5G时代eMBB业务和toB业务对安全隔离、时延、抖动、丢包等指标提出了严苛的要求。5G网络需提供确定性联接能力，具体表现在以下4个方面。

一是安全隔离确定性。通过切片技术对网络资源进行物理隔离或逻辑隔离，并通过对接入用户的鉴权授权、数据存储和传输安全的可靠性保障等措施实现安全隔离。

二是时延和抖动确定性。5G时代业务除了对时延的要求，对抖动也提出了严苛要求。例如，电力行业差动保护业务要求端到端时延小于15ms，抖动小于0.5业务周期，业务周期则是800us。

三是带宽/速率确定性。相比点播视频业务对下行带宽的要求，直播、远程监控、工业视觉等业务对5G网络上行带宽提出了更高的要求。四是丢包率确定性。对于CloudVR、触觉互联网等对时延较为敏感的实时多媒体业务和智能制造等toB业务，重传机制无法满足其对时延的要求。因此，保障E2E丢包率也是5G确定性网络主要特征。

本文主要探讨目前业界认知较为薄弱的网络时延和抖动确定性问题，为5G时代网络建设和运营提供参考和帮助。

单设备超低时延下的资源消耗理论

笔者希望帮助读者直观理解，进入超低时延和抖动模式某门限之后，为保障时延SLA或抖动SLA，相对于异步统计复用模式，实时时延保证系统吞吐能力会大幅下降。

理论仿真结果显示，低时延SLA导致系统可承载吞吐量下降，等效单位流量资源消耗增加。当数据包的到达时延间隔分布为泊松分布时，高/中/低三档不同的时延SLA在不同的违约率水平下，转发低时延数据包与转发普通背景数据包的资源开销换算关系，如图1所示。

图1低时延数据包与一般数据包的处理开销对比

仿真结果显示，设备能承载的吞吐量随着时延SLA的降低而降低，时延小于某门限之后，进入超低时延区域。1‰的违约率下，系统吞吐量下降为满载的1/10，转发一个低时延数据包的开销相当于普通MBB数据包的10倍，若违约率设置为0.1‰，差距还将进一步扩大。

在真实网络情况中，输入话务模型较泊松分布复杂。在设备实现层面，真实系统处理较理论上的排队调度模型复杂。性能表现已经极大地依赖Cache、多核互联、总线、任务部署和调度等要素，这些实现要素会带来数据包处理耗时的不均匀性，从而引入额外的时延抖动。如果追求时延的可控性，需要在这些要素上进行设计调整。

在实际的网络系统中，通常低时延业务流的占比较低，即低时延数据包的到达间隔较为稀疏。在一定条件下，在系统中注入一定比例的背景类普通数据流，可以提升系统承载的有效吞吐量，从而降低综合成本。

5G确定性网络框架和综合技术方案

3GPP定义了5G网络与TSN网络无缝集成的网络架构，采用“黑盒方案”将端到端5G网络作为交换机与TSN网络集成，可支持802.1AS时钟同步、802.1Qbv调度等基本的TSN特性。配合空口物理层增强特性使能5G网络，为时延/抖动要求的toB业务提供确定性联接能力,如图2所示。

图2 5G网络与TSN网络集成架构

为满足端到端的时延与抖动，传统TSN系统定义了多交换机之间基于时钟同步的调度机制。通过该机制，传输路径上的交换机调度节拍一致，使不同类型的业务流在交换机出端口上的调度时隙隔离，避免冲突。该方案需要对5G网络进行全局改造，因此并不适用于5G网络。

5G网络支持TSN架构采用同步和异步相结合的调度方式支持确定性。同步调度是指5GS作为逻辑交换机与TSN系统的节点配合对业务数据流进行基于时隙的调度。异步调度是指在5G系统内采用异步的调度方式，即保障业务最大时延小于PDB即可。在5G系统内，5GC将eMBB业务和大规模部署的toB业务的5G系统内时延分解为空口时延和N3接口传输时延两部分。空口时延由空口低时延技术保障，而N3接口的传输时延可采用FlexE等异步统计复用技术保障。

这种调度机制能在TSN系统不改动的前提下，实现5G系统与TSN系统对接，同时还对5G系统的影响不大。考虑到该方案也需要端到端的时钟同步机制，因此该调度机制很难应用于大规模部署的网络。由于在UPF侧和UE侧对数据流按照时隙调度，因此带宽资源利用率低，对于非周期性业务流采用该方案会造成比较大的带宽资源浪费，所以该方案与周期性业务流更匹配。

值得注意的是，为了能达到确定性SLA需求，不能仅仅依赖多设备之间的协同调度，还对整个网络的部署和规划提出更高的要求。例如，在工厂车间的环境中，大量的金属部件会对5GNR的无线信道产生遮挡和反射等干扰，因此针对终端的部署位置和移动属性进行无线站点覆盖优化是非常有必要的。与此同时，5G网络的实时运行状态监测也是5G使能确定性网络的一项关键能力。

3GPPQoSMonitoring方案提供了端到端时延监测能力和告警能力，当5G网络质量不满足业务SLA需求时，5G网络可快速监测并向应用提供告警，应用可快速进行措施响应，避免产生重大经济和人身损失。

综上所述，5G网络提供确定性的传输能力不仅依赖于协同调度能力，还依赖于无线网络覆盖的规划，实现多维目标优化，达成确定性SLA保障。

5G的专业性为行业提供确定性联接具备独到优势

首先，在无线侧频谱干扰管理复杂度极高。在企业园区中存在公网和专网的混合覆盖，因此公网和专网的频谱协调管理是无法回避的问题。由于运营商部署了公网网络，因此虚拟专网模式选择运营商作为网络建设、规划、优化的主体，可由运营商解决公网和专网的覆盖冲突问题，避免行业直面这些问题。

其次，无线通信产业链培育成本极高。比如5G芯片的研发耗资巨大，需要规模市场来驱动终端产品价格下降，零散的单一行业不具备足够的市场体量，虚拟专网模式让行业可以借助运营商网络规模市场的成本优势，以更低成本获得5G服务；另外，行业/企业的应用对无线网络的KPI要求差异极大，虚拟专网基于运营商公网，通过网络切片等关键技术为行业快速提供5G网络服务，从而有效降低建网成本。

再次，运营商具备大规模电信级网络安全运营经验。可以根据行业需要提供定制化的安全加固，为行业提供电信级安全保障服务。

综上，从建网专业性、成本优势和安全保障等角度看，5G行业虚拟专网是5G为行业提供确定性联接的最佳方式。