确定性网络面临的技术瓶颈需要在6G时代逐步探索

作者:中国移动研究院基础网络技术研究所刘鹏 李永竞 王丹 杜宗鹏 责任编辑:朱文凤 2021.11.29 12:56 来源:6G研究苑

通信世界网消息(CWW)网络的确定性技术起源于固定网络,最初用于以太网络中时间同步、流量调度整形和传输可靠性等方面。随着移动通信网络的发展,网络的确定性主要体现在网络质量可保障,包括有界时延、低抖动、高可靠性以及高精度的时间同步等特性。本文通过分析上述固网及移动网络确定性技术发展瓶颈,提出从巩固已有确定性能力、加强跨域融合、开展广域确定性研究这三个方面,推动确定性网络机制成熟,并在6G时代广泛使用。

确定性网络研究的驱动力

随着工业制造、车联网、智能电网业务的发展,移动网络已经从2G-4G以人为中心的消费互联网,逐步转向5G时代服务垂直行业的产业互联网。面向未来6G时代,移动通信网络从提供尽力而为的服务,需要逐步演进发展为提供覆盖确定、连接确定、时延确定和安全确定的质量可保障网络,并将逐渐成为垂直行业发展的技术基础和产业升级发展的动力。

从IEEE、IETF到3GPP,各标准组织对确定性传输有不同的定义,典型业务需求主要集中在有界的时延和低抖动,极高的可靠性,以及端到端高精度的时间同步等四个方面。

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确定性网络发展背景与研究现状

确定性的概念最初在IEEE提出并进行标准化,IEEE 802.1工作组于2007年创建了AVB音频视频桥接任务组,其目标是用以太网取代家庭中的HDMI、扬声器和同轴电缆。2012年,IEEE 802.1AVB任务组更名为TSN时间敏感网络任务组。TSN标准扩展了AVB的技术,成为新一代以太网协议。IEEE TSN工作组已发布13个基本协议,包括同步、可靠、时延和管理四个方面结合,保证数据传输的低时延、低抖动和极低的丢包率,实现确定性的网络传输。

2015年,IETF成立DetNet(Deterministic Networking)工作组,专注于在IP(3层)上实现确定传输路径,以此提供跨局域网的端到端网络的确定性时延。目前DetNet主要关注于单个网络域的场景,或者是紧密关联的网络之间的场景,不包括大规模的网络。DetNet工作组目前已经发布各项标准,包括问题陈述、用例研究和架构研究标准。DetNet也存在着一些局限性:目前只做了基于IP(3层)的可靠性保障机制,没有转发时延控制,且无法很好应用于大规模网络。

针对TSN和DetNet存在的问题,IETF正在进行大规模确定性网络技术DIP的研究。DIP基于确定性的报文调度和端到端时延保证机制,实现IP大网端到端时延确定性和大规模可扩展性。2018年IETF DetNet工作组已完成网络架构和工作流程等技术方案。

3GPP于2018年7月R16阶段开始Vertical LAN项目研究,其中面向工业制造场景开展了5G支持IEEE TSN协议的研究及标准化。3GPP R16为适配IEEE TSN协议,支持流量排定、时间同步、流量过滤、网络拓扑发现与资源预留5个最基本的协议。5G系统作为透明的TSN桥集成在TSN系统中,利用了URLLC的“保证比特速率承载”机制,通过TSN的网络参数包括周期性、流方向、流到达时间,来辅助无线资源预留。

3GPP在R17阶段的工业互联网项目中将进一步完善5G支持IEEE TSN协议,实现5G网络的内生确定性,支持5G系统作为时钟源同步全网其它节点以支持确定性传输,简化系统要求和配置流程,扩展应用场景,优化终端间路由并增强时钟同步。

确定性网络产业发展现状

5G确定性联盟于2019年6月由华为牵头成立,成员包括三大运营商以及国家电网、南方电网、央视、中日友好医院等在内的垂直行业。该组织的目的是:打造差异化加确定性的网络能力,合力打造面向5G的产业创新平台。目前该组织的合作主要围绕切片和边缘计算技术展开,随着R16标准成熟和设备发展,后续将启动基于5G+TSN技术的原型搭建,开展测试验证。

6G时代确定性技术展望

确定性网络被认为是6G网络的关键技术之一。IMT-2030网络技术工作组中专门成立了针对确定性网络研究的工作组子组。三星于7月14日发表的6G白皮书中也提到6G网络需要是高精度的网络,其延迟、抖动必须要是“确定性”的。当前确定性技术研究还面临着一些技术上的瓶颈需要在6G时代进行逐步探索和研究,主要体现在固定网络和移动网络两方面。

在固定网络方面:(1)TSN主要针对局域网络设计,在较大规模的场景中,可扩展性不好。在需求上,部分垂直行业的确定性需求指标还不明确。针对不同的确定性场景和需求,整体方案复杂,无法实现统一规范的实施方案来满足所有场景需求。(2)DetNet主要关注于TSN相关机制在三层网络中的应用,并且目前聚焦在规模有限的场景;底层的时延保障采用TSN相关的技术,因此也继承了TSN可扩展性不好的问题。(3)DIP针对大规模、长距离网络中的确定性技术,会涉及到对现有的TSN机制的增强和改进,但因为场景更为复杂,大规模网络中的流的数量太多,TSN的一些转发设备时间同步、逐流调度的假设无法成立。

在移动网络方面,其本身的特点和局限性使得确定性网络技术仍面临三大挑战:(1)移动网络空口与有线传输相比更易受环境和用户移动性的影响,传输质量更难保障。(2)移动网络的QoS本质是资源抢占,设置高优先级QoS仅提高了资源抢占的概率,无法保障稳定的业务体验。(3)网络质量跨层、实时的故障定位与修复能力需提升。

展望6G时代,真正的确定性网络将逐步成熟并实现广泛的应用。需要从确定性能力增强、固定和移动融合、广域确定性机制三个方面开展工作。

持续巩固——在局域场景下不断完善确定性技术

固定网络的确定性技术发展已接近10年,我们需将技术研究结合实践进行继续探索。探索高可靠性的时钟同步机制,以及在不同场景下时钟同步精度需求和使用条件的限制。进一步探索异步的流量整形技术,目前TSN机制大多依赖于时间同步,异步的低时延保障机制有利于更广泛的网络部署。建立一个确定性机制统一的YANG模型,包括相关机制的管理配置、监控等,有利于提升确定性机制的自动化。

移动网络方面,在6G网络阶段需实现内生确定性。移动网络逐节点的精确时间同步,实现底层设施、网元网关天然支持时间同步机制。在空口资源预留方面解决空口资源短缺问题。同时在6G的确定性网络研究中,可以引入网络可编程技术,选择更灵活的协议配置,实现协议的简化;此外,通过增加网络性能衡量维度来增强网络的QoS保障,从而细化网络的确定性粒度。

融合互通——实现固定和移动网络跨域融合的确定型网络 

6G时代是确定性网络广泛发展的时代,将从移动、固定网络独立发展的模式向着跨域融合发展的模式转变。移动网络需要吸收现有固网二层、三层确定性传输协议,实现与固网确定性机制融合,即协议支持、协同调度和部署融合。

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努力拓展——探索广域确定性网络机制

确定性网络由于技术的特性无法适用于大范围网络,因此探索广域确定性网络机制,构建全场景、跨层跨域的确定性网络是6G网络的长远目标。初期的大规模确定性网络中严格确定性流量的占比可能不高,存在着一些过渡方案,需要考虑特定场景的专用方案;其次要对跨层确定性机制进行研究突破移动网络的移动性与传统的IP转发规律等技术难点,实现端到端逐节点确定性传输;此外需要加强确定性跨域机制的研究,如探索跨域的精确时间同步机制,在更大的范围内减小时间同步精度漂移,同时能够融合多样化的确定性技术方案。

全场景、长距离确定性网络是一个很长时间内需要研究的课题,需持续结合业界技术发展趋势,攻克技术难点。



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