5G应用产业方阵:2021年5G行业终端切片研究报告(27页).pdf

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5G应用产业方阵:2021年5G行业终端切片研究报告(27页).pdf

1、 课题编号:课题编号:2021-01-C-001 5G 行业终端切片研究 Study on Network Slicing of Industrial Terminals in the 5G System 2021 年年 12 月月 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 研研 究究 报报 告告 要要 点点 5G 技术的广泛应用,推动了各行业生产效率的提升,助力企业数字化转型。无切片,不 ToB,网络切片技术的引入,能更好的为行业客户提供差异化的业务体验保障。终端作为端到端切片的重要一环,终端切片功能贯通上层应用、操作系统、Modem 三层,终端内部各层如

2、何协作,业界还未形成明确统一的理解和共识。本研究报告按行业对 5G 行业终端切片典型业务场景进行了研究,分析了这些场景下对 5G 的功能要求和性能要求。同时通过对 5G 行业终端支持网络切片关键技术的研究,进而提出了 5G 行业终端支持切片解决方案的建议。为后续产品实现提供了可参考的方案,能推动 5G 行业终端支持切片的产业发展,助力 5G 网络切片在行业的应用。研究单位:研究单位:鼎桥通信技术有限公司鼎桥通信技术有限公司、中国信息通信研究院中国信息通信研究院、厦门四信厦门四信通信科技有限公司通信科技有限公司、深圳市宏电技术股份有限公司深圳市宏电技术股份有限公司、紫光展锐(上海)紫光展锐(上海

3、)科技有限公司科技有限公司、浙江大华技术股份有限公司浙江大华技术股份有限公司、中讯邮电咨询设计院有中讯邮电咨询设计院有限公司限公司、中移(成都)信息通信科技有限公司中移(成都)信息通信科技有限公司、上海移远通信技术股上海移远通信技术股份有限公司份有限公司、中兴通讯股份有限公司中兴通讯股份有限公司、翱捷科技股份有限公司翱捷科技股份有限公司 研究人员:研究人员:杨小倩杨小倩、鲜柯鲜柯、杨坤杨坤、佟学俭佟学俭、杜斌杜斌、张天静张天静、严永金严永金、龚萧龚萧、邹新星邹新星、丁靖丁靖、张伟强张伟强、李丛蓉李丛蓉、张韶井张韶井、冯翔冯翔、孔胜淼孔胜淼、符符哲蔚哲蔚、刘霞刘霞、王运付王运付、姜元山姜元山、周

4、剑周剑、兰盾兰盾、邓玖根邓玖根、应义星应义星、王成王成钧钧、朱良正朱良正、梁爽梁爽、辛毅辛毅、李维成李维成、许祚华许祚华 完成日期:完成日期:2021 年年 12 月月 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 目目 录录 1 研究背景研究背景.1 2 参考文献参考文献.2 3 术语和缩略语术语和缩略语.3 3.1 术语术语.3 3.2 缩略语缩略语.4 4 5G 行业终端切片典型业务场景行业终端切片典型业务场景.5 4.1 智慧矿山类应用场景智慧矿山类应用场景.5 4.2 电力行业应用场景电力行业应用场景.6 4.2.1 差动保护应用场景差动保护应用场景.

5、6 4.2.2 配电自动化业务配电自动化业务.6 4.2.3 输电线路输电线路视频监控业务视频监控业务.7 4.3 智慧工厂应用场景智慧工厂应用场景.8 4.3.1 自动控制类型场景自动控制类型场景.8 4.3.2 透明工厂类型场景透明工厂类型场景.8 4.4 智慧医疗应用场景智慧医疗应用场景.9 4.4.1 应急救护车应急救护车.9 4.4.2 远程手术远程手术.9 4.5 智慧港口应用场景智慧港口应用场景.9 4.5.1 场吊桥吊远程控制场吊桥吊远程控制.9 4.5.2 集卡远程控制集卡远程控制.10 5 5G 行业终端支持行业终端支持网络切片关键技术要求网络切片关键技术要求.10 5.1

6、 终端切片系统总体架构终端切片系统总体架构.10 5.2 终端切片流程中的关键参数终端切片流程中的关键参数.11 5.2.1 NSSAI.11 5.2.2 URSP.15 5.3 5G 行业终端基本切片功能行业终端基本切片功能.17 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 5.3.1 终端切片参数管理终端切片参数管理.17 5.3.2 终端切片建立终端切片建立.17 5.3.3 终端切片维护终端切片维护.18 5.3.4 终端终端 URSP 匹配匹配.18 6 5G 行业终端切片解决方案行业终端切片解决方案.18 6.1 5G 行业终端支持切片解决方案行业

7、终端支持切片解决方案.18 6.1.1 总体框架总体框架.18 6.1.2 关键关键流程流程.20 6.2 5G 行业终端行业终端 URSP 匹配方案匹配方案.21 6.2.1 IP 三元组三元组.21 6.2.2 APP ID.22 6.2.3 DNN.22 6.2.4 其他方案其他方案.22 6.2.5 推荐匹配方式推荐匹配方式.23 6.3 典型案例典型案例.23 1 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 5G 行业终端切片研究行业终端切片研究 1 研究背景研究背景 3GPP最早在SA1的TR 22.864报告中提出了网络切片的需求,并在TR 23

8、.799报告中对网络切片方案进行了初步研究。在 R15 阶段,SA2 正式把网络切片的相关概念、方案写入了 TS 23.501 标准中。而 SA3 负责研究网络切片安全方面的问题,SA5 则进行了网络切片管理的研究以及网管设备的标准化。此外,RAN 对网络切片也进行了研究,并最终在 RAN 侧支持网络切片的功能,实现了端到端的网络切片。在 R16 阶段,针对已具备可使用基础能力的网络切片,标准进一步完善了切片鉴权、计费及自动化编排管理的能力,以更好的适配丰富的行业应用需求。同时,CCSA 作为中国 5G 标准制定工作的主导,也在积极跟进 5G 及网络切片等相关技术的研究和规范制定工作。考虑标准

9、一致性的巨大协同效应,CCSA中有关 5G 网络切片的内容,如 2018-1762T-YD“移动通信网网络切片管理技术要求”、2021-0140T-YD“5G 移动通信网 核心网网络切片增强技术要求(第一阶段)”,与 3GPP 保持基本一致。此外,为支持5G商用部署和垂直行业应用,CCSA还成立了特设项目组(SP2)5G 网络端到端切片。2020-0513T-YD“5G 网络切片 端到端总体技术要求”作为系列标准的总领,将规定 5G 网络切片端到端总体架构、5G 网络切片基本功能要求、各子域(终端/无线/传输/核心网/管理)功能要求、各子域间接口对接功能、协议要求以及切片基本安全能力要求、关键

10、的业务流程等,为系列中其它标准制定给出指导,为相关设备的研究、开发、部署提供技术指导依据。5G 网络切片端到端的相关研究也取得了一定成果,如 2020B83“5G 网络端到端切片标识研究”。而面向 5G 垂直行业应用的 5G 行业终端,与 5G 消费者终端相一致,都需要服从标准所规定的协议流程,并且从网络接收 URSP 的配置下发,但是从使用场景、业务标识获取、实现方案上却存在差异。从使用场景上,消费者终端采用安卓、IOS、鸿蒙等智能 OS,承载各种通用的 APP,不同的 APP 可能会使用不同的切片,而且这种要求尽量要对 APP 透明。5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-

11、C C-001001 而 5G 行业终端,多采用嵌入式 OS,承载业务相对单一,业务 APP 一般没有强烈的通用性要求,APP 有能力与操作系统或者 modem 做接口对接。从 TD 的获取上,消费者终端的 APP ID、IP 地址和域名等信息仅仅由 OS 获取,目前不支持向 Modem 传递;多种 DNN 也被抽象为网络能力,一般映射到三种 APN,分别是语音、短彩信与 Internet,被 OS 整合在一起,导致 Modem 没有办法按照 DNN 选择切片。而 5G 行业终端,依据行业规则,通常根据 IP 地址直接与 Modem 通信,根据 IP 地址选择切片,一方面业务 IP 比较单一,

12、好规划。一方面业务种类单一,直接用 DNN 关联 default APN,然后与配置的切片 ID 对应,就可以把承载业务映射到指定的切片承载中。从实现方案上看:消费者终端有两种方式,一种是 OS 为中心,Modem 将URSP 映射规则传递给 OS,由 OS 根据 TD 做出切片选择,通知 Modem 建立正确的切片承载;第二种方式以 Modem 为中心,OS 负责把 TD 传递到 Modem,由Modem按照URSP映射选择匹配地切片ID,从而建立切片承载。而5G行业终端,由于业务相对单一,以及接口定义简单,可以选择 DNN 或者 IP 地址的形式,通过 AT 指令集,由 Modem 根据

13、URSP 做出切片 ID 的选择,从而正确地建立承载。因此,相对消费者终端,5G 行业终端的切片实现相对简单,影响较小,产业链容易达成共识。研究 5G 行业终端支持切片的解决方案,给出参考设计方案,可以从端侧推动行业切片落地的成熟。2 参考文献参考文献 下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)不超过 3GPP R16 版本/2020 年 7 月的日期,适用于本文件。标准编号 标准名称 3GPP TS 23.501 System Architecture for the 5G System;S

14、tage 2 3GPP TS 23.502 Procedures for the 5G System(5GS);Stage 2 3GPP TS 23.503 Policy and charging control framework for the 5G System(5GS);Stage 2 3 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 3GPP TS 29.531 Network Slice Selection Services;Stage 3 3GPP TS 24.526 User Equipment(UE)policies for 5G System

15、(5GS);Stage 3 3GPP TS 22.261 Service requirements for the 5G system 3 术语和缩略语术语和缩略语 3.13.1 术语术语 3.1.1.3.1.1.网络切片网络切片 Network SliceNetwork Slice 提供特定网络能力和网络特征(如资源隔离、SLA 保障特性等)、为客户提供多种业务属性的逻辑网络。注:网络切片以 S-NSSAI 为标识。3.1.2.3.1.2.网络切片实例网络切片实例 Network Slice instanceNetwork Slice instance 网络切片对应的管理对象实例。3.1.3

16、.3.1.3.网络切片选择辅助信息网络切片选择辅助信息 Network Slice Selection Assistance InformationNetwork Slice Selection Assistance Information 用于辅助网络切片选择的信息。注:网络切片选择辅助信息是一组 S-NSSAI 的集合。5G 网络中的 NSSAI 可以是Configured NSSAI(配置的 NSSAI)、Requested NSSAI(请求的 NSSAI)、Allowed NSSAI(允许的 NSSAI)、Rejected S-NSSAI(拒绝的 S-NSSAI)、Pending NS

17、SAI(挂起的 NSSAI)等。3.1.4.3.1.4.单个网络切片选择辅助信息单个网络切片选择辅助信息 Single Network Slice Selection Assistance Single Network Slice Selection Assistance InformationInformation S-NSSAI 用来标识单个网络切片。S-NSSAI 由切片/服务类型(Slice/Service type,SST)和切片区分符号(Slice Differentiator,SD)组成。其中,SST 用于描述切片在特性和业务方面的特征;SD 可选用于区分具有相同 SST 特征的

18、不同网络切片。3.1.5.3.1.5.用户设备路径选择策略用户设备路径选择策略 UE Route Selection PolicyUE Route Selection Policy 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 URSP 用于将特定的业务数据流按需绑定到不同的 PDU 会话上进行传输,由于 PDU会话的属性参数中包含 S-NSSAI,因此可以使用 URSP 规则实现将特定的业务数据流绑定到不同的网络切片上的目的。3.3.1.6.1.6.流量描述符流量描述符 Traffic DescriptorTraffic Descriptor TD 是实现切片

19、服务多样化、定制化的关键属性,TD 为使用者提供了不同业务颗粒度,可根据多样化的业务需求,灵活选择合适的 TD。3.23.2 缩略语缩略语 下列缩略语适用于本文件。缩略语 中文解释 英文全称 AN 接入网 Access Network APN 接入点名 Access Point Name APP 应用程序 Application CN 核心网 Core Network CSMF 通信服务管理功能 Communication Service Management Function DNN 数据网络名称 Data Network Name D2D 设备到设备 Device-to-Device FQ

20、DN 全域名 Fully Qualified Domain Name NF 网络功能实体 Network Function NFVO 网络功能虚拟化编排器 Network Function Virtualization Orchestrator NSMF 网络切片管理功能 Network Slice Management Function NSSAI 网络切片选择辅助信息 Network Slice Selection Assistance Information NSSMF 网络切片子网管理功能 Network Slice Subnet Management Function OS 操作系统

21、 Operation System PCF 策略控制功能 Policy Control Function PDU 协议数据单元 Protocol Data Unit PLC 可编程控制器 Programmable logic Controller QoS 业务质量 Quality of Service 5 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 S-NSSAI 单个网络切片选择辅助信息 Single Network Slice Selection Assistance Information SD 切片区分符号 Slice Differentiator S

22、MF 会话管理功能 Session Management Function SSC 会话和业务连续性 Session and Service Continuity SST 切片/服务类型 Slice/Service Type TD 流量描述符 Traffic Descriptor UE 用户设备 User Equipment URSP 用户终端路由选择策略 UE Route Selection Policy 4 5G5G 行业终端行业终端切片典型业务场景切片典型业务场景 4.14.1 智慧矿山类应用场景智慧矿山类应用场景 当前采煤机数据传输主要采用光纤、动力线缆载波技术,使用过程中频繁发生线缆

23、折损造成数据中断;工作面液压支架上视频、传感器信号线缆过多,运行维护工作量较大,环境复杂,信号缺失情况时有发生;刮板输送机、转载机、破碎机的电机减速器安装有多个传感器,使用过程中三机驱动部位经常移动,而且该部位杂物较多,容易造成线缆破损,上述问题的出现,导致综采工作面监控系统无法常态可靠运行。通过在工作面、设备列车、皮带机头、泵站布置基站,选择性的在顺槽皮带、供电线路、供液管路关键节点布置基站进行现场 5G 信号覆盖。可实现用无线传感器、无线摄像仪省去部分信号线缆,借助 5G 网络的高带宽、高可靠性实现部分传感数据、机载高清视频信息的高速传输,同时作为有线传输网络的备用冗余通道,有效保证数据正

24、常传输。最终实现在顺槽监控中心,甚至地面调度中心,完成对采煤机液压支架、运输三机、泵站系统的远程监控。5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 4.24.2 电力行业应用场景电力行业应用场景 4.2.1 差动保护应用场景 通过采集电气量(电流、电压、功率、相角)、开关量数据,实现线路保护装置的快速可靠动作与智能联动控制。当前在开关房之间、开关房与变电站之间配置专用光纤通信通道来承载电流差动保护业务。通信需求见表 4-1。表表 4 4-1 1 配网差动保护对通信需求配网差动保护对通信需求 业务类型 交互数据 时延 带宽 安全隔离 连接数 数据类型 数据规格及要

25、求 控 制类 差 动 保 护 测量信息 DTU与DTU之间的差动保护业务,按 IEC61850-GOOSE 规约通信,属于二层通信,没有 IP 头部 15ms 2Mbps 安全生产区 10km半径 范 围内,接入终端5-10 个 遥信、遥测、遥控数据 采用 DL/T 634.5.104 规约 50ms 故 障 录 波 及动作事件 记 录 数 据 转 换 为GB/T 14598.24-2017(COMTRADE)格式输出 配网差动保护业务对时延、安全性要求高,采用 5G 网络高速率、低时延的网络特性,将故障隔离时间从数分钟缩短至几十毫秒,最大程度压减故障停电范围和时间,该场景是比较典型需要两类型

26、网络切片功能。4.2.2 配电自动化业务 采集配电网电气量(电流、电压)、开关量数据,接收配电自动化主站遥控命令,对配网开关进行遥控分合,实现配网故障定位-隔离-复电的闭环自愈,目前主要通过光纤、无线公网 2G/3G/4G 等通信方式进行数据通信。通信需求见表4-2。表表 4 4-2 2 配网自动化对通信需求配网自动化对通信需求 业务类型 交互数据 时延 带宽 安全隔离 连接数 数据类型 数据规格及要求 7 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 控 制类 遥信、遥测、遥控等数据 IEC60870-5-104 规约,基于TCP/IP 方式直传至业务主站 一

27、、二遥3s;三 遥 1s 20kbps 安全生产区 10km 半径范围内,接入终端 50-100 个 目前配电自动化业务主要采用 4G 通信模式,其基本功能可直接使用现有的5G 网络进行承载验证。5G 的高可靠、低时延、大连接特性可进一步丰富业务应用,提高业务安全性。4.2.3 输电线路视频监控业务 通过输电线路上部署的摄像头实现对架空输电线路本体、附属设施、线路通道等进行检查,摄像头与业务主站之间主要以 3G/4G 无线公网通信为主,少量采用 WiFi+光纤(以太网)的通信方式。通信需求见表 4-5。表表 4 4-5 5 输电线路视频监控通信需求输电线路视频监控通信需求 业 务类型 交互数据

28、 时延 带宽 安全隔离 连接数 数据类型 数据规格及要求 感 知类 监测量数据 每数据帧长度4k,采集间隔出厂配置为 20 分钟 200ms 420Mbps 管理信息大区 集中在局部区域5-10个 图像数据 采用 JPEG 格式,分辨率从320240 至 1920 x1080 视频数据 支持 H.264 视频压缩标准,130 万像素 输电线路视频监控业务对带宽要求较高,5G 的大带宽特性可满足此类业务需求。其基本功能可直接使用现有的 5G 网络进行承载验证。5G 的高速率(超级上行)、低时延的特点,可以把现场高清视频流回传到局方机房,如果有发现异常可进行实时的进行控制(切断某一段输电线路)。5

29、G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 4.34.3 智慧工厂应用场景智慧工厂应用场景 4.3.1 自动控制类型场景 自动控制是制造工厂中最基础的应用,核心是闭环控制系统。在该系统的控制周期内每个传感器进行连续测量,测量数据传输给控制器以设定执行器。典型的闭环控制过程周期低至 ms 级别,所以系统通信的时延需要达到 ms 级别甚至更低才能保证控制系统实现精确控 制,同时对可靠性也有极高的要求。在规模生产的工厂中,大量生产环节都用到自动控制过程,所以将有高密度海量的控制器、传感器、执行器需要通过无线网络进行连接。闭环控制系统不同应用中传感器数量、控制周期的时延

30、要求、带宽要求都有差异。5G 切片网络可提供极低时延长、高可靠,海量连接的网络,使得闭环控制应用通过无线网络连接成为可能。其中,5G 下行峰值速率 20Gbps。同时 5G 网络时延低至 1ms,强大的网络能力能够极大满足云化机器人对时延和可靠性的挑战,实现高精度时间同步。工业实时控制分为两个部分:设备自主控制和远程实时控制。其中,设备自主控制主要体现在端到端的通讯。4.3.2 透明工厂类型场景 在智能工厂生产的环节中涉及到物流、上料、仓储等方案判断和决策,生产数据的采集和车间工况、环境的监测愈发重要,能为生产的决策、调度、运维提供可靠的依据。5G 技术能够为智能工厂提供全云化网络平台。精密传

31、感技术作用于不计其数的传感器,在极短时间内进行信息状态上报,大量工业级数据通过 5G 网络收集,庞大的数据库开始形成,工业机器人结合云计算的超级计算能力进行自主学习和精确判断,给出最佳解决方案,真正实现可视化的全透明工厂。在一些特定场景下,借助 5G 下的 D2D 技术,物体与物体之间直接通信,进一步降低了业务端到端的时延,在网络负荷实现分流的同时,反应更为敏捷。生产制造各环节的时间变得更短,解决方案更快更优,生产制造效率得以大幅度提高。利用 5G 技术监控整个生产工程,对生产过程中可能出现的伤害行为通过智能算法进行预判,给出安全预警,将使整个生产过程都在管理范围内,更加安全、有 9 5G 应

32、用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 效。4.44.4 智慧医疗应用场景智慧医疗应用场景 4.4.1 应急救护车 应急救援是指急救人员、救护车、应急指挥中心和医院之间通过相互沟通协作开展的医疗急救服务。在疾病急救和自然灾害救援现场,医疗人员需要紧急进行患者伤情检查,并将检查结果传输到应急指挥中心和医院,同时针对疑难病情患者,通过移动终端由医院进 行远程救治指导。在急救车转运途中,医疗人员可通过移动终端调阅患者电子病历信息,通过车载移动医疗装备持续监护患者生命体征,并通过车载摄像头与远端专家会诊病情协同诊断治疗。应急救援现场和救护车移动途中,均为室外环境,需要广域

33、覆盖的网络。另外,医疗信息传输的安全性和可靠性需要做专门保障。4.4.2 远程手术 基于 5G 网络高带宽、低延时的特性,远程手术直播打破了诸如手术卫生、手术安全、手术空间等限制,极大限度的展现真实的手术场景,大大提高了医院教学效率。通过手术影像直播及影像信息化技术,为医护人员提供更加便捷的学习渠道,为医院培养人才,从而更好的服务社会、服务病人。手术室设备多,线缆乱,影响医护人员手术操作活动,且地板上的网线有绊倒医护人员的风险造成安全隐患,所以手术室对无线通信需求强烈,要求覆盖良好。4.54.5 智慧港口应用场景智慧港口应用场景 4.5.1 场吊桥吊远程控制 集装箱码头中,场吊、桥吊是使用最为

34、广泛的两种龙门吊。龙门吊高度约 30米,司机室在龙门吊顶部。目前港口对龙门吊远程控制改造需求迫切。传统龙门司机是特殊工种,在 30 米高的司机室操作,作业条件艰苦,现场操作容易疲 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 劳有安全隐患。港口为保证 24 小时作业,每台龙门吊配备三名司机轮换,一个码头通常需要上百名龙门吊司机,对司机人力需求高。远程控制改造后,龙门吊上安装摄像头和 PLC,司机改在中控室观看多路实时视频进行操作,完成龙门吊所有动作如吊车吊具精准移动、抓举集装箱等。龙门吊实现远程控制,可大幅度降低人力成本,同时可改善工作环境,降低对司机的要求,提

35、升作业安全性。单台龙门吊远程控制一般需要回传 516 路监控视频,1080P 分辨率下对带宽需求约 30Mbps,同时中控室与龙门吊的 PLC 通信对网络时延要求在 30 毫秒以内。5G的大带宽低时延可实现龙门吊远程控制场景中监控视频回传,PLC 可靠通信,大幅度降低龙门吊远程控制改造成本和改造门槛。4.5.2 集卡远程控制 随着港口自动化的发展,AGV 集卡向 IGV 集卡的演进也是一个明显趋势,未来自动驾驶集卡上也将具有远程控制能力,当自动驾驶集卡在作业场中出现故障,操作人员可通过摄像头查看周边环境、进行故障判断,并可远程操作自动集卡退出故障区。AGV/IGV 远程控制至少需要 4 路摄像

36、头,5G 有望为这类应用提供更好的网络支持。例如,当 AGV/IGV 在操作现场出现故障时,远程操作员需要根据收集的信息对 AGV/IGV 周围环境进行学习,识别故障,并远程操控AGV/IGV,使其走出目标区域。目前上海洋山港四期的 AGV 集卡已开始加装监控摄像头,对行车故障进行判断并协调远程操作,双向网络延时50ms。5 5 5G5G 行行业终端支持网络切片关键技术要求业终端支持网络切片关键技术要求 5.15.1 终端切片系统总体架构终端切片系统总体架构 5G 端到端终端切片架构如下图所示,不同的网络切片实例 NSI 包含了属于接入网和核心网的功能实体 NF,以及与这些 NF 之间互连相关

37、的所有信息。服务提供商通过使用不同的 NSI 提供不同的通信服务,而终端可以同时使用多个 NSI,例如 UE2 同时使用 NSI C 和 NSI B。11 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 终端切片业务流程由终端进行发起,终端负责切片参数的管理、切片的建立/维护,以及 URSP 匹配等功能。5.25.2 终端切片流程中的关键参数终端切片流程中的关键参数 5.2.1 NSSAI NSSAI(Network Slice Selection Assistance Information)是协议中比较常见的和切片有关的概念,NSSAI 可以理解为终端侧切片的

38、表示形式,NSSAI 的结构如下所示:接入网 核心网 通信服务 AN NF 1 CN NF 2 CN NF 1 AN NF 2 CN NF 3 NSI A NSI B NSI C Service 1 Service 2 Service 3 UE 1 UE 2 终 端 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 NSSAI 由一组 S-NSSAI value(s)组成,一个 S-NSSAI value 代表一个切片(见3.1.2 节),因此 NSSAI 表示的是一组切片的集合,目前规范定义了以下 NSSAI 参数类型:Default Configured NSS

39、AI Configured NSSAI Requested NSSAI Allowed NSSAI Rejected NSSAI 此外在网络侧的用户数据库中,还记录了用户签约的 S-NSSAI 及其关联信息,该 S-NSSAI 被称作 Subscribed S-NSSAI。UE 在 Registration request 消息中可以携带 Requested NSSAI,来显式指定想要注册的网络切片:13 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 在以下 3 个场景,Registration request 中要携带 Requested NSSAI:1)UE

40、 保存有当前注册网络的 Configured NSSAI;2)UE 保存有当前注册网络的 Allowed NSSAI;3)UE 既没有当前网络的 Configured NSSAI,也没有 Allowed NSSAI,但是本身有配置和网络无关的 NSSAI。Registration accept 中网络可以下发 Allowed NSSAI、Configured NSSAI 和Rejected NSSAI:在以下 2 个场景,Registration accept 中要包含 Allowed NSSAI:5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 1)Registr

41、ation request 中携带了 Requested NSSAI,且其中有 S-NSSAI 是允许注册的,或者 2)Registration request 没有携带 Requested NSSAI,或者 Requested NSSAI 中没有 S-NSSAI 是允许的,但是存在默认签约的 NSSAI。Allowed NSSAI 中要将允许注册的 S-NSSAI 发给 UE,Allowed NSSAI 区分3GPP 和 Non-3GPP 单独保存。如果 Registration request 中携带了 Requested NSSAI,但是部分 S-NSSAI 是不允许注册,或者当前区域内

42、是不允许注册的,那么 Registration accept 中可以携带Rejected NSSAI,将不允许注册的 S-NSSAI 通知给 UE。Registration accept 中 Configured NSSAI 是可选的,将该网络的 Configured NSSAI 发给 UE。Configuration update 是 5G 下新增的一个过程,Configuration update command用来支持网络更新 UE 的信息,其中包括 Allowed NSSAI、Configured NSSAI 和Rejected NSSAI 以及 Network slicing ind

43、ication 的信息:Allowed NSSAI 用来通知 UE 新的 Allowed NSSAI。Configured NSSAI 用来通知 UE 新的 Configured NSSAI。Rejected NSSAI用来通知UE原来的Allowed NSSAI中的S-NSSAI(s)不再允 15 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 许注册了。网络切片在使用的时候,是和 PDU Session 关联在一起的。在 PDU Session建立的时候,会通过 UL NAS Transport 消息携带 PDU session establishment r

44、equest,此时会携带 S-NSSAI 信息表明要使用哪个切片:5.2.2 URSP URSP 是对终端进行切片配置与管理的核心规则。在切片业务流程中作用于终端,用于指导终端根据业务特征将业务数据承载到相应的切片上,终端根据网络侧下发的策略,为应用/业务选择匹配的切片,3GPP 规范定义了 URSP 用于描述来自业务应用的业务流与切片的关联关系。Information name Description Category PCF permitted to modify in a UE context Scope Rule Precedence Determines the order the

45、URSP rule is enforced in the UE.Mandatory Yes UE context 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 Traffic descriptor This part defines the Traffic descriptor components for the URSP rule.Mandatory Yes UE context Application descriptors It consists of OSId and OSAppId(s).Optional Yes UE context IP desc

46、riptors Destination IP 3 tuple(s)(IP address or IPv6 network prefix,port number,protocol ID of the protocol above IP).Optional Yes UE context Domain descriptors Destination FQDN(s)Optional Yes UE context Non-IP descriptors Descriptor(s)for destination information of non-IP traffic Optional Yes UE co

47、ntext DNN This is matched against the DNN information provided by the application.Optional Yes UE context Connection Capabilities This is matched against the information provided by a UE application when it requests a network connection with certain capabilities.Optional Yes UE context List of Route

48、 Selection Descriptors A list of Route Selection Descriptors.The components of a Route Selection Descriptor are described in table 6.6.2.1-3.Mandatory Yes UE context 其中,路由选择描述用于描述与业务流描述相符合的业务流所使用的切片S-NSSAI 及其它通信路由特征。Information name Description Category PCF permitted to modify in URSP Scope Route Se

49、lection Descriptor Precedence Determines the order in which the Route Selection Descriptors are to be applied.Mandatory Yes UE context Route selection components This part defines the route selection components Mandatory Yes UE context SSC Mode Selection One single value of SSC mode.Optional Yes UE

50、context Network Slice Either a single value or a list of values of Optional Yes UE 17 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 Selection S-NSSAI(s).context DNN Selection Either a single value or a list of values of DNN(s).Optional Yes UE context PDU Session Type Selection One single value of PDU Sessi

51、on Type Optional Yes UE context Non-Seamless Offload indication Indicates if the traffic of the matching application is to be offloaded to non-3GPP access outside of a PDU Session.Optional Yes UE context Access Type preference Indicates the preferred Access Type(3GPP or non-3GPP)when the UE establis

52、hes a PDU Session for the matching application.Optional Yes UE context 5.35.3 5G5G 行业终端基本切片功能行业终端基本切片功能 5.3.1 终端切片参数管理 终端需要管理切片相关参数,包括 NSSAI 和 URSP 信息,终端为业务建立切片 PDU 会话前,需要通过注册消息获取切片相关参数。关于 NSSAI,网络通过 Registration accept 消息下发 Allowed NSSAI、Configured NSSAI 和 Rejected NSSAI,或通过 Configuration update co

53、mmand 消息对 Allowed NSSAI、Configured NSSAI 和 Rejected NSSAI 更新,终端需要接收上述消息并将 NSSAI 信息保存或更新到本地。对于 URSP,网络通过 MANAGE UE POLICY COMMAND 消息下发或更新URSP 配置信息,终端接收上述消息并将 URSP 信息保存会更新到本地。5.3.2 终端切片建立 当终端业务数据需要无线切片网络进行传输时,终端需要建立基于切片的PDU 会话,在建立 PDU 会话的过程中携带相关的 S-NSSAI 信息,以请求网络选择对应的切片,为网络应用业务提供相应的切片服务,其中 S-NSSAI 信息可

54、以通过 URSP 获取,也可通过终端或网络侧指定某个特定的 S-NSSAI,并且 S-NSSAI 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 需要满足网络侧下发的 Allowed NSSAI、Configured NSSAI 和 Rejected NSSAI 的要求。如果网络不支持 URSP,或者暂时还没下发 URSP,应用使用缺省 DNN 不带切片参数发起 PDU 会话建立,作为默认 PDU 会话来支持基本的数据业务。5.3.3 终端切片维护 当网络侧切片信息更新后,终端会将更新后的 NSSAI 和 URSP 信息保存在本地,终端需要判断当前切片 PDU 会

55、话是否需要删除和重新建立。当终端收到 NSSAI 信息更新后,需要判断当前已建立的切片 PDU 会话对应的 NSSAI 是否在更新后 Allowed NSSAI 或 Configured NSSAI 中,若不在则需要断开当前 PDU 会话,并重新选择其他 NSSAI 建立切片 PDU 会话。当终端收到 URSP 信息更新后,需要判断已建立的切片 PDU 会话对应的NSSAI 是否存在更新后的 URSP 信息中,若不存在需要断开当前 PDU 会话,并重新基于更新后的 URSP 信息建立切片 PDU 会话。5.3.4 终端 URSP 匹配 终端接收到 URSP 信息后,需要根据 Traffic D

56、escriptor 去匹配 URSP 以及路由选择,匹配成功后,终端发起新的切片 PDU 会话建立,并且把匹配的业务流绑定在对应的切片上,Traffic Descriptor 可以为 IP 三元组、APP ID、DNN、FQDN等。6 6 5G5G 行业终端行业终端切片解决方案切片解决方案 6.16.1 5G5G 行业终端支持切片解决方案行业终端支持切片解决方案 6.1.1 总体框架 集成 5G 通信模组的终端,实现基于 URSP 的切片匹配方案总体实现框架如下:19 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 控制接口数据接口终端上位机5G通信模组路由模块U

57、RSP模块拨号模块数据模块应用数据配置模块拨号模块运维模块驱动模块 终端主要由上位机和 5G 通信模组组成,上位机和 5G 通信模组通过控制接口和数据接口进行交互 1、上位机:主要负责切片应用配置管理,以及应用数据路由管理 1)配置模块:主要负责终端切片 URSP 相关参数配置,并通过控制接口将参数配置给 5G 通信模组 2)路由模块:负责将终端应用层数据映射到对应的切片数据通路接口,将应用数据转发到对应的切片管道上 3)拨号模块:主要负责根据用户不同的参数配置,进行对应切片网络的拨号发起及挂断,对拨号过程中的异常情况,进行恢复及处理 4)运维模块:主要负责对模组及网络的状态查询或获取,对切片

58、状态进行维护及异常处理。对路由模块的切片数据进行统计及跟踪 5)驱动模块:主要实现在切片网络应用基于多网络接口,每个切片对应一路切片拨号及一路网络接口,以满足切片网络的独立的 IP 分配 2、5G 通信模组:主要负责 URSP、拨号连接和数据通路处理 1)URSP 模块:包括 URSP 的接收、更新和删除,以及基于上位机下发的Traffic descriptor 参数和从网络侧接收的 URSP 规则进行切片选择 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 2)拨号模块:根据上位机拨号请求,与网络侧(基站、核心网)建立 PDU 会话,建立基于指定切片的数据管道

59、3)数据模块:给上位机提供指定切片管道数据接口,并将应用数据映射到空口的 PDU 会话 6.1.2 关键流程 集成5G通信模组的终端,实现基于URSP的切片匹配方案的关键流程如下:5G通信模组上位机配置Traffic descriptor参数将Traffic descriptor参数发射给模组URSP模块从网络侧接收URSP规则根据Traffic descriptor参数匹配URSP规则根据已选择切片ID与网络侧建立PDU会话,并生成对应切片数据接口通知上位机切片建立完成,并将对应切片数据接口提供给上位机通知路由模块将目标应用数据映射到对应的切片数据接口将URSP匹配结果返回上位机根据匹配结果

60、选择切片ID携带切片ID发通知模组发起PDU会话建立对切片状态进行维护及异常处理。对路由模块的切片数据进行统计及跟踪 1)终端开机入网后,5G通信模组从网络侧接收URSP规则参数;2)上位机配置模块根据用户要求配置Traffic descriptor参数,并发送给5G通信模组URSP配置模块;21 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 3)5G通信模组根据上位机Traffic descriptor配置参数,基于已从网络侧接收的URSP规则,匹配对应的网络切片,并将匹配结果返回给上位机;4)上位机根据匹配结果选择目标切片,并携带切片ID通知模组发起PDU会

61、话建立;5)切片的PDU会话建立完成后,模组生成对应的切片数据接口,并通知上位机切片建立完成,同时将对应切片数据接口提供给上位机;6)上位机将接收的数据接口发送给内部路由模块,路由模块将对应的应用数据接口映射到模组切片数据接口上;7)上位机对切片状态进行维护及异常处理,并对路由模块的切片数据进行统计及跟踪。注:上述流程为单路切片时的处理流程,若单终端下有多路切片,需上位机分别通过配置Traffic descriptor参数触发上述流程,建立多路切片。6.26.2 5G5G 行业终端行业终端 U URSPRSP 匹配方案匹配方案 6.2.1 IP 三元组 IP 三元组包括目的 IP、端口和 IP

62、 类型,终端可以通过预设的方式确定该应用 IP 三元组信息,也可以通过解析应用业务数据包确定 IP 三元组信息,IP 三元组信息确定后,根据三元组信息去匹配 URSP 规则,若匹配到对应的切片,则绑定该规则中对应的切片标识 S-NSSAI,并检查该 S-NSSAI 是否存在 Allowed NSSAI 或 Configured NSSAI 中,若存在则根据该 S-NSSAI 去建立 PDU 会话,否则继续匹配其他 URSP 规则选择切片,若最终 URSP 中有没有匹配到对应的切片,终端就会为该应用分配一个缺省切片 S-NSSAI 并建立 PDU 会话,通过三元组信息成功建立 PDU 会话后,终

63、端需要通过路由模块建立该业务与该 PDU 会话的映射,即该业务的数据包需要路由到该 PDU 会话,从而保证该业务数据承载对应的切片上。5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 6.2.2 APP ID Application ID 是终端应用的身份标识,即业务应用的名称,当终端使用某个应用时,获取该应用的 APP ID,再根据该 APP ID 去匹配 URSP 规则,若匹配到对应的切片,则绑定该规则中对应的切片标识 S-NSSAI,并检查该 S-NSSAI是否存在 Allowed NSSAI 或 Configured NSSAI 中,若存在则根据该 S-NS

64、SAI 去建立 PDU 会话,否则继续匹配其他 URSP 规则选择切片,若最终 URSP 中有没有匹配到对应的切片,终端就会为该应用分配一个缺省切片 S-NSSAI 并建立PDU 会话,通过 APP ID 成功建立 PDU 会话后,终端需要通过路由模块建立该APP ID 对应业务与该 PDU 会话的映射,即该 APP IP 应用业务的数据包需要路由到该 PDU 会话,从而保证该业务数据承载对应的切片上。6.2.3 DNN DNN 是终端应用所使用的数据网络网关名称,终端可通过预设的方式设置某业务的 DNN 属性,再通过该 DNN 去匹配 URSP 规则,若匹配到对应的切片,则绑定该规则中对应的

65、切片标识 S-NSSAI,并检查该 S-NSSAI 是否存在 Allowed NSSAI 或 Configured NSSAI 中,若存在则根据该 S-NSSAI 去建立 PDU 会话,否则继续匹配其他 URSP 规则选择切片,若最终 URSP 中有没有匹配到对应的切片,终端就会为该应用分配一个缺省切片 S-NSSAI 并建立 PDU 会话,通过 DNN 成功建立 PDU 会话后,终端需要通过路由模块建立该 DNN 对应业务与该 PDU 会话的映射,即该 DNN 应用业务的数据包需要路由到该 PDU 会话,从而保证该业务数据承载对应的切片上。6.2.4 其他方案 除了 IP 三元组、APP I

66、D、DNN 三种方式以外,还有 FQDN,目标 MAC 地址等匹配方式,但行业终端使用较少,目前未识别典型应用,本研究报告暂不展开。23 5G 应用产业方阵研究报告 20212021-0101-C C-001001 6.2.5 推荐匹配方式 目前 5G 行业应用主要应用以 IP 报文为主,行业数据的目标 IP 地址较为固定,并与不同行业场景有关,且行业终端的 IP 三元组信息较容易获取,因此建议推荐的 URSP 匹配方式为 IP 三元组。6.36.3 典型案例典型案例 如港口龙门吊远程控制业务,单个行业终端同时下挂了视频摄像头和 PLC 设备,港口工人通过上述设备远程操作码头龙门吊装卸集装箱。视频摄像头将集装箱装卸视频图像回传到后台港口工人的大屏幕上,港口工人通过 PLC 设备控制龙门吊装卸集装箱。针对该场景,视频和 PLC 远控两类业务后台服务器不同,5G 行业终端可通过 IP 三元组区分两类业务,并根据 IP 三元组分别为视频业务建立切片 1(视频切片),为 PLC 远控业务建立切片 2(PLC 控制切片)。从而在一张网络内,为不同的终端上承载的不同业务实现差异化的业务体验。

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