關于5G 的十點思考

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摘要：面向工業網際網路和智慧城市的高可靠、低延遲時間等要求，5G以使用者服務為本的理念代替了網際網路的網絡效率優先原則；為适應未來業務的不确定性，5G将從傳統電信網的封閉性轉為業務開放化和協定網際網路化。5G試圖兼具網際網路與電信網的優勢，但在實作上仍面臨諸多挑戰。文章提出了在網絡建設與業務組織上需要重視的十個問題。

關鍵詞：5G；軟體定義網（SDN）；網絡功能虛拟化（NFV）；網絡切片；基于服務的架構（SBA）；移動邊緣計算（MEC）

2019 年5G開始商用。除中國外，目前已經開始5G商用的其他國家的營運商都基于非獨立組網（NSA）方式起步，即沿用4G核心網，僅增加了5G 基站。5G終端進而可獲得比4G更高的寬帶能力。中國決定2020年要直接采用獨立組網（SA）方式建設5G核心網[1]。SA 能夠提供NSA不具備的高可靠、低延遲時間和廣覆寫、大連接配接能力，在增強移動寬帶能力方面也比NSA 方式有更高的效率。是以，可以說2020年才是真正的5G元年。

為了适應多業務、低延遲時間、高可靠的業務要求，與4G相比，5G 核心網采用基于服務的架構（SBA）[2]，進而實作業務開放性和切片化、網絡功能虛拟化（NFV）[3]、計算能力邊緣化、協定網際網路化等特點。從50年前網際網路誕生到現在，網際網路協定，如傳輸控制協定/網際網路互聯協定（TCP/IP）是基于無連接配接模式逐包選路轉發的；而現在5G核心網是面向連接配接的模式，第三層的IP包不再是唯一的轉發單元。如上所述的網絡體系變革之大是網際網路誕生以來從未有過的，5G大規模應用要達到預期的性能将面臨諸多挑戰。

（1）5G 将要大規模使用軟體定義網絡（SDN）。SDN實作傳送與控制分離，利用網絡作業系統集中管理網絡，并基于大資料和人工智能為每一個業務流計算出端到端的路由，再将路由資訊嵌入源節點的IPv6 擴充報頭的标簽棧，并沿路徑傳遞到各節點，實作源選路（SRv6）[4]。中間節點隻須轉發，無須選路，減少或省去了排隊時間，以面向連接配接模式保證低延遲時間轉發。

我們雖然期待能夠通過SDN 對所有業務流和節點實時優化，但大規模網絡低延遲時間響應的多目标優化是難題——路由可能沖突或不收斂。有兩種方法可以解決該難題：一種方法是分區域設定SDN，但跨區域的路由組織需要SDN 間交換業務流與網絡資源資料，增加實作的複雜性；另一種方法是僅對部分業務流按面向連接配接轉發，對其他業務流将仍按無連接配接方式處理，以降低對SDN處理能力的壓力。

（2）5G 颠覆傳統網元的構成方式。通過硬體通用化（白盒化）和軟體定義網元功能，NFV 可以根據業務流的需要靈活采用1.5 層、2 層或3 層轉發，提高轉發效率并顯著降低延遲時間。針對不同業務，NFV 要求網元在同一時間呈現不同功能，且這些功能随業務變化而變化。這就需要NFV 對全局業務流和網絡資源資料實作精準擷取。NFV通過虛拟化實作軟硬體解耦，并向硬體資源池化和軟體微服務重構發展；但微服務架構缺乏标準，無法實作開放和互操作的初衷，而且SDN與NFV同時操作難以避免網絡資源沖突問題。另外，與專用裝置相比，白盒化的轉發時延可能還要大一些。更大的問題在于當白盒化網元與原有的網元共存于一個網絡時，NFV的效果将很難展現。

（3）網絡切片是5G 網絡與業務的一大特色。網絡切片[5]按照業務流的帶寬、時延、可靠性等需求，在集中的網絡運維系統管理下組織網絡資源，為各業務流提供與其業務屬性相對應的虛拟專用網絡（VPN）通道，支援個性化服務，尤其适應不同垂直行業的需求。雖然VPN 服務在電信網中早就存在，但過去都是預約建立而非實時提供的，且僅對極少數業務流開通。現在5G 網絡切片面臨着VPN 海量規模、實時性、端到端通道組織等特點，對業務流進行逐一切片未免太理想化了，如30 年前的異步傳輸模式（ATM）就是前車之鑒。如果網絡切片從核心網擴充到接入網，則端到端的切片要随使用者移動而變更，這就增加了切片管理的複雜性。至于将VPN 開放給客戶以發現、選擇、生成、管理并提供按需實時動态調整權限，是前所未有的挑戰。

跨營運商網絡建立VPN 連接配接更是難以想象的任務，這需要營運商間互相開放網絡資源與業務資料，但這基本沒有可操作性。可取的辦法是僅對時延、丢包率和可靠性等有較嚴格要求的業務流提供網絡切片。與現有4G 網絡的VPN 相比，以上方法可以使VPN 實時生成而無須預約。另外，在流量計費的模式下，僅對高端使用者提供能夠保障服務品質（QoS）的VPN 服務，但對一般使用者有失公平性，是以需要考慮采用以使用者價值為中心并考慮QoS 的計費模式。

（4）SBA 是5G的重要創新。SBA 建構了一個業務開放平台，承接各種業務智能單元，像手機上的應用程式（APP）那樣實作按需添加。通過智能單元的組合可以産生相應的智能，通過業務的解耦和子產品化可以實作靈活調用網絡服務，以此來适應5G 新業态的不可預見性。SBA 與電話網中的智能網類似，在海量使用者且網絡資源有限的環境下，同樣會出現智能網中各業務智能單元組合可能沖突的問題。

與智能網不同的是，SBA 是開放的平台，極大豐富了業務智能APP 的來源；但與傳統營運商封閉的業務能力相比，SBA 的業務平台開放性存在安全風險。與SBA 相配合，5G 移動通信協定全面網際網路化，這樣一來網際網路上的應用可以直接移植到5G，增強了業務能力。但與過去移動通信采用的專用協定相比，5G 移動通信協定網際網路化為網際網路上的病毒和木馬留了友善之門。為此，5G 在網絡安全與資訊安全的防護方面需要比4G下更大的功夫。

（5）移動邊緣計算（MEC）與5G相伴而行。MEC 實作了雲計算能力部分下沉，包括存儲與内容分發能力，以适應時延敏感業務的快速處理。在工程上如何合理設定MEC 的粒度是實踐中需要探索的問題。移動終端、機器人、網聯車等應用需要在MEC 間切換，這就涉及MEC 間協同以及MEC 與中心雲間功能合理配置設定的問題。它不僅可能會産生MEC 間大量的開銷、MEC 與中心雲的大量互動，還會引入時延。MEC 特别适合于面向垂直行業的應用，因為垂直行業希望營運商開放MEC 能力。為此，需要為MEC 配置開源平台與容器等輕量級雲技術以支援第三方邊緣應用。

另外，開放MEC 能力對營運商網絡管理與資訊安全的影響也難以估量。

（6）5G對同步提出嚴格要求。SDN/NFV 都需要獲得所有網元的業務流和網絡資源的大資料，各網元的資料需要同步和絕對時間對齊。如果各網元上報的資料時間不夠精準，就不可能得到全局視覺。如此一來，按不那麼精準的資料來做出網絡排程的決策可能更糟糕。現有電氣與電子工程師協會标準（IEEE 1588）的同步機制也難以保證所需要的精度，在實際應用中很難滿足IEEE 1588 假定雙向信道的傳輸時延相同的前提。

（7）5G 推動營運支撐系統的變革。5G 需要實時地對網元實行NFV 功能的指配，對業務實作切片的組織及生命周期的管理。5G 營運支撐系統（OSS）需要基于業務與網絡資源大資料的統計與智能分析，自動生成通信裝置與服務的編排方案。為了實時響應，不可能再采取人工網管操作而必須依靠信令控制。全網集中一個OSS 有利于全局掌控，但處理能力與處理時延難以滿足要求。如果按區域設定OSS，則各OSS需要互通資料，且還需要有上層中央OSS 來協同。

（8）車聯網是5G 全新的應用場景。為此，5G 專門在無線接入和核心網兩個方面都考慮保證低延遲時間的措施。但面向個人的通信與車聯網有很大的不同：前者平均經過十多個節點；而後者可能隻是一兩跳，在多跳的環境下對控制時延有顯著作用的NFV 和網絡切片及SRv6 在車聯網場景下并不顯優勢。車聯網通常是短包，而傳統的TCP/IP 協定對短包的傳輸效率不高。傳統的個人通信在接入段通常是點對點方式，而車聯網在車到車（V2V）場景下是點到多點以及多點到多點方式，甚至是廣播方式。

這将增加頻率安排的難度，因為難以采用裝置到裝置（D2D）連接配接，需要借助網絡轉接即車-網-車（V2N2V），但時延會略有增加。對于面向個人的通信，目前中國多個省公用一個網間直連點來實作營運商間互通；但車聯網對時延特别敏感，歸屬不同營運商的汽工廠中的房間的通信需要就近實作網間直連，至少不宜跨出城市範圍。也就是說，需要為車聯網專門設定城市内的網間直連點。

（9）大連接配接是5G 應用的一個重要特征。5G 能夠實作每平方公裡可接入上百萬連接配接，傳輸時延不超過10 s，丢包率不高于1%。對海量的物聯網終端需要使用群組認證，否則會引發信令風暴。安全算法和協定也要考慮輕量級，以免引入不必要的時延和增加物聯網終端的能耗。鑒于物聯網終端的多種類型，5G 的使用者身份管理要适應從全球使用者識别卡（USIM）向靈活多樣的方式轉變。

（10）工業網際網路催生5G 專網。産業數字化首先需要将企業的生産裝備聯網。為了能使機器人、物料小車和生産線上的工件實作聯網，需要使用無線技術；但已有無線技術的可靠性、可擴充性與抗幹擾能力不适應工業網際網路要求。5G 将工業網際網路應用視為己命，企業可以利用5G 作為企業内網或廣域網的傳輸手段，5G 營運商可為企業提供網絡切片，但營運商的5G 網絡主要是面向公衆使用者而設計的。

考慮到公衆通信特别是視訊業務的下行資料流規模遠高于上行，在時分雙工（TDD）模式的同一載頻中時隙數的配置設定是上行少下行多；但工業網際網路中傳感器通常上報資料多而接受網絡指令的資料少，對應的TDD 上下行時隙是上行多下行少。如果TDD 上下行時隙兩種不同的配置設定方案共處同一營運商基站中，那麼需要設定在不同載頻以避免互相幹擾，但這又限制了載頻配置的靈活性和有效性。另外，從管理和安全角度考慮，大企業希望建設5G 專網，頻率主管部門需要為企業建設5G 專網劃出專用頻率。

綜上所述，建設SA網絡和開發SA應用可以說是5G新一輪創新的起點。中國率先走SA之路會面臨試錯的風險，也有很多值得思考的問題。5G創新之路還很長。

參考文獻

[1] 中華人民共和國工業和資訊化部. 明年我國将大規模投入建設獨立組網的5G 網絡[EB/OL].(2019-09-21)[2019-12-23].

http://www.cac.gov.cn/2019-

09/21/c_1570598110843638.htm

[2] 中華人民共和國工業和資訊化部. 5G移動通信網核心網總體技術要求: YD/T3615—2019[S]. 北京: 人民郵電出版社, 2019

[3] ETSI. Network Functions Virtualisation(NFV); Virtual Network Functions

Architecture: GS NFV-SWA 001 V1.1.1 [S].2014

[4] IETF. Segment Routing IPv6 for MobileUser Plane [EB/OL]. (2019-11-04)

[2019-12-23].

https://datatracker.ietf.org/doc/draft-ietf-dmm-srv6-mobileuplane/

[5] 3GPP. Study on Management andOrchestration of Network Slicing for

Next Generation Network (Rel-15): 3GPP TR28.801 V15.1.0[S]. 2018

作者簡介

邬賀铨，中國工程院院士，曾任中國工程院副院長，現任國家資訊化專家咨詢委員會副主任、國家标準化專家委員會主任、國家網際網路+專家委員會主任、國家物聯網專家組組長、國家新一代寬帶無線移動通信網重大科技專項總師、中國網際網路協會咨詢委員會主任，以及IEEE 進階會員等；長期從事數字和光纖通信系統的研究開發工作，近十多年來負責中國下一代網際網路示範工程和3G/4G/5G 等研發項目的技術管理及重要工程科技咨詢項目研究；曾獲全國科學大會獎、國家科技進步二等獎、郵電科技進步一等獎等多個獎項；出版專著1 部。

原文釋出時間：2020-01-16

本文作者：邬賀铨院士

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