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關(guān)鍵詞:5G；軟件定義網(wǎng)絡；網(wǎng)絡功能虛擬化(NFV)；網(wǎng)絡切片；基于服務的架構(gòu)；移動邊緣計算(MEC)
8摘要:5G采用面向服務的架構(gòu)概念，取代互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡效率的優(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，為了適應未來業(yè)務的不確定性，5G不同于傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡的封閉性，它具有服務和網(wǎng)絡協(xié)議的開放性。盡管5G試圖兼具互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)絡的優(yōu)勢，但它的實現(xiàn)仍然面臨許多挑戰(zhàn)。本文討論了5G網(wǎng)絡和服務提供的10個主要問題。SDNNFV；網(wǎng)絡切片；小型企業(yè)管理局；MEC從2019年開始5G的商業(yè)應用除了中國，其他已經(jīng)開始5G業(yè)務的國家的運營商已經(jīng)開始基于非獨立網(wǎng)絡(NSA)，即使用4G核心網(wǎng)絡，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年通過獨立網(wǎng)絡直接建立5G核心網(wǎng)絡[1]服務協(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，并且在增強移動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、低延遲和高可靠性的要求，5G核心網(wǎng)與4G相比，采用基于服務的架構(gòu)(SBA)[2]，從而實現(xiàn)了服務開放和切片、網(wǎng)絡功能虛擬化(NFV)[3)、邊際計算能力、協(xié)議互聯(lián)等特點。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)模應用將面臨許多挑戰(zhàn)，以實現(xiàn)預期的性能。
(1)5G將大規(guī)模使用軟件定義網(wǎng)絡SDN實現(xiàn)傳輸和控制的分離，使用網(wǎng)絡操作系統(tǒng)集中管理網(wǎng)絡，基于大數(shù)據(jù)和人工智能計算每個流量流的端到端路由，將路由信息嵌入源節(jié)點IPv6擴展報頭的標簽棧，并沿路徑傳輸?shù)矫總€節(jié)點，實現(xiàn)源路由(SRv6)[4]中間節(jié)點只需轉(zhuǎn)發(fā)而無需路由，這減少或節(jié)省了排隊時間，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實時優(yōu)化所有流量和節(jié)點，但大規(guī)模網(wǎng)絡中低延遲響應的多目標優(yōu)化是一個難題——路由可能沖突，也可能不收斂解決這個問題有兩種方法: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之間交換服務流和網(wǎng)絡資源數(shù)據(jù)，增加了實現(xiàn)的復雜性；另一種方法是以面向連接的方式僅轉(zhuǎn)發(fā)一些業(yè)務流，而其他業(yè)務流仍將以無連接的方式進行處理，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，顯著降低時延對于不同的服務，NFV要求網(wǎng)元同時呈現(xiàn)不同的功能，這些功能隨服務變化而變化這要求NFV準確獲取全球服務流和網(wǎng)絡資源數(shù)據(jù)NFV通過虛擬化實現(xiàn)軟硬件解耦，并向硬件資源池和軟件微服務重構(gòu)發(fā)展。然而，微服務架構(gòu)缺乏標準，無法實現(xiàn)開放性和互操作性的初衷。此外，SDN和NFV同時運行很難避免網(wǎng)絡資源的沖突。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，當白盒網(wǎng)元與原網(wǎng)元共存于一個網(wǎng)絡中時，NFV效應將難以體現(xiàn)。
(3)網(wǎng)絡切片是5G網(wǎng)絡和服務的主要特征網(wǎng)絡層[5]根據(jù)業(yè)務流的帶寬、時延、可靠性等要求，在集中式網(wǎng)絡運維系統(tǒng)的管理下組織網(wǎng)絡資源，提供與每個業(yè)務流的業(yè)務屬性相對應的虛擬專用網(wǎng)絡通道，支持個性化服務，特別適合不同垂直行業(yè)的需求雖然虛擬專用網(wǎng)服務在電信網(wǎng)絡中已經(jīng)存在了很長時間，但是它過去是通過預約建立的，而不是實時提供的，并且它只對少數(shù)業(yè)務流開放。目前，5G網(wǎng)絡切片面臨著虛擬專用網(wǎng)的大規(guī)模、實時性和端到端通道組織等特點。把交通流一個接一個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警告。如果網(wǎng)絡切片從核心網(wǎng)絡擴展到接入網(wǎng)絡，端到端切片將隨著用戶的移動而變化，這增加了切片管理的復雜性。向客戶開放虛擬專用網(wǎng)以按需發(fā)現(xiàn)、選擇、生成、管理和提供實時動態(tài)調(diào)整權(quán)限是一項前所未有的挑戰(zhàn)。
在運營商網(wǎng)絡之間建立虛擬專用網(wǎng)連接更加難以想象，這需要運營商相互開放網(wǎng)絡資源和服務數(shù)據(jù)，但這基本上沒有可操作性首選方法是只為具有嚴格要求(如延遲、丟包率和可靠性)的流量流提供網(wǎng)絡切片。與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡的虛擬專用網(wǎng)相比，上述方法可以毫無保留地實時生成虛擬專用網(wǎng)。此外，在流量計費模式下，能夠保證服務質(zhì)量(QoS)的虛擬專用網(wǎng)服務只提供給高端用戶，但對普通用戶不公平，因此有必要考慮采用以用戶價值為中心、考慮服務質(zhì)量的計費模式。
(4)小型企業(yè)管理局是5G的一個重要創(chuàng)新中小企業(yè)管理局建立了一個商業(yè)開放平臺，接受各種商業(yè)智能單元，可以按需添加，如手機上的應用程序(APP)。智能單元的組合可以產(chǎn)生相應的智能，通過業(yè)務解耦和模塊化可以實現(xiàn)網(wǎng)絡業(yè)務的靈活調(diào)用，以適應5G新格式的不可預測性。小型企業(yè)管理局類似于電話網(wǎng)絡中的智能網(wǎng)絡。在用戶數(shù)量大、網(wǎng)絡資源有限的環(huán)境下，還會出現(xiàn)智能網(wǎng)中業(yè)務智能單元組合可能發(fā)生沖突的問題。
不同于智能網(wǎng)，因為中小企業(yè)通銳是一個開放平臺，大大豐富了商業(yè)智能應用的來源。然而，與傳統(tǒng)運營商封閉的服務能力相比，中小企業(yè)管理局的服務平臺存在安全風險5G移動通信協(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)上的應用可以直接移植到5G，增強服務能力。然而，與過去在移動通信中使用的特殊協(xié)議相比，5G移動通信協(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在保護網(wǎng)絡安全和信息安全方面需要比4G付出更多的努力。
(5)移動邊緣計算(MEC)與5G一致MEC部分降低了云計算能力，包括存儲和內(nèi)容分發(fā)能力，以適應對延遲敏感的服務的快速處理。如何在工程中合理設(shè)置MEC粒度是一個有待實踐探索的問題。移動終端、機器人和互聯(lián)網(wǎng)連接車輛等應用需要在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，還會引入延遲MEC特別適合面向垂直行業(yè)的應用，這些行業(yè)希望運營商開放其在MEC的能力。因此，需要為MEC配置輕量級云技術(shù)，如開源平臺和容器，以支持第三方邊緣應用此外，開放MEC能力對運營商網(wǎng)絡管理和信息安全的影響也難以衡量。
(6)5G對同步設(shè)置了嚴格的要求SDN/NFV都需要獲得所有網(wǎng)元的流量和網(wǎng)絡資源的大數(shù)據(jù)，所有網(wǎng)元的數(shù)據(jù)都需要同步和絕對時間對齊。如果每個網(wǎng)元報告的數(shù)據(jù)時間不夠準確，就不可能獲得全局視野。因此，基于不太準確的數(shù)據(jù)做出網(wǎng)絡調(diào)度決策可能會更糟現(xiàn)有的電氣和電子工程師協(xié)會標準(IEEE 1588)的同步機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際應用中相同的前提
(7)5G促進作戰(zhàn)保障體系轉(zhuǎn)型5G需要將NFV函數(shù)實時分配給網(wǎng)絡元素，并管理服務切片的組織和生命周期。5G運營支撐系統(tǒng)(OSS)需要基于業(yè)務和網(wǎng)絡資源大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和智能分析，自動生成通信設(shè)備和服務的調(diào)度方案。為了實時響應，不可能采取手動網(wǎng)絡管理操作，必須依靠信令控制。整個網(wǎng)絡中的一個操作系統(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全新的應用場景因此，5G特別考慮確保無線接入和核心網(wǎng)絡低延遲的措施。然而，個人通信與汽車網(wǎng)絡有很大不同:前者平均通過十多個節(jié)點；然而，后者可能只有一兩跳。NFV、網(wǎng)絡切片和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)的個人通信在接入部分通常是點對點的，而車輛聯(lián)網(wǎng)在車輛對車輛(V2V)的情況下是點對多點和多點對多點，甚至是廣播。
這將增加頻率安排的難度，因為很難將設(shè)備連接到設(shè)備(D2D)，并且需要網(wǎng)絡切換，即車輛到網(wǎng)絡到車輛(V2N2V)，但是延遲會稍微增加。對于個人通信，中國許多省份目前共享一個直接連接點來實現(xiàn)運營商之間的通信。然而，汽車聯(lián)網(wǎng)對時間延遲特別敏感。屬于不同運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)絡間直接連接點，用于汽車聯(lián)網(wǎng)。
(9)大連接是5G應用程序的一個重要特性5G每平方公里可連接數(shù)百萬個連接，傳輸延遲小于10秒，丟包率小于1%大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)終端需要群組認證，否則會觸發(fā)信令風暴。安全算法和協(xié)議也應該考慮輕量級，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用戶身份管理應適應全球用戶身份證(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)絡化為了在生產(chǎn)線上實現(xiàn)機器人、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)應用為自己的命運。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運營商可以為企業(yè)提供網(wǎng)絡切片，但運營商的5G網(wǎng)絡主要是為公眾用戶設(shè)計的。
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，遠高于上行數(shù)據(jù)流的規(guī)模，在時分雙工(TDD)模式下，相同載頻下時隙數(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)中的傳感器通常報告更多的數(shù)據(jù)，接收更少的網(wǎng)絡指令。相應的時分雙工上行鏈路和下行鏈路時隙是更多的上行鏈路和更少的下行鏈路如果時分雙工上行鏈路和下行鏈路時隙的兩種不同分配方案共存于同一個運營商基站中，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)預留專用頻率來建設(shè)5G專用網(wǎng)。
綜上所述，構(gòu)建服務協(xié)議網(wǎng)絡和開發(fā)服務協(xié)議應用可以說是5G新一輪創(chuàng)新的起點。如果中國率先走上自我封閉的道路，將面臨反復試驗的風險。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。
參考文獻
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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。現(xiàn)任國家信息技術(shù)專家咨詢委員會副主任、國家標準化專家委員會主任、國家互聯(lián)網(wǎng)加專家委員會主任、國家物聯(lián)網(wǎng)專家組主任、國家新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)絡重大科技項目總工程師、中國互聯(lián)網(wǎng)學會咨詢委員會主任、IEEE高級會員。長期從事數(shù)字和光纖通信系統(tǒng)的研發(fā)，并負責中國下一代互聯(lián)網(wǎng)示范項目和3G/4G/5G等研發(fā)項目的技術(shù)管理，以及近十年重要工程科技咨詢項目的研究。他獲得過全國科學大會獎、國家科技進步二等獎、郵電科技進步一等獎等多項獎項。出版了1部專著
關(guān)于《中興通訊技術(shù)》
《中興通訊技術(shù)》是一部集學術(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種中國重點期刊。該報聚焦于尖端通信技術(shù)，討論通信市場的熱點，并以高端人士為目標。
