面向车路协同的端到端切片实践

张龙，周秀杰，王秋红

（中国电信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

随着车辆智能化的发展以及通信技术的快速演进，车联网从以支持车载信息服务为主向以支持智能化和网联化为基础的辅助驾驶、自动驾驶和智慧交通的应用发展。在车载信息服务阶段，车辆通过蜂窝网络与云端服务器通信，实现娱乐、车载导航等应用；在辅助驾驶阶段，车辆通过与周围的车辆、路侧交通基础设施、人、云端服务通信，获得周围车辆的状态、路侧的交通信号灯、交通标志等信息，辅助提升车辆的安全行驶能力；在自动驾驶和智慧交通阶段，将实现车、路、人、云的全方位连接，在进行智能感知信息的共享与交换同时共享部分决策信息，具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能，从而实现最终的全天候无人驾驶和高度协同的智慧交通[1]。

基于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。通过5G 网络切片技术可提供为特定网络能力和网络特性组建逻辑网络的能力，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[2]。本文将介绍在此背景下，中国电信在现网部署端到端网络切片业务及进行功能和性能测试的实践经验及测试结论。

1 车路协同与切片技术

1.1 5G网络切片的原理

网络切片是一组带有特定无线配置、传输配置和核心网配置的网络功能的集合，运营商可以在同一套物理设备上提供多个端到端的虚拟网络。这些网络功能可以灵活部署在网络的接入节点、边缘节点、传输节点或者核心节点，以便适配运营商期望的任何商业模式。一个网络切片，拥有独立的拓扑、虚拟网络资源、流量和配置规则。多个网络切片可以满足未来5G 网络中不同用户的特定传输需求。

为了识别端到端的网络切片，每个网络切片由S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information，单个网络切片选择辅助信息）进行唯一标识，而一个S-NSSAI 由SST（Slice/Serive Type，切片/ 服务类型）和SD（Slice Differentiator，切片分离）所组成[3]。切片管理系统可以根据企业客户对网络带宽、时延及可靠性等性能的需求，为企业终端用户分配特定S-NSSAI，指定5QI（5G QoS Indicator，5G QoS 标识符）优先级、DNN（Data Network Name，数据网络名称）、速率等参数，下发对应配置到相关网元，进而通过端到端网络切片为用户提供灵活高效的网络服务。

1.2 切片技术对车路协同的必要性

表1 列出了几种典型业务场景的网络需求：

表1 典型业务场景的网络需求

由表1 可见，不同业务类型对网络时延、可靠性、带宽等性能参数要求不一，而可靠性的提升往往会损耗网络带宽。以单一参数配置所有类型的网络流量无疑是对网络能力的巨大浪费，而使用切片技术可以很好地隔离不同种类的流量，如通过5QI 优先级保障、RB（Resource Block，资源块）资源预留等技术保障重要业务的时延及可靠性，可以实现在同一无线网络承载不同种类的业务，在满足重要业务低时延、高可靠性的同时，最大程度地使用空口资源。

1.3 端到端网络切片的实现方案

端到端网络切片包含无线网切片、传输网切片和核心网切片三部分[4]。

无线网切片当前支持两种实现方式，分别为基于5QI的调度和RB 资源预留。其中，基于5QI 的调度可以确保在资源有限的情况下，不同业务“按需定制”，为业务提供差异化服务质量的网络服务。在资源抢占时，高优先级业务能够优先调度空口的资源，在资源拥塞时，高优先级业务也可能受影响；RB 资源预留则根据各切片的资源需求，为特定切片预留分配一定量RB 资源，确保特定切片用户在网络拥塞时也可以调度所需资源。

传输网切片在转发面一般有FlexE/MTN（Flexible Ethernet，灵活以太网技术/Metro Transport Network，城域传送网）接口隔离、MTN 交叉隔离和VPN+QoS（Virtual Private Network，虚拟专用网/Quality of Service，服务质量）隔离等技术。其中，FlexE/MTN 接口隔离技术可以组合MTN 交叉隔离技术或分组转发技术进行报文传输，每个FlexE/MTN 接口的QoS 调度是隔离的；MTN 交叉隔离基于以太网64/66B 码块的交叉技术，在接口及设备内部实现TDM（Time Division Multiplex，时分多路复用）时隙隔离，从而实现极低的转发时延和隔离效果；VPN+QoS隔离可以实现多种业务在一个物理基础网络上相互隔离。

核心网切片在网元功能层则分为完全共享模式、部分独占模式和完全独占模式。其中，部分独占模式通过共享大部分网元功能+少量网元功能独占专享的方式，在安全隔离性需求和成本之间做到最佳平衡，从而能够满足大多数通用行业的网络切片分级需求。

本次测试中，5G 网络组网如图1 所示：

图1 车联网5G切片总体方案

其中无线网分别测试了基于5QI 的调度和RB 资源预留；承载段使用VPN 软切片+QoS 隔离的方案承载不同切片流量；核心网则在用户面使用ToB（To Business，面向组织）用户专用UPF（User Plane Function,用户面功能），信令面与普通业务类切片用户共享AMF/SMF/UDM（Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理功能/Session Management function，会话管理功能/The Unified Data Management，统一数据管理功能）等网元。

测试中，使用了Spark 及Probe 测试软件对测试终端进行操作，发送或接收不同大小的数据包模拟自动驾驶车辆的业务流量，进行大速率Ping 以测试不同信号强度、静止或移动状态下网络的可靠性及时延。

为模拟真实环境中普通用户流量对车联网业务的影响，测试时使用了普通业务类切片用户大速率灌包及基站加载模拟负责等手段；为模拟真实车辆的移动，测试终端放置在车辆中，使用车载电源及逆变器供电，最大程度模拟真实自动驾驶车辆的工作状况。

2 测试结果分析

本次测试中共使用了3 类切片，分别为驾驶类切片、信息服务类切片和普通业务类切片，使用DNN 区分不同切片。三类切片分别对应驾驶类应用、信息服务类应用和与自动驾驶无关的其它应用。在深入理解车企业务对网络性能的需求后，结合网络设备性能参数及在网运行状态，为三类切片定制了各自的5QI、ARP（Allocation and Retention Priority，分配和保留优先权）、S-NSSAI 参数，基于业务需求确定了无线侧RB 资源预留比例、空口MAC/RLC（Radio Link Control，无线链路控制）/PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据集中协议）参数组，确定了传输网切片隔离方案和核心网网元共享模式等，为业务测试提供了定制化的端到端切片网络环境。

其中，驾驶类切片应用于远程驾驶（接管）、远程控制车辆（如云端调度、远程语音控制）等业务，要求高可靠性、低时延，因此分配了最高优先级的5QI。RB资源预留也会在驾驶类切片进行配置和测试。

信息辅助类切片应用于通过推送车辆生成的半结构化语义数据、实时地图数据和部分原始数据，需要大带宽、低时延，但可靠性要求比驾驶类业务稍低，因此分配了低于驾驶类切片、与普通业务类切片相同的优先级，但资源分配比例比普通业务类切片更高，当资源受限时，可以达到比普通业务更高的速率。

普通业务类切片则用于承载车内视频/ 点云信息上传、娱乐信息下载等业务，对时延和可靠性要求较低，因此继承了现网普通ToC 用户的配置。

下文分别从3 个方面来给出数据分析结果。

2.1 静态及动态测试

图2 展示了使用不同大小的数据包进行大量Ping 测试的结果。对比驾驶类切片与普通业务类切片用户切片，驾驶类切片用户终端由于优先级更高，空口侧基站会进行更积极的调度，传输侧及核心网用户面会以更高优先级发送其业务报文，所以Ping 包延迟有明显降低，可靠性明显提升。

图2 驾驶类切片与普通业务类切片Ping时延对照

其中，实线和虚线数据分别为驾驶类切片和普通业务类切片不同大小Ping 包的时延数据；CDF_99%（Cumulative Distribution Function，累计分布函数）定义为可靠性达到99%的数据包最大时延，其它几项以此类推。

2.2 测试基于5QI和RB资源预留的性能保障

在近中远点，分别使用驾驶类切片、信息服务类切片和普通业务切片同时做灌包测试，以测试不同类型切片在基于5QI 或RB 资源预留的带宽保障下，误码率及速率的变化趋势。其中驾驶类切片RB 保障配置为10%。测试结果如图3、图4 所示。

图3 基于RB资源预留的带宽保障下三种切片在近中远点的误码率变化

图4 基于5QI的带宽保障下三种切片在近中远点的平均速率变化

由图3 测试结果可见，驾驶类切片用户由于配置了更高的优先级和高可靠性特性，在近中远点误码率均比信息服务类及普通业务类切片用户更优。由图4 可见，驾驶类切片用户在信号较差的中点和远点，仍能保持较好的网络性能。基于5QI 和基于RB 资源预留的带宽保障均可以在用户信号较差时，对重要业务保障一定的通信速率。

2.3 不同切片类型用户灌包测试

为测试不同切片类型用户之间的影响，进行了三项测试：

（1）使用驾驶类和信息服务类切片用户进行大速率灌包测试，之后加入普通业务类切片用户大速率灌包。

（2）使用信息服务类切片用户进行大速率灌包测试，之后加入驾驶类用户大速率灌包。

（3）两个驾驶类切片用户大速率灌包。

测试结果为：

（1）由于驾驶类切片配置了最高的优先级和有限保障带宽，而信息服务类切片与普通业务类切片优先级相同、资源按比例分配，所以普通业务类切片用户的业务会影响信息服务类切片的业务，但是不影响驾驶类切片业务。

（2）驾驶类切片用户的业务由于配置了更高的优先级，所以在资源受限时会抢占信息服务类切片的资源。

（3）驾驶类切片内不同用户由于优先级相同，所以会公平抢占切片内带宽。表现为两个同样签约了驾驶类切片的用户，在空口指标（接入频段、频谱宽度、信号强度等）一致的情况下，会公平竞争，平均分配可用资源。

3 结束语

本次测试从车企实际业务需求出发，制定了相应的测试规范，并在现网进行了端到端切片网络部署和测试，探索出了切片技术在车路协同场景下的部署流程和测试方法，对端到端切片用户的网络性能提升进行了摸底，对下一步制定更精准的切片参数打下了数据基础；切片管理系统的应用也给切片的规模商用提供了极大便利。随着车联网商用进程不断推进，5G 网络覆盖率提升，切片相关标准定型以及终端切片能力的不断提升，相信切片技术会成为车联网必不可缺的关键技术，为车联网关键应用提供低时延高可靠性的网络，为早日实现更高级别的自动驾驶保驾护航。