面向垂直行业的网业协同关键场景和解决方案

于天意 王昕怡 曾凯越 邓 伟

中国移动通信有限公司研究院 北京 100053

引言

随着5G技术发展成熟，面向工业、港口、矿山、医疗等各行各业的垂直行业网络具备迫切需求且是业内各界重点关注的发展方向。数字经济是当前社会发展的大势，5G行业网是重要抓手。2021年7月13日，工业和信息化部、中央网络安全和信息化委员会办公室 、国家发展和改革委员会、教育部、财政部、住房和城乡建设部、文化和旅游部、国家卫生健康委员会、国务院国有资产监督管理委员会、国家能源局等十部门联合印发《5G应用“扬帆”行动计划(2021-2023年)》。为形成5G应用“扬帆远航”的局面，共制定八大行动计划，该计划将加快利用5G改造工业内网，打造5G全连接工厂标杆，形成信息技术网络与生产控制网络融合的网络部署模式，推动“5G+工业互联网”服务于行业核心生产环节[1-2]。

面向各行各业的不同业务场景，对5G网络的能力需求也各不相同，5G企业及园区典型业务场景对网络提出网络性能确定化以及网络功能个性化的新需求[3]，行业典型业务场景及需求如表1所示。

表1 典型行业业务类型及需求

为满足不同行业的不同业务需求，需要网络和业务实现协同工作，使网络侧和业务侧可协商、可沟通。网业协同的研究成为赋能行业实现业务保障的关键，也是当前5G行业网发展亟需强化的技术方向。

1 网业协同定义及流程机制

面向B端行业市场，5G网络在超低时延、超高可靠性、上行大带宽等基本性能方面都有相比个人消费市场更为严苛的需求，除此之外，行业业务还需要网络能够提供本地化、可监控、易操作等SLA(Service Level Agreement，服务等级协议)保障服务，云网一体化、网业协同等整体方案[4]，以确保工业等生产场景的正常运作，为企业带来生产效率和管理效率的保障和提升。面向个人消费市场的普通5G网络面向上层业务是尽力交付的模式，在覆盖弱、干扰强、容量高等特殊状况下对业务保障的表现容易受到影响。而行业应用为保障业务的安全生产、高效生产，对网络的确定性要求极为严格，因此需要网络侧和业务侧同时配合协同，基于传统网络能力叠加更多业务感知以及双向协同的智能保障能力。

1.1 网业协同定义

基于上述需求，网络业务协同策略的研究成为面向行业领域的5G网络关键问题之一。网业协同是指网络侧和业务侧可以实现跨层跨域的协商与沟通，使网络能力和业务模型及业务需求达到高度适配，从而保障业务运行效果。

网业协同包含两种模式，即“网随业动”和“业随网动”。“网随业动”是指通过业务感知等手段，在网络侧导入业务需求，根据业务需求而进行网络功能的优化调整，使网络能力适配业务需求，保障业务正常运行。如对业务的确定性保障，网络侧需要根据业务需求的SLA性能指标，保证业务性能，减少故障发生。“业随网动”是指在保证业务效果的前提下，业务侧与网络侧主动交互，通过沟通形成优化执行决策，调整自身业务模型等来适配网络能力，同样达到协同优化的保障效果。

1.2 网业协同流程机制

网业协同整体流程机制为一个闭环，按照实现逻辑可分为特征感知—智能决策—闭环监控—反馈评估4个步骤，如图1所示。

图1 网业协同闭环保障机制

1.2.1 特征感知

特征感知指网络和业务侧进行信息互通感知，分为对业务感知和网络感知。

1)业务感知是获取应用业务特征及SLA网络保障要求，作为网络初始输入。方式一，可提供业务到网络的意图输入接口配置相关网络要求参数；方式二，可基于AI引擎模块智能识别业务种类、业务流特征，进行感知分析，实现网络按需保障。

2)网络感知是通过开放接口开放网络带宽、资源、容量、RB占用等信息，实现业务对网络能力的感知，基于网络状态(如拥塞情况、可用带宽)等实现业务侧发包的协同和适配。

1.2.2 智能决策

一方面，网络侧基于业务感知分解业务需求以及所需网络资源，按需调整调度算法，生成参数调度策略。包括QoS调度选择(5QI)、调度参数调优(ARP、PRB、预调度、RB资源预留比例等)、功能导引(如启用CA、选频等)等触发网络资源编排和用户编排。

另一方面，业务侧基于网络状态的感知进行业务流优化，按需调整业务周期、码率、分辨率规格等实现业务跨层协同，保障业务层体验。

1.2.3 闭环监控

基于业务侧QoE体验收集和网络侧E2E时延、速率、丢包率等指标监控实现界面呈现，检查确认调度算法是否实现网络SLA保障达标，以及业务侧跨层协同是否保障业务体验顺畅或正常运行。

1.2.4 反馈评估

基于双侧指标监控提供保障效果校验和评估，分别向网络侧和业务侧互相实现正/负反馈，校验网络对业务的过保障/欠保障状态，以辅助算法迭代进入下一轮的保障优化，整体流程如图1所示。

在网随业动模式下，网络需具备闭环调度架构能力。在网络和业务部署后，网络侧首先要执行业务感知，而后进行智能分析，获取策略执行网络侧调整，实现闭环控制，从而实现网业协同。最后需要对整体网业协同进行效果检验。

在业随网动模式下，业务侧需在适配网络能力范围内做出相应调整。在网络和业务部署后，首先实现网络侧对业务侧进行能力上报，进行智能优化分析得出业务侧调整策略，然后通过业务模型适配调整实现整体的网业协同保障效果。

2 无线网络能力开放协同

为实现上述网业协同的闭环，首先需要网络与业务层的交互接口，实现网络能力对业务开放，以及业务对网络的需求配置以及信息感知。业界已有在无线侧引入无线智能控制平台的潜在部署方式，从而实现对网络能力的协同调度[5]。无线网络能力开放是实现网业协同的一个基础条件和重要手段。行业客户基于自身数据不出场、低时延等普遍诉求，需要业务的本地化部署，基于边缘计算的业务本地化部署网络架构如图2所示。

图2 基站提供一站式业务本地化部署网络架构

在此架构下，业务直接部署在基站上，形成云网业一体化基站，云网业一体化基站可新增到业务之间的能力开放接口，实现无线能力开放[6]。

2.1 无线能力开放架构

边缘计算能力开放总体架构如图3所示，在此架构下，原有UPF(User Plane Function，用户面功能)与MEP(MEC Platform，多接入边缘计算平台)之间能力开放接口MP2[7]，实现网络与业务之间的能力开放。遵循边缘计算能力开放流程与接口规范[8]，新增云网业一体化基站到MEP的能力开放网关之间的接口MP2-R，实现无线能力的对外开放，无线网天然贴近业务侧，评估多种无线能力可向边缘平台进行开放，丰富MEP平台能力，使MEP平台具备业务感知能力、智能优化能力等网业协同功能，最大化数据价值。

图3 边缘计算PaaS平台总体架构

2.2 MP2-R无线能力开放接口

定义MP2-R接口，实现无线能力开放，网络能力组件化，支持对外赋能。Mp2-R接口是边缘计算平台和云网业一体化基站之间的接口，用于实现无线网络能力对外开放，无线网络能力包括本地分流配置、定位信息、SLA无线状态信息开放等增强的网络服务能力，通过MEP上的一系列能力组件对特定无线数据进行加工处理，挖掘数据特征，实现更直观的网络感知，形成无线特色业务感知能力。

整体能力开放架构涉及三个环节两个接口，如图4所示，三个环节包括数据传输、业务感知和行业赋能；两个接口包括数据上报接口和能力开放接口MP2-R。

图4 能力开放架构

业务感知环节基于MP2-R接口支持鉴权能力、业务分流、DNS分流，以及定位、SLA无线状态信息开放等增强的网络服务能力开放，支持开放后续持续扩展的网络服务能力，为网业协同提供无线数据及无线能力的支撑。MP2-R接口支持开放的内容如下。

1)分流规则的配置能力开放：如对应应用或对应域名的分流规则配置。

2)定位服务的开放：如支持特定用户特定区域的位置查询、订阅和信息通知等。

3)SLA信息开放和需求配置服务：如园区级、切片级、业务级、用户级等不同维度的网络性能指标信息，以及测量信息查询、特定业务的SLA需求配置等。

3 典型场景与解决方案：基于PLC业务特征识别实现预调度自适应

典型的PLC类业务，有相对固定的PLC包大小和包周期。网业协同功能模块采取AI/ML的方式实现自动学习识别业务特征模型，获取相关特征参数，生成网络侧调度优化策略，如调整预调度周期、TBsize大小等相关参数进行灵活的自适应预调度，当PLC业务模型发生变化时，基于模型学习和预调度自适应更好地匹配业务来包特征，达到PLC业务时延优化的效果，精准匹配业务特征实现调度保障。

其中，业务特征感知获取的参数包括：包大小、包周期、包到达时间、业务流向。

在实现PLC的网业协同机制中，网络侧可通过无线能力开放MP2-R接口将监测到的网络SLA指标开放给业务侧进行智能分析，得出决策并根据业务侧需求进行反向网络控制优化，实现网业闭环协同。

4 方案测试与效果验证

针对业务特征感知实现预调度自适应典型网业协同场景，于浙江某医院开展网业协同SLA保障测试试点验证，如图5所示。

图5 测试验证拓扑

通过基站搭载网业协同功能模块，基于2.6GHz室分部署进行覆盖，移动推车搭载指令类业务终端，通过网线连接CPE接入医院5G室分，通过SPN传输将园区2B业务转发至基站，基站集成了本地分流模块以及网业协同功能模块，业务数据经防火墙内接医院的各业务服务器。

4.1 测试方案

先后通过两种方式实现业务特征获取进行网络侧预调度自适应保障。方式一：基于网业协同模块提供业务配置平台和门户实现业务特征和SLA要求的配置输入。方式二：基于AI实现业务模型学习自动获取业务特征实现无线自适应保障。业务模型通过业务模拟发包工具发起UDP业务，测试时通过调整业务的突发包长、包周期等业务特征，检验基站的预调度参数是否适配业务特征发生变化，同时记录对业务E2E时延带来的影响。

4.2 方式一测试步骤

1)登录网业协同模块的业务配置平台，进入配置界面。添加本地应用APP签约SLA性能指标参数和签约业务模型。业务模型动态学习预测配置关闭。基站侧网业协同自适应预调度功能开关开启。

2)SLA指标配置，时延300ms，时延可靠性99%，业务模型上行包长500Bytes，周期0.5ms。

3)使用终端发起签约业务模型的业务，实际报文上行包长500Bytes，周期100ms；查询SLA指标监控数据。

4.3 方式一测试结果

可以看到，在网业协同开关开启的状态下，获取业务SLA配置签约前RTT时延18.9ms，签约后RTT时延12.3ms，时延减少34.9%。查看终端侧授权和预调度情况如下：Grant size代销为512Bytes，每个上行slot都启动了预调度，周期为0.5ms，实际生效的预调度资源和周期与基站网业协同模块下发的一致，测试结果如图6、图7所示。

图6 方式一测试结果(一)

图7 方式一测试结果(二)

4.4 方式二测试步骤

1)在网业协同模块配置平台上配置应用APP为业务模型静态配置，根据业务初始特征配置业务模型中的上行包长310Bytes，周期5ms，配置网业协同保障开关为开启。

2)使用5G终端发起现场周期性突发类业务，实际业务上行包长310Bytes，周期5ms，通过网业协同监控屏幕上监控记录SLA时延指标、基站预调度周期等相关调度参数配置。

3)应用业务特征发生改变，调整包长/发送周期，UDP发包业务从310Bytes/5ms变为500Bytes/5ms。

4)再次记录时延、基站预调度参数是否发生自适应保障。

5)打开网业协同业务模型动态学习预测开关，再次记录观察SLA时延指标、基站预调度相关参数。

4.5 方式二测试结果

在步骤二中，开启网业协同保障开关前后，时延从19.0ms降低至14.5ms，时延降低23.7%，测试结果如图8、图9所示。

图8 方式二测试结果(一)

图9 方式二测试结果(二)

查看终端的预调度参数，预调度资源388Bytes，在每个帧里，第8和18个slot各调度一次，因此调度周期5ms。预调度授权和包大小与实际业务包大小按照网业协同调度策略实现了匹配，实现时延降低，测试结果如图10所示。

图10 方式二测试结果(三)

步骤三修改UDP发包模型后，观察到RTT时延变为17.2ms，此时是由于配置的业务模型包大小由310Bytes变为500Bytes，但尚未打开业务模型动态学习开关，因此此时的预调度授权资源大小不足500字节，剩余未调度的包会通过发送BSR请求上行资源，因此时延变大，测试结果如图11所示。

图11 方式二测试结果(四)

步骤五开启IPI动态学习后，观察到时延又降低到13.9ms。查看终端侧授权的调度资源大小已调整为512Bytes。因此可以看出，开启方式二的动态业务模型学习预测开关后，网业协同模块将变化了之后的业务学习并通知基站更新了预调度参数，能够在一次授权内实现数据包调度完全，实现了时延降低，测试结果如图12、图13所示。

图12 方式二测试结果(五)

图13 方式二测试结果(六)

4.6 测试结论

总体测试过程时延降低效果如表2和表3所示。

表2 基于业务模型配置的参数自适应

表3 基于业务模型学习的参数自适应

基于以上两种方式的业务感知实现无线预调度自适应保障，随业务特征的不同，网业协同功能打开后可带来23.7～34.9%的时延降低，明显提升了时延的确定性保障，实现了PLC业务正常有序运行和良好的业务保障。

5 总结

面向垂直行业的不同业务需求，需要网业协同技术的研究与实现提供业务性能保障，基于无线能力开放的网业协同机制是典型手段之一。以典型工业行业PLC业务场景为例，通过对业务和网络双向进行感知，同时通过无线能力开放将网络侧SLA监测指标开放给业务侧，进行智能分析，得出优化策略，可根据业务需求反向优化网络预调度参数配置，从而达到业务体验时延优化效果。测试验证在此场景下开启网业协同时延降低23.7%～34.9%，大大提升了业务的确定性保障能力，因此面向垂直行业的网业协同技术将进一步赋能行业企业，提高行业企业的业务能力和生产、管理效率，对垂直行业数智化转型意义深远。

后续，针对面向垂直行业的网业协同解决方案这一课题还有许多需要攻关的技术难题，比如如何进一步促进实现网业协同闭环机制，如何更好地进行网络感知与业务感知，优化智能分析算法，以及无线能力开放的内容与原则。为实现垂直行业更好的业务体验，未来需要各界共同进行新技术攻关及探索。