及关键技术

3.1 网络5.0确定性分类分级方法

确定性需求的分类及其SLA指标分级如图1所示,通过确定性需求对业务进行分级,进一步分解出每个级别对应的确定性能力。通过确定性分类分级方法能使网络5.0的研发逐步发展。网络5.0按照需求的SLA指标及技术的实现复杂度来进行业务分级。目前,网络5.0将带宽、路由保护及时间确定性需求按照主指标均分成了4个等级,并根据业务类型不同确定辅助指标。其中最低等级是1级,该等级的需求可以在近期实现,甚至在网络4.0中已经实现。随着确定性级别升高,技术实现难度逐渐增大,甚至无法在全局(全球范围)实施,只有局部技术可用。一般的业务确定性需求范围在1～3级,可以采用全局有效技术来实现;而第4级需求则需要采用全局有效技术和局部有效技术结合(融合)来实现,以提高其确定性及精度。

图1 网络5.0需求分类及指标分级

3.1.1 带宽确定性需求

可以按对通信数据速率的要求对业务进行分级,即按带宽的保证度来分级。根据本文研究,具体的带宽确定性需求可分为4个等级,如表5所示。

表5 带宽确定性需求分级

3.1.2 路由保护确定性需求

路由保护确定性的分级,需要考虑业务保护的需求、路由的保障能力和节点资源的利用率,其中节点资源利用率可以作为辅助指标之一。根据本文研究,路由保护确定性需求分为4个等级,如表6所示。

表6 路由保护确定性需求分级

3.1.3 时间确定性需求分级

时延是端到端路径上数据包从发出直至到达的时间差,主要由传输时延和节点时延组成。时延抖动是数据包最大时延和最小时延之差。在路径固定的情况下,传输时延是确定值,与传输距离存在强相关关系;节点时延则与使用的技术相关。因此,节点时延成为影响端到端时延的关键因素。根据本文研究,时间确定性需求按照时延和抖动精度两个指标,可以分为4个等级,如表7所示。

表7 时间确定性需求分级

3.2 网络5.0分类分级的关键技术

3.2.1 路由确定性技术

在确定性网络中,根据数据包携带路由信息的方式,可以分为外挂式确定性路由和内生式确定性路由。外挂式确定性路由在数据报头中列出所经过的网元地址(标识),形成数据报文在传送时的确定路径。内生式确定性路由将网元中的转发表,按一定的算法连接起来,形成多条端到端的SLA分级的确定性路径,在数据报头中只需要列出路由编号。

3.2.2 资源(带宽)确定性技术

资源(带宽)确定性主要包含4个方面的内容,分别是业务流分类、流量监管和流量整形、资源预留以及资源管控。

业务流分类:要实现差异化服务就需要对进入网络的流量按照一定的规则进行分类,然后根据流量的类别为他们提供不同的服务(不同的转发速率、时延、抖动等)。网络5.0通过数据报头携带的业务分类分级标识进行流分类。

流量监管和流量整形:流量监管指对输入流量进行控制,通过监督进入网络的流量速率,丢弃超出限定的流量,使进入的流量始终被限制在一个合理的范围之内;而流量整形对流量输出速率做出调整,通过限制流量与突发,使报文以比较均匀的速率向下游发送,起到“削峰填谷”的作用。

资源预留:网络为业务流在路径中每个节点上预留足够的缓存和带宽资源,以保证对资源有要求的业务流不会因为缓存和带宽不足而出现丢包的现象。

资源管控:网络需要提供资源的测量、检测等能力,主要包括以下4种能力。

(1)可监测:体现业务、隧道、通道路径和拓扑资源可视的能力。

(2)可测量:体现带外操作管理维护(Operations,Administration and Maintenance,OAM)、带内OAM的丢包/时延/流量性能指标测量的能力。

(3)可管控:体现基于SLA指标上限的路径计算、优化和资源预留的能力。

(4)可预测:体现资源数据的分析、推断预测,提升运营维护的能力。

3.2.3 时间确定性

时间确定性由时频同步和时延/抖动控制两方面来保障。

时频同步:网络可提供高精度时间同步和定位服务的支撑能力。确定性网络技术需要支持精准频率同步、时间同步,以支撑“按时、准时”的转发服务。

时延/抖动控制:网络通过各类队列调度和时隙管理等机制实现业务时延和抖动的精准控制,从而保障时延/抖动的确定性。

4 网络5.0业务分类分级的报文封装

4.1 业务分类分级封装

网络5.0根据业务的服务特性,将业务分为4大类,除了尽力而为业务外,其余类型的业务对带宽、时延、抖动各有不同的要求。在业务分类的基础上,按照不同的需求,对业务进一步分级,业务分级主要是对业务类型在带宽、时延以及抖动方面的进一步细化,每一级别提供不同的精度能力。

转发面需要识别业务分类分级标识。针对每一种业务级别,都需要提供相关的转发面技术作为支撑,如限速、整形、队列调度或时隙调度等,从而满足网络5.0的4大领域的应用需求。

数据报文中需要明确定义业务分类分级字段。根据本文统计,业务类型字段至少需要2 bit,用于区分上文定义的4种业务。例如,0b00表示尽力而为业务;0b01表示可变速率业务;0b10表示有效速率业务;0b11表示恒定速率业务。业务级别字段则用于区分相同业务类型的不同级别,根据本文统计,其同样至少需要2 bit。业务类型可以进一步分为4个级别,每个级别对应一种带宽、时延、抖动的精度,级别范围为1～4,级别的数值越大,表示精度要求越高。对于尽力而为的业务类型,级别字段用于表示优先级,级别数值越大,代表其优先级越高。

4.2 路由封装

尽力而为业务对实时性要求不高,只要路由可达即可,一般使用动态路由技术。除尽力而为业务以外,其他三类业务需要采用确定性路由技术,确定性路由不随网络拓扑的实时变化而发生改变。这一技术确保了确定性业务的传输路径相对固定,为资源预留技术提供了基础的保障,同时路径的固定也为时延的精确计算提供了可能,是保证有界时延和抖动的重要技术。

为了减少甚至避免网络中间媒介错误或者设备故障导致丢包,需要提供路由保护功能。对抖动和丢包要求不高的业务,可以使用快速重路由技术实现路由保护,当检测到主路径发生故障时,切换到备份路径继续传输数据。对抖动、丢包和失序要求高的业务,则需要引入多包多路径技术,如报文复制、消除、重排序功能,将业务报文复制成多份在多条路径上传输,接收侧再消除多余副本并进行重新排序。

根据上述路由需求,需要在报文封装中定义路由标识,预留4 bits,用于指示数据报文的路由特性。路由标识总体上是由控制面/管理面根据业务需求和配置策略生成,在转发面形成路由转发表,由网元设备针对携带不同路由标识的报文进行对应的查表、转发处理。

在长度为4 bits的路由标识字段中,0b0000保留;0b0001表示路由保护的主路由;0b0010表示路由保护中的备份路由;0b0011～0b1110分别表示12条确定性路由;0b1111表示动态路由,提供尽力而为转发服务。

5 结束语

本文提出了网络5.0业务分类分级的相关技术,分析了网络5.0面向未来网络的应用场景和承载需求,制定了网络5.0业务分类分级的方案,包括业务分类方法和SLA指标,提出了确定性分类分级方法及关键技术,给出了网络5.0分类分级的报文封装需求,实现网络5.0分类分级的部署,从而更好地满足不同应用的需求,推动网络5.0的发展与演进。