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6G智能全连接网络架构

发布时间:2021-12-28作者来源:金航标浏览:527

02            
6G专题(2021-第4期)


6G智能全连接网络架构

张琳峰,林奕琳,王庆扬

(中国电信股份有限公司研究院,广东 广州 510630)


【摘  要】当前业界对6G愿景、业务场景和关键技术展开了大量的分析研究,而网络架构是实现6G愿景和业务需求的基础。首先分析了6G愿景对网络架构的需求,然后探讨了6G网络架构设计需要考虑的关键因素,最后提出了一种6G智能全连接的网络架构设想。

【关键词】6G;智能全连接;网络架构


doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2021.04.007        

中图分类号:TN929.5        文献标志码:A        

文章编号:1006-1010(2021)04-0045-05

引用格式:张琳峰,林奕琳,王庆扬. 6G智能全连接网络架构[J]. 移动通信, 2021,45(4): 45-49.



 

 

 

 


  引言


回顾移动通信的发展史,1G提供的是模拟话音,2G提供的是数字话音和短信,3G提供了移动数据业务,使得移动互联网的发展逐渐展开。4G提供移动宽带上网,移动多媒体视频业务开始兴起,同时由于网络带宽更大、智能手机的急速发展,使得各种移动APP类应用迅速得到普及,例如社交、支付、购物、导航、打车、外卖以及移动短视频等应用,极大地改变了人们的生活方式。5G网络的目标是实现万物互联,除了支持eMBB增强移动宽带场景之外,还支持URLLC高可靠低时延和eMTC增强机器类通信应用场景,通过丰富的应用场景赋能千行百业,推动社会发展。可以说,4G已经改变生活,5G除了改变生活之外,正在赋能行业、改变社会,而面向2030年的6G网络,有可能改变世界,包括物理世界和数字世界。


1   6G网络愿景对架构的需求


Gartner从2018到2020连续四年的十大技术趋势指出,AI人工智能走向工程应用的趋势成为必然。AI赋予了机器适应能力、推理能力和提供解决方案的能力。AI经历了三个层级的发展:首先是计算智能,就是能存会算;其次是感知智能,就是能听会说、能看会认;然后是认知智能,就是能理解、会思考,从而使得计算机能够理解人类,并像人类一样思考。目前进入实用阶段的主要是计算智能和感知智能。移动通信网络从4G到5G的发展过程中,算力资源日益丰富,并逐渐从网络中心向网络边缘扩展,数据资源也日益丰富,为AI的应用提供了基础。例如:自组织网络SON从4G开始应用,5G在R16和R17标准中引入了网络数据分析功能NWDAF(Network Data Analytics Function)和管理数据分析功能MDAF(Management Data Analytic Function),主要是定义了eNA[1]的网络智能化框架,基于大数据分析来提升网络的智能调度和运营管理的能力,但在实际的网络规模部署中涉及多厂商多设备的多源数据,数据格式实现统一标准化的难度较大[2],实际应用效果也需要时间检验。


展望6G网络愿景,至少有以下特点:

(1)沉浸体验[3]:利用XR、全息、数字孪生和其他多媒体技术的组合,模拟视觉、听觉、触觉等感官信息,创造高真实感的环境,为用户提供沉浸式实时体验和交互类的业务,可能变得普及。5G主要是基于XR技术实现,6G将基于全息和数字孪生、并可结合XR提供更加身临其境、更加丰富多彩的全新业务体验,包括全息通信[4]、全息现实、孪生现实。这类业务体现了通信和感知的融合,对多感知交互、图像实时压缩算法和网络信令的实时控制能力提出了较高的要求。


(2)网络智能[2,5]:5G网络在标准或实际部署的网络中引入了一定程度的智能,但目前不同层面的智能还是相对孤立的,比如接入网、核心网和网络管理层面的智能基本还未形成联动或者闭环。而业界普遍期望6G在终端、无线网、核心网、承载网以及网络管理的智能化在得到进一步增强的同时,在不同层面的智能的协同,形成6G网络整体的智能。此外,智能技术将应用到6G的网络和应用多个层面,为用户、应用和社会提供智能泛在的连接。6G时代,通信将与AI形成深度融合,AI赋能网络,网络赋能AI应用,智联连接无处不在。


(3)天地一体[6]:3GPP在5G的R17版本中引入了NTN[7](Non-Terrestrial Network,非地面网络),支持透明模式和再生模式的卫星与移动通信网络融合。业界期望6G能够面向广域稀疏场景提供泛在的立体覆盖,实现天地一体,从而能够服务于偏远地区、航空、航海、高铁等更多的业务场景。同时,6G网络还应实现天地等不同网络接入之间的智能协同,实现智能的泛在连接。


(4)固移融合:3GPP在5G的R16版本中成立了5WWC[8](Wireless and Wireline Convergence for the 5G System)、ATSSS(Access Traffic Steering,Switching and Splitting)、5G LAN(5G Local Area Network)等固移融合相关的项目。其中5WWC支持固定无线和有线接入(包括PON)统一接入到5GC核心网,实现多种接入方式的统一认证,适用于5G、WLAN、PON等多种接入方式共存的行业应用场景(工厂/园区)和家庭场景(全屋Wi-Fi+家宽)。ATSSS则进一步实现5G和WLAN的多接入多流的智能调度。5G LAN则实现了5G UE之间可以组建跨UPF的局域网,而且5G UE和企业内网的有线终端可以组建固移融合的局域网,为企业提供广域的虚拟局域网解决方案。6G需要多网融合的网络架构[9],期望6G能够实现更广泛、更全面的天地一体和固移融合。


(5)安全内生[10]:5G网络基于云原生设计,使得5G网络与NFVI云基础设施实现融合。另外5G基于服务化通信架构,信令协议直接基于HTTPv2,对外支持Restful接口,同时引入MEC边缘计算,使得5G具备更好的开放性,能够更好地与互联网应用融合。在获得业务灵活性和丰富度的同时,也引入了NFVI云基础设施和互联网所面临的安全风险。因此6G网络设计之初还要考虑如何避免5G网络只能通过外挂安全解决方案来增强安全的尴尬,借鉴区块链技术的发展,结合业界探讨的分布式身份认证、零信任、可信网络等,构建内生的安全机制,成为6G网络架构设计要解决的问题。


2   6G网络架构设计的总体考虑


从[敏感词]代模拟蜂窝移动网络到当前5G网络的演进历程可以看出,没有一代网络架构是完全脱离上一代凭空而来的。但基于不用的业务和应用场景需求、技术进步的影响,每一代网络架构都与上一代都有明显的不同,既有继承,也有变革。


因此,6G网络架构的设计,有以下几点考虑因素:

(1)路线选择:6G是现实世界和虚拟世界连接贯通的桥梁,是人类社会和自然环境和谐发展的引擎,具有比5G更宏大的历史使命,这就要求6G具有远强于5G的能力,6G不能在5G的基础上通过简单的演进而来,建议优先考虑革命性的先进技术,与5G形成显著的代际差异。


(2)绿色环保:6G架构设计一开始就要将绿色环保作为6G研发和运营的根本要求,为中国2030年“碳达峰”做出贡献。6G应通过引入智能技术实现资源的动态调度,从而实现资源效率[敏感词]化,这里的资源不仅仅是无线空口资源,还包括网络各层次的资源,如何通过全局的智能调度和控制,使得网络整体能效最优,是6G需要解决的一个重要问题。


(3)考虑支持全连接的基础框架:全连接包含卫星接入和地面接入两大类连接,地面接入包括无线连接和有线连接两大类。6G基础框架应考虑空天地海、固定与移动等各类连接并存的泛在接入场景下,如何实现对全连接的智能化管理,如何实现随时随地可用的泛在连接,并为用户提供多样化的QoS定制服务。


(4)考虑新业务新场景的需求:4G网络以2C业务为主,带宽的扩展催生了一批丰富人们生活的移动互联网业务,5G将拓展2B应用,为各行各业带来新的发展动力。而6G网络则需要考虑2030年及之后人类社会和自然世界和谐发展对网络的需求,包括提供无处不在的泛在连接,网络柔性可编程满足定制化需求。


(5)考虑交叉领域技术创新的加持:SDN理念、NFV技术在4G网络后期得到了一定程度的应用,在5G得到全面应用;云计算、容器、微服务、HTTP等IT领域的技术也被引入到5G网络使得网络更加灵活;大数据和AI技术的引入也使得5G网络具备初步的智能。而在对6G的前期研究中,已经出现了AI与空口技术的融合、区块链在频谱共享中的应用等创新思路,因此未来6G网络将支持ICDT深度融合,网络架构的设计需要充分考虑如何吸收各类新兴技术,实现云网边端融合的6G网络[11-12]


3   6G智能全连接的网络架构设想


面向未来的6G网络相比5G将提供更高的峰值速率、更低的端到端时延、更密的连接数量,并支持更加丰富和复杂的业务场景和应用,特别是AI类应用将呈现出泛在的特性,不管是在云端、网络的各个层级、无线、还是终端,都将支持“智能”特性。


设想中的6G智能全连接网络架构,从横向来看,包括接入网、边缘网络、核心网络三部分,其中接入网提供包括卫星接入、无线与移动接入、有线接入在内的泛在接入,并由边缘网络控制,边缘网络提供区域范围的移动性和接入服务,通常部署在边缘云上,核心网络则实现各个边缘网络的互联互通以及与Internet网络的互通,通常部署在核心云上。接入网、边缘网络、核心网络既可以由同一个运营商提供,也可以由不同运营商提供,还可以通过多方联合以共建共享的方式提供。


从纵向来看,6G智能全连接网络架构自下而上包括云网融合层、智能网络层、智能服务层等三层,如图1所示



其中云网融合层是6G网络部署的基础设施,为6G网络提供传统承载网络连接、云计算资源及云网操作系统,通过实施虚拟化、云化和服务化,形成一体化的融合技术底座,最终实现简洁、敏捷、开放、融合、安全、智能的新型信息基础设施的资源供给。


智能网络层是6G网络的核心功能层,实现信令的智能控制和用户数据的智能处理,遵循控制与承载尽可能独立工作的设计原则。但核心网络和边缘网络的实现上有所不同,具体如下:


(1)核心网络:由通信平面和管理平面构成。通信平面自上而下分为智能业务控制(控制面)、智能连接调度(控制面)、智能核心处理(用户面)等三层,分别实现业务层的会话控制、网络层的会话控制,以及对来自边缘网络的用户数据流实现智能转发和媒体处理。信令面通过分层设计,从业务层和网络层实现灵活的多通道多流策略的智能调度,用户面也具备自主选路的智能,通过P2P组网实现分布式的转发处理。管理平面则包括智能数据采控和智能运营管理,实现智能采集、大数据分析、AI建模和数据训练,并可以通过信令面或用户面的互通实现反馈的闭环,从而提升网络运维的自动化水平、面向业务的运营水平、以及对网络安全智能防御的能力,逐步实现网络的自治和自演进。


(2)边缘网络:遵循控制与承载分离和极简化设计原则,由智能接入控制(控制面)和智能边缘转发(用户面)实现分布式的边缘接入控制和移动性管理以及对用户数据流的边缘转发和处理。所有边缘网络和核心网络共享移动性管理数据库,技术上可以通过区块链或分布式账本实现数据共享。当用户在本地接入、区域范围内移动或者只使用边缘网络提供的业务的场景下,由边缘网络实现移动性管理和边缘接入的自主控制,此时不需要核心网络的信令面参与;当用户在漫游场景下,则由边缘网络和核心网络共同完成信令控制。边缘网络具备较高程度的智能,除了能够买现接入层全连接的智能控制,还具备较高程度的自治和自演进能力,便于降低运营门槛,有利于吸引第三方合作方参与到边缘网络的区域运营服务。


智能网络层在具体实现上,应兼容各种不同的基础设施。同时,功能实体应具备柔性定制和良好的可扩展性,支持根据业务场景实现动态按需部署和弹性伸缩,因此功能实体的颗粒度设计应更加灵活,实体之间的协议应具备灵活、动态和极简等特性,从而使得6G网络的核心功能实现可编程、可编排、支持P2P组网等特性。


智能服务层主要面向6G网络应用提供服务。首先支持智能交互,未来的移动网络要考虑面向消费端和行业端的AI应用场景和需求,实现AI终端到AI应用的连接,这种连接传递的可能是计算请求、控制指令,也可能是模型、数据,还可能是脑机接口这种新颖、智能的交互方式。其次支持对外的智能服务,包括AI as a Service、Blockchain as a Service等,面向2C、2H、2B的全场景的各种服务。6G网络对外提供的智能服务跟传统的基于NEF的集中式能力开放不同,为了适应WEB3的发展趋势,通过与区块链或者分布式账本系统对接,提供分布式的链上服务(例如:计算服务、算法服务、数据服务等)有可能成为主流。


从网络的视角来看,智能并非集中部署,而是从集中走向分布,在云端、网络、边缘、终端等各方实体中都可能存在智能控制功能,根据应用的差异,某些应用以核心智能为主,某些应用以边缘智能为主,还有某些应用以终端智能为主,从而构成云网边端协同的智能全连接架构体系。在网络内部,智能也是分散在多层、多个功能实体之中,通过多层的智能协同,从而实现接入层、网络层、业务层的智能全连接控制,从终端的视角来看,6G网络提供了空天地海的广域泛在连接,支持卫星接入、无线与移动接入、有线接入等全场景的接入和应用层的全连接服务。智能全连接的核心内涵是网络应通过对连接的智能化管理,为用户提供全业务场景的服务可达,不管用户身处何地,随时随地、随愿联网。


4   6G智能全连接网络架构的技术优势


本文提出的6G智能全连接网络架构设想,跟5G网络对比,具有以下技术优势:


(1)边缘网络与核心网络角色分离:由边缘网络负责移动性管理和接入控制、本地连接控制,核心网络负责骨干连接控制,支持新的多运营商协作的商业模式和生态环境,在支持多运营商的共建共享方面具备更多的灵活性。


(2)控制面与用户面独立工作,二者接口极简化:传统的SDN架构采用的是控制与承载分离的思路,控制面实体具备较强的策略智能,完全控制用户面实体的行为,而用户面实体只能按照控制面的策略来执行,没有自主决策能力。由于用户面完全受控于控制面,无法独立工作,表面上看二者是分离的,实际上二者是无法独立工作的紧耦合关系。在智能全连接网络架构中,控制面和用户面是完全分离的松耦合关系,控制面和用户面的网络功能实体都支持P2P模式的自主组网,二者之间的接口按最简化设计,追求的是二者独立工作,即使在控制面失效的情况下,用户面也可以为用户提供紧急服务。用户面也具备较强的策略智能,可以自主进行路由选择后报告给控制面,也可以按照控制面的特定策略执行,将提升边缘网络的自主性,并使网络总体上具备更好的可扩展性。


(3)分布式网络智能:5G R16定义了基于NWDAF网元和大数据分析的eNA框架,是集中式的智能,而6G引入AI内生的分布式智能协作,将以机器学习(例如深度学习、联邦学习)作为内生的技术实现,支持网络各层之间的多层智能协同,以及终端与6G云网边的多方智能协同。


(4)全连接控制和调度:5G R17 NTN实现星地融合,5WWC实现有线和无线融合,各个方案独立叠加,每个方案适用于特定场景。在6G智能全连接的网络架构中将统一通过边缘网络方案原生支持卫星接入、无线与移动接入、有线接入等全部接入方式和移动性位置数据的共享。


5   结束语


6G的目标是要满足2030年后业务应用、技术进步和社会发展对移动网络提出的需求,而6G网络架构是实现这一目标的基础。本文基于当前对6G愿景的展望、对移动网络演进架构特点的考虑以及对技术进步的初步判断提出了一种6G智能全连接的网络架构设想。但6G研究目前还处于初步阶段,6G标准工作还未正式开始,后续基于研究的逐步深入,还需在当前架构设想基础上,进一步细化和优化。





★原文发表于《移动通信》2021年第4期★


doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2021.04.007        

中图分类号:TN929.5       文献标志码:A       

文章编号:1006-1010(2021)04-0045-05

引用格式:张琳峰,林奕琳,王庆扬. 6G智能全连接网络架构[J]. 移动通信, 2021,45(4): 45-49.



作者简介  

张琳峰(orcid.org/0000-0002-7740-7971):高级工程师,硕士毕业于华南理工大学,现任职于中国电信股份有限公司研究院,研究方向为移动通信网络及基础业务。

林奕琳:高级工程师,博士毕业于华南理工大学,现任职于中国电信股份有限公司研究院,研究方向为移动网络及基础应用。

王庆扬:高级工程师,博士毕业于华南理工大学,现任中国电信股份有限公司研究院移动通信技术研究所所长,研究方向为移动通信系统的网络架构和关键技术。


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