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關(guān)鍵詞:5G；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)；網(wǎng)絡(luò)切片；基于服務(wù)的架構(gòu)；移動(dòng)邊緣計(jì)算(MEC)
8摘要:5G采用面向服務(wù)的架構(gòu)概念，取代互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)效率的優(yōu)先原則，以滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能城市的高可靠性和低延遲等要求。另一方面，為了適應(yīng)未來業(yè)務(wù)的不確定性，5G不同于傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)的封閉性，它具有服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開放性。盡管5G試圖兼具互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，但它的實(shí)現(xiàn)仍然面臨許多挑戰(zhàn)。本文討論了5G網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)提供的10個(gè)主要問題。SDNNFV；網(wǎng)絡(luò)切片；小型企業(yè)管理局；MEC從2019年開始5G的商業(yè)應(yīng)用除了中國，其他已經(jīng)開始5G業(yè)務(wù)的國家的運(yùn)營商已經(jīng)開始基于非獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)(NSA)，即使用4G核心網(wǎng)絡(luò)，只增加5G基站。5G終端因此可以獲得比4G更高的寬帶能力中國決定在2020年通過獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)直接建立5G核心網(wǎng)絡(luò)[1]服務(wù)協(xié)議可以提供國家安全局沒有的高可靠性、低延遲、寬覆蓋范圍和大連接性，并且在增強(qiáng)移動(dòng)寬帶能力方面也比國家安全局更有效。因此，可以說2020年是5G真正的第一年為了滿足多業(yè)務(wù)、低延遲和高可靠性的要求，5G核心網(wǎng)與4G相比，采用基于服務(wù)的架構(gòu)(SBA)[2]，從而實(shí)現(xiàn)了服務(wù)開放和切片、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)[3)、邊際計(jì)算能力、協(xié)議互聯(lián)等特點(diǎn)。從50年前互聯(lián)網(wǎng)誕生至今，傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)互連協(xié)議(TCP/IP)等互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議都是基于無連接模式逐包轉(zhuǎn)發(fā)的。然而，5G核心網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在是面向連接的模式，第3層的IP數(shù)據(jù)包不再是唯一的轉(zhuǎn)發(fā)單元。如上所述，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型是互聯(lián)網(wǎng)誕生以來前所未有的，5G大規(guī)模應(yīng)用將面臨許多挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能。
(1)5G將大規(guī)模使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN實(shí)現(xiàn)傳輸和控制的分離，使用網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)集中管理網(wǎng)絡(luò)，基于大數(shù)據(jù)和人工智能計(jì)算每個(gè)流量流的端到端路由，將路由信息嵌入源節(jié)點(diǎn)IPv6擴(kuò)展報(bào)頭的標(biāo)簽棧，并沿路徑傳輸?shù)矫總€(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)源路由(SRv6)[4]中間節(jié)點(diǎn)只需轉(zhuǎn)發(fā)而無需路由，這減少或節(jié)省了排隊(duì)時(shí)間，并確保了面向連接模式下的低延遲轉(zhuǎn)發(fā)
盡管我們希望能夠通過SDN實(shí)時(shí)優(yōu)化所有流量和節(jié)點(diǎn)，但大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中低延遲響應(yīng)的多目標(biāo)優(yōu)化是一個(gè)難題——路由可能沖突，也可能不收斂解決這個(gè)問題有兩種方法:一是在不同區(qū)域建立SDN，但是跨區(qū)域路由組織需要在SDN之間交換服務(wù)流和網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)，增加了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性；另一種方法是以面向連接的方式僅轉(zhuǎn)發(fā)一些業(yè)務(wù)流，而其他業(yè)務(wù)流仍將以無連接的方式進(jìn)行處理，以降低對SDN處理能力的壓力。
(2)5G顛覆了傳統(tǒng)的網(wǎng)元結(jié)構(gòu)通過硬件泛化(白盒)和軟件定義的網(wǎng)元功能，NFV可以根據(jù)流量的需要靈活采用第1.5層、第2層或第3層轉(zhuǎn)發(fā)，從而提高轉(zhuǎn)發(fā)效率，顯著降低時(shí)延對于不同的服務(wù)，NFV要求網(wǎng)元同時(shí)呈現(xiàn)不同的功能，這些功能隨服務(wù)變化而變化這要求NFV準(zhǔn)確獲取全球服務(wù)流和網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)NFV通過虛擬化實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，并向硬件資源池和軟件微服務(wù)重構(gòu)發(fā)展。然而，微服務(wù)架構(gòu)缺乏標(biāo)準(zhǔn)，無法實(shí)現(xiàn)開放性和互操作性的初衷。此外，SDN和NFV同時(shí)運(yùn)行很難避免網(wǎng)絡(luò)資源的沖突。此外，與特殊設(shè)備相比，白盒轉(zhuǎn)發(fā)延遲可能更大。更大的問題是，當(dāng)白盒網(wǎng)元與原網(wǎng)元共存于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，NFV效應(yīng)將難以體現(xiàn)。
(3)網(wǎng)絡(luò)切片是5G網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)的主要特征網(wǎng)絡(luò)層[5]根據(jù)業(yè)務(wù)流的帶寬、時(shí)延、可靠性等要求，在集中式網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維系統(tǒng)的管理下組織網(wǎng)絡(luò)資源，提供與每個(gè)業(yè)務(wù)流的業(yè)務(wù)屬性相對應(yīng)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)通道，支持個(gè)性化服務(wù)，特別適合不同垂直行業(yè)的需求雖然虛擬專用網(wǎng)服務(wù)在電信網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在了很長時(shí)間，但是它過去是通過預(yù)約建立的，而不是實(shí)時(shí)提供的，并且它只對少數(shù)業(yè)務(wù)流開放。目前，5G網(wǎng)絡(luò)切片面臨著虛擬專用網(wǎng)的大規(guī)模、實(shí)時(shí)性和端到端通道組織等特點(diǎn)。把交通流一個(gè)接一個(gè)分割開來太理想化了。例如，30年前的異步傳輸模式就是一個(gè)警告。如果網(wǎng)絡(luò)切片從核心網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到接入網(wǎng)絡(luò)，端到端切片將隨著用戶的移動(dòng)而變化，這增加了切片管理的復(fù)雜性。向客戶開放虛擬專用網(wǎng)以按需發(fā)現(xiàn)、選擇、生成、管理和提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整權(quán)限是一項(xiàng)前所未有的挑戰(zhàn)。
在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)之間建立虛擬專用網(wǎng)連接更加難以想象，這需要運(yùn)營商相互開放網(wǎng)絡(luò)資源和服務(wù)數(shù)據(jù)，但這基本上沒有可操作性首選方法是只為具有嚴(yán)格要求(如延遲、丟包率和可靠性)的流量流提供網(wǎng)絡(luò)切片。與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的虛擬專用網(wǎng)相比，上述方法可以毫無保留地實(shí)時(shí)生成虛擬專用網(wǎng)。此外，在流量計(jì)費(fèi)模式下，能夠保證服務(wù)質(zhì)量(QoS)的虛擬專用網(wǎng)服務(wù)只提供給高端用戶，但對普通用戶不公平，因此有必要考慮采用以用戶價(jià)值為中心、考慮服務(wù)質(zhì)量的計(jì)費(fèi)模式。
(4)小型企業(yè)管理局是5G的一個(gè)重要?jiǎng)?chuàng)新中小企業(yè)管理局建立了一個(gè)商業(yè)開放平臺(tái)，接受各種商業(yè)智能單元，可以按需添加，如手機(jī)上的應(yīng)用程序(APP)。智能單元的組合可以產(chǎn)生相應(yīng)的智能，通過業(yè)務(wù)解耦和模塊化可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的靈活調(diào)用，以適應(yīng)5G新格式的不可預(yù)測性。小型企業(yè)管理局類似于電話網(wǎng)絡(luò)中的智能網(wǎng)絡(luò)。在用戶數(shù)量大、網(wǎng)絡(luò)資源有限的環(huán)境下，還會(huì)出現(xiàn)智能網(wǎng)中業(yè)務(wù)智能單元組合可能發(fā)生沖突的問題。
不同于智能網(wǎng)，因?yàn)橹行∑髽I(yè)通銳是一個(gè)開放平臺(tái)，大大豐富了商業(yè)智能應(yīng)用的來源。然而，與傳統(tǒng)運(yùn)營商封閉的服務(wù)能力相比，中小企業(yè)管理局的服務(wù)平臺(tái)存在安全風(fēng)險(xiǎn)5G移動(dòng)通信協(xié)議與中小企業(yè)管理局合作，完全基于互聯(lián)網(wǎng)，使互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用可以直接移植到5G，增強(qiáng)服務(wù)能力。然而，與過去在移動(dòng)通信中使用的特殊協(xié)議相比，5G移動(dòng)通信協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)為互聯(lián)網(wǎng)上的病毒和特洛伊木馬留下了方便之門。因此，5G在保護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全和信息安全方面需要比4G付出更多的努力。
(5)移動(dòng)邊緣計(jì)算(MEC)與5G一致MEC部分降低了云計(jì)算能力，包括存儲(chǔ)和內(nèi)容分發(fā)能力，以適應(yīng)對延遲敏感的服務(wù)的快速處理。如何在工程中合理設(shè)置MEC粒度是一個(gè)有待實(shí)踐探索的問題。移動(dòng)終端、機(jī)器人和互聯(lián)網(wǎng)連接車輛等應(yīng)用需要在MECs之間切換，這涉及到MECs之間的協(xié)調(diào)以及MEC和中央云之間功能的合理分配。它不僅會(huì)在MECs之間產(chǎn)生大量開銷，在MEC和中心云之間產(chǎn)生大量交互，還會(huì)引入延遲MEC特別適合面向垂直行業(yè)的應(yīng)用，這些行業(yè)希望運(yùn)營商開放其在MEC的能力。因此，需要為MEC配置輕量級云技術(shù)，如開源平臺(tái)和容器，以支持第三方邊緣應(yīng)用此外，開放MEC能力對運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)管理和信息安全的影響也難以衡量。
(6)5G對同步設(shè)置了嚴(yán)格的要求SDN/NFV都需要獲得所有網(wǎng)元的流量和網(wǎng)絡(luò)資源的大數(shù)據(jù)，所有網(wǎng)元的數(shù)據(jù)都需要同步和絕對時(shí)間對齊。如果每個(gè)網(wǎng)元報(bào)告的數(shù)據(jù)時(shí)間不夠準(zhǔn)確，就不可能獲得全局視野。因此，基于不太準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)做出網(wǎng)絡(luò)調(diào)度決策可能會(huì)更糟現(xiàn)有的電氣和電子工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 1588)的同步機(jī)制也難以保證所需的精度，并且難以滿足IEEE 1588假設(shè)雙向信道的傳輸延遲在實(shí)際應(yīng)用中相同的前提
(7)5G促進(jìn)作戰(zhàn)保障體系轉(zhuǎn)型5G需要將NFV函數(shù)實(shí)時(shí)分配給網(wǎng)絡(luò)元素，并管理服務(wù)切片的組織和生命周期。5G運(yùn)營支撐系統(tǒng)(OSS)需要基于業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)資源大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和智能分析，自動(dòng)生成通信設(shè)備和服務(wù)的調(diào)度方案。為了實(shí)時(shí)響應(yīng)，不可能采取手動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理操作，必須依靠信令控制。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)操作系統(tǒng)有利于整體控制，但處理能力和處理延遲不能滿足要求。如果開放源碼軟件是按地區(qū)建立的，每個(gè)開放源碼軟件都需要交換數(shù)據(jù)，也需要上級中央開放源碼軟件的合作。
(8)汽車聯(lián)網(wǎng)是5G全新的應(yīng)用場景因此，5G特別考慮確保無線接入和核心網(wǎng)絡(luò)低延遲的措施。然而，個(gè)人通信與汽車網(wǎng)絡(luò)有很大不同:前者平均通過十多個(gè)節(jié)點(diǎn)；然而，后者可能只有一兩跳。NFV、網(wǎng)絡(luò)切片和SRv6對多跳環(huán)境中的延遲控制有顯著影響，但在車輛聯(lián)網(wǎng)場景中沒有明顯優(yōu)勢。汽車聯(lián)網(wǎng)通常是短數(shù)據(jù)包，而傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議對短數(shù)據(jù)包的傳輸效率較低傳統(tǒng)的個(gè)人通信在接入部分通常是點(diǎn)對點(diǎn)的，而車輛聯(lián)網(wǎng)在車輛對車輛(V2V)的情況下是點(diǎn)對多點(diǎn)和多點(diǎn)對多點(diǎn)，甚至是廣播。
這將增加頻率安排的難度，因?yàn)楹茈y將設(shè)備連接到設(shè)備(D2D)，并且需要網(wǎng)絡(luò)切換，即車輛到網(wǎng)絡(luò)到車輛(V2N2V)，但是延遲會(huì)稍微增加。對于個(gè)人通信，中國許多省份目前共享一個(gè)直接連接點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)營商之間的通信。然而，汽車聯(lián)網(wǎng)對時(shí)間延遲特別敏感。屬于不同運(yùn)營商的汽車之間的通信需要在附近直接相互連接，至少不要超出城市界限。換句話說，有必要在城市內(nèi)部專門設(shè)立網(wǎng)絡(luò)間直接連接點(diǎn)，用于汽車聯(lián)網(wǎng)。
(9)大連接是5G應(yīng)用程序的一個(gè)重要特性5G每平方公里可連接數(shù)百萬個(gè)連接，傳輸延遲小于10秒，丟包率小于1%大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)終端需要群組認(rèn)證，否則會(huì)觸發(fā)信令風(fēng)暴。安全算法和協(xié)議也應(yīng)該考慮輕量級，以避免引入不必要的延遲和增加物聯(lián)網(wǎng)終端的能耗。鑒于物聯(lián)網(wǎng)終端的種類繁多，5G用戶身份管理應(yīng)適應(yīng)全球用戶身份證(USIM)向靈活多樣方式的轉(zhuǎn)變。
(10)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推廣5G專用網(wǎng)行業(yè)數(shù)字化首先要求企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化為了在生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人、物料小車和工件之間的聯(lián)網(wǎng)，需要無線技術(shù)。然而，現(xiàn)有無線技術(shù)的可靠性、可擴(kuò)展性和抗干擾能力不符合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的要求。5G視工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為自己的命運(yùn)。企業(yè)可以使用5G作為企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)或廣域網(wǎng)的傳輸手段。5G運(yùn)營商可以為企業(yè)提供網(wǎng)絡(luò)切片，但運(yùn)營商的5G網(wǎng)絡(luò)主要是為公眾用戶設(shè)計(jì)的。
考慮到公共通信下行數(shù)據(jù)流的規(guī)模，特別是視頻業(yè)務(wù)，遠(yuǎn)高于上行數(shù)據(jù)流的規(guī)模，在時(shí)分雙工(TDD)模式下，相同載頻下時(shí)隙數(shù)的分配在上行鏈路中較少，在下行鏈路中較多；然而，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的傳感器通常報(bào)告更多的數(shù)據(jù)，接收更少的網(wǎng)絡(luò)指令。相應(yīng)的時(shí)分雙工上行鏈路和下行鏈路時(shí)隙是更多的上行鏈路和更少的下行鏈路如果時(shí)分雙工上行鏈路和下行鏈路時(shí)隙的兩種不同分配方案共存于同一個(gè)運(yùn)營商基站中，則需要將它們設(shè)置在不同的載波頻率以避免相互干擾，但這限制了載波頻率配置的靈活性和有效性。此外，從管理和安全的角度來看，大型企業(yè)要建設(shè)5G專用網(wǎng)，頻率管理部門需要為企業(yè)預(yù)留專用頻率來建設(shè)5G專用網(wǎng)。
綜上所述，構(gòu)建服務(wù)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)和開發(fā)服務(wù)協(xié)議應(yīng)用可以說是5G新一輪創(chuàng)新的起點(diǎn)。如果中國率先走上自我封閉的道路，將面臨反復(fù)試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。還有許多問題值得思考。5G在創(chuàng)新方面還有很長的路要走。
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作者簡介
吳何權(quán)，中國工程院院士，曾任中國工程院副院長?，F(xiàn)任國家信息技術(shù)專家咨詢委員會(huì)副主任、國家標(biāo)準(zhǔn)化專家委員會(huì)主任、國家互聯(lián)網(wǎng)加專家委員會(huì)主任、國家物聯(lián)網(wǎng)專家組主任、國家新一代寬帶無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)重大科技項(xiàng)目總工程師、中國互聯(lián)網(wǎng)學(xué)會(huì)咨詢委員會(huì)主任、IEEE高級會(huì)員。長期從事數(shù)字和光纖通信系統(tǒng)的研發(fā)，并負(fù)責(zé)中國下一代互聯(lián)網(wǎng)示范項(xiàng)目和3G/4G/5G等研發(fā)項(xiàng)目的技術(shù)管理，以及近十年重要工程科技咨詢項(xiàng)目的研究。他獲得過全國科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)、國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、郵電科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等多項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)。出版了1部專著
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《中興通訊技術(shù)》是一部集學(xué)術(shù)和技術(shù)研究于一體的公共出版物。它現(xiàn)在是中國的核心科技期刊和100種中國重點(diǎn)期刊。該報(bào)聚焦于尖端通信技術(shù)，討論通信市場的熱點(diǎn)，并以高端人士為目標(biāo)。
