Labs 导读
5G商用以来，全球运营商加速拓展垂直行业数字化的蓝海市场。行业数字化市场具有终端类型多元化、业务体验要求高、以及业务需求差异大等特点，因此在对业务进行精准保障的时候，需要针对每个业务流的QoS需求，提供个性化的保障措施，从而达到业务质量保障和网络资源高效利用的统一。
作者：张哲 王亭亭
单位：河北移动
在传统5G技术框架下，可以对具有相同QoS要求的业务流分配一个单独的业务质量标识符（5G QoS Identifier，简称5QI），系统能依据不同的5QI对业务做相应的保障处理。但是当5G应用到垂直行业后，传统的基于静态5QI进行差异化处理的方法遇到了新的挑战：
➪ 由于不同QoS保障需要的网络资源是不一样的，高QoS要求的业务保障通常会收取更高的费率，因此一个终端（SIM卡）能否被允许建立某种特定QoS业务，是运营商在放号开卡时就要确定，并与相应的SIM卡绑定。如果一个企业专网有多种业务，那么在开卡时就必须区别不同的SIM卡，每个SIM卡对应相应的业务终端，相互之间不能混淆，这种放号管理机制会为企业5G应用带来很多管理上的麻烦。
➪ 存在不少应用场景，多种类型的业务是通过单一5G终端设备（5G CPE）接入5G网络的。在这种情况下，通用的CPE不会对业务进行分类，而是把不同类型的业务数据混在同一个5QI管道中进行传送，从而使得网络静态地依据5QI进行差异化处理的这种方法失效；
基于以上情况，迫切需要一个解决方案，能在网络侧动态识别业务流类型并按需进行QoS流的快速拆分和建立，实现对业务流的精准保障，并免去SIM卡复杂的签约管理流程。为此，河北移动携手中兴通讯，率先推出5G RAN+CN跨域智能编排方案，并将该方案首先应用于沧州中心医院5G云桌面手写板业务。
2.1 主要功能
河北移动携手中兴通讯打造业界首个RAN+CN跨域智能编排方案，是业界首个基于5G基站内生智能引擎的端到端QoS精准保障方案，通过无线&核心网的协同智能实现差异化业务QoS的免签约极速闭环保障。基于5G基站中灵活插拔的NodeEngine计算单板/内生智能引擎、多层次智能业务特征学习、无线&核心网跨域自闭环的业务流（QoS Flow）拆分、基于业务特征及网络环境学习的差异化精准体验保障，一键式、零等待实现传统人工及局部自动化辅助手段下需要一周以上才能完成的业务QoS签约和体验按需保障，并以精准的智能资源分配突破传统过保障手段下的效率低下、容量不足及网络投资收益不佳的问题。RAN+CN跨域智能编排为沧州中心医院5G云桌面手写板低时延业务提供了一个低成本的极简保障方案，同时也为后续更加广泛的低时延场景应用跨出了坚实的一步。
2.2 设计理念
当前，行业数字化席卷全球，能源、工业制造、港口、交通等不同行业都在积极探索数字化转型。在数据传输环节，5G技术以其特有的移动性，高带宽，低时延，高可靠，广连接等优势，有望成为支撑行业应用的重要基础设施。但是垂直行业千差万别，对通信网络在时延、可靠性、速率等方面的能力需求也是多种多样的。以时延为例，远程控制、手写板业务等需要6-7ms以下的时延，而摄像头监控等业务时延可以放宽到100ms以上。所有QoS的保障措施都是以资源为代价的，QoS保障措施和业务流QoS要求必须匹配，否则会带来资源的浪费或者业务体验的不满足。因此，在行业应用场景必须针对每一个业务流提供精准的业务保障，业务流的识别和差异化处理是QoS保障的前提。
在传统的5G基于流（QoS flow）的QoS框架下，指示业务属性和传输要求的QoS属性和参数都是在核心网静态配置的，以保证用户发起业务时能获得相应的QoS保障。但是这种方式有着复杂的SIM卡签约流程，SIM卡-CPE-设备必须严格匹配，业务开通复杂度太高；而且当多个业务设备连接到同一个CPE时，不同的业务流共用一个QoS flow，难以区分业务。
河北移动和中兴通讯提出的RAN+CN跨域智能编排方案，通过在无线侧引入NodeEngine智能引擎，利用NodeEngine模块对网络业务进行动态识别；然后利用核心网的能力开放平台，协同核心网PCF模块，实现QoS流的动态拆分和建立；最后基于不同QoS流的差异化调度及参数配置策略，实现对低时延业务的精准保障，同时别的非时延敏感类业务也不会无谓消耗网络资源，从而保障网络资源的高效利用。
2.3 项目方案
跨域RAN+CN智能编排方案，提供基于5G基站内生智能引擎的端到端QoS精准保障，通过无线&核心网的协同智能实现差异化业务QoS的免签约极速闭环保障，填补了行业空白。方案主要包含四个部分：
a.低成本内生智能引擎NodeEngine；
b.多层次业务特征学习与识别；
c.端到端业务流QoS flow自动拆分与建立；
d.基于业务及网络感知的精准保障；
1️⃣ 低成本内生智能引擎NodeEngine
在5G基站中引入灵活插拔的NodeEngine智能引擎，低成本、低复杂度按需部署精准业务识别及端到端体验智能保障所需的智能化算力。NodeEngine的部署非常简单。对于已经部署的5G网络，只要在基带处理模块（BBU）内增加一块处理单板，一个小时就可以实现业务开通。
2️⃣ 多层次业务特征学习与识别
由于行业业务的多样性，在目前行业应用中，针对没有在核心网签约中明确配置的业务流，一般会使用默认5QI来建立逻辑链路。本方案在无线网络中引入NodeEngine智能引擎，基于深度学习的用户级业务组合特征、流级业务统计特征、数据包级达到特征，准确指导网络资源配置及体验优化。基于NodeEngine的业务动态识别具有较高的普适性，特别是专网部署初期，网络和业务之间尚处于磨合期。动态业务流识别对运营商和行业客户带来的主要收益包括：
支持针对每一种业务定制QoS保障策略，不再局限于3GPP定义的5QI。
QoS保障自动匹配到对应的业务流，这样签约发卡时，所有SIM卡都可以配置为默认5QI；业务部署时，可实现QoS保障与SIM卡、无线终端的解耦，大大降低运营商和行业客户的运维管理工作。
3️⃣ 端到端业务流QoS flow自动拆分与建立
利用NodeEngine智能引擎业务学习与识别后的结果，基于无线侧NodeEngine与核心网能力开放平台的自动化流程，完成QoS流的拆分和动态建立，将原来的缺省数据流拆分成缺省数据流和新的需要特别保障的专用业务数据流，从而为后面网络的差异化处理提供基础。
QoS流自动拆分和建立包括以下几个步骤：
① NodeEngine识别到有新的业务，向通信网络的能力开放平台发起新QoS数据流建立的请求；
② 能力开放平台向核心网的能力开放功能模块（SCEF/AAC/NEF）发起业务接入控制及鉴权的流程；
③ 能力开放模块首先与会话管理功能模块（SMF）通信，查询该用户的策略控制归属哪个PCF管辖；
④ 在获得相应的策略控制功能模块（PCF）的地址后，能力开放模块与该PCF通信，发送相应的QoS流拆分和建立请求；
⑤ PCF将相关的策略控制指令下发到基站和终端，于是原来两种业务混杂在一起的缺省数据流（default flow）被拆分成default数据流和专用数据流。
4️⃣ 基于业务及网络感知的精准保障
基于匹配业务及网络特征的智能用户导引、智能调度以及智能参数配置，以最少的网络资源满足不同业务的差异化体验需求，实现业务体验及网络资源效率的双优。以低时延业务保障为例，在低时延业务数据被成功拆分成一个单独的数据流之后，相应的低时延保障措施就可以作用在该数据流上。这些低时延保障措施，包括使用更小的业务服务周期（SR周期），保守的调制编码模式（MCS），以及基于优先级的调度等措施。一般地，系统会基于每种不同QoS特性数据流预设一组参数模板，业务一旦被精准识别后就可以动态匹配相应的模板。
在成功实施以上步骤后，5G网络可以在保障资源效率的前提下，实现对低时延业务的精准保障。考虑网络安全性和验证方便，项目组于2021年12月率先在实验室进行了验证。在业务没有拆分之前，缺省数据流（5QI=9）数据包的平均时延为18.12ms；在业务拆分之后，低时延的数据流（5QI=85）获得了8.93ms的平均时延，时延降低50%以上。
2022年5月，经过与多部门客户持续协调，项目组在河北移动5G现网完成了数据流的拆分和时延的验证。在验证中使用了缺省数据流（5QI=8）以及低时延保障数据流（5QI=82），在将低时延数据流从缺省数据流中拆分出来后，业务数据平均时延从原来的16ms降低到10ms左右。另外，在现网验证过程中，也体现了该方案对SIM签约放号流程的简化。
2.4 项目特色
本项目的主要创新点有如下四点：
在传统的5G QoS保障框架下，指示业务属性和传输要求的QoS属性和参数都是在核心网牵头下静态配置的。河北移动和中兴通讯提出的RAN+CN跨域智能编排方案，可以解决目前困扰垂直行业5G应用的两个关键痛点问题：
➪ 通过在网络侧实施数据流的动态精准识别，降低SIM卡签约流程的复杂度。在原有框架下，SIM卡与对应的业务数据流必须严格对应，SIM卡-CPE-设备必须严格匹配，业务开通复杂度很高；而在实施该项目后，所有SIM卡可以采用默认签约的方式，业务流在发起后在网络侧被自动识别。据估计，该项目可以大大简化业务的签约开通流程，从原来的周级定制业务签约+小时级业务开通，进化到小时级定制业务签约+零人工开通。
➪ 解决多个业务连接到同一个CPE时，目前通用的CPE难以实现对业务的区分，只能不同的业务流共用一个QoS flow的难题。通过QoS流的动态拆分和建立，把原来混在一起不同QoS要求的数据流拆分为一个个单独的数据流，然后针对性地应用QoS保障措施。
❖ 与该方案相关的专利有：
“一种基于业务模型识别的无线资源精准保障方法”，专利号2021-001060-cn。
“一种联合保障行业业务的方法和装置”，目前正在申请流程中。
RAN+CN跨域智能编排方案已经在河北移动5G商用网络上进行了成功验证。该方案不仅能提升沧州中心医院5G云桌面项目手写板业务体验，而且对于其他ToB项目，在简化签约管理流程，实现业务高效、精准、差异化保障方面，都有着普适的应用价值。
RAN+CN跨域联合编排方案在现网实施时非常简单。对于有联合编排需求的应用场景，只需要在基站侧增加一块NodeEngine智能处理板卡，并升级相关网元的软件即可。2022年5月，相关各方在河北移动现网对方案进行了验证。在没有启用该功能时，CPE上的所有业务都在一个缺省数据流（5QI=8）上发送，数据包的时延在16ms左右；启用该功能后，CPE上业务依据业务的需求拆分成两个数据流，缺省数据流（5QI=8）以及专用承载数据流（5QI=82），在专用数据流上承载的业务时延降低到10ms左右，极大提升了手写板类时延敏感类业务的体验。
河北移动和中兴通讯率先在沧州中心医院5G云桌面项目上试验了该方案。随着社会的多元化发展，云桌面办公已成为越来越多企业的选择。云桌面加强了用户桌面的安全性，通过集中管控快速安装部署提高了IT管理工作的效率，并且使得移动工作更加灵活。但是利用云桌面的一个先决条件是，云桌面与数据中心之间必须有良好的数据连接以保障用户的体验。从目前的实验看，现网的5G网络时延还无法满足云桌面终端手写板业务的体验要求。通过该项目的实施，5G网络可以以极简方式为相关的低时延业务提供保障，推动云桌面系统的进一步推广，为企业的数字化转型助力。
后续河北移动和中兴通讯将继续深化该方案在沧州中心医院5G云桌面项目的应用，同时为后续更多的行业业务拓展积累技术支撑和经验，为支持国家利用5G网络促进传统行业数字化转型的发展战略做出更大的贡献。
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