中國工程院院士鄔賀銓:5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面臨十大挑戰(zhàn)

劉晶

2020年1月9日，中國首批5G標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，推動5G相關(guān)產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展。面向未來，中國工程院院士鄔賀銓認(rèn)為，5G是一次網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的變革，引入了很多過去沒有大規(guī)模使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

從5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)架看，底層傳統(tǒng)的傳輸承載網(wǎng)SDH在發(fā)生變化;三層網(wǎng)絡(luò)是IP層，以前是不面向連接的，因?yàn)?G要考慮引入IPv6，可能會使用網(wǎng)絡(luò)第二層的智能交換;二層也不會照搬以前的網(wǎng)絡(luò)，而是采用基于以太網(wǎng)的TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）。網(wǎng)絡(luò)切片、SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）、NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）、無定型小區(qū)、用戶中心網(wǎng)等新技術(shù)，都會在5G網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

鄔賀銓表示：“5G標(biāo)準(zhǔn)很理想，但網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)實(shí)很骨感?！辈⒂捎谛录夹g(shù)引入帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)歸納為十項(xiàng)。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)

首先，軟件定義網(wǎng)絡(luò)帶來挑戰(zhàn)。互聯(lián)網(wǎng)建立以來，IP基本是分組的，但是是無連接的。每個IP包獨(dú)立寫入，而且走的路徑也可能不一樣，雖然都是從A到D，但實(shí)際上它們各自為戰(zhàn)。因?yàn)樵诨ヂ?lián)網(wǎng)初期網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，以包為單位傳輸，即便某個包丟了，只要重傳這個包即可，而不需要一大半重傳，但這種做法犧牲了效率。

5G中基于IPv6實(shí)現(xiàn)選路也會帶來挑戰(zhàn)，因?yàn)镮Pv6地址不僅僅用來定義終端的位置和終端的身份，還定義了路由，這樣的好處能保證低時延和高可靠，這是5G所希望做到的，但是其中明顯也有挑戰(zhàn)。

SDN實(shí)現(xiàn)了傳送與控制分離，實(shí)際上把三層網(wǎng)的無連接變成面向連接。這里利用網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)集中管理網(wǎng)絡(luò)，基于大數(shù)據(jù)和人工智能為每一個業(yè)務(wù)流計(jì)算出端到端的路由，而且將路由信息嵌入到原節(jié)點(diǎn)的IPv6擴(kuò)展報(bào)頭，并按原路徑傳遞到各節(jié)點(diǎn)，中間節(jié)點(diǎn)只需轉(zhuǎn)發(fā)而無需選路，保證低時延轉(zhuǎn)發(fā)。

雖然現(xiàn)在期待通過SDN對所有業(yè)務(wù)流和所有節(jié)點(diǎn)都實(shí)時優(yōu)化，但大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)、低時延響應(yīng)的多目標(biāo)優(yōu)化是個難題。計(jì)算出來的路由不斷在變，網(wǎng)絡(luò)資源不斷在變，算出的路由可能互相沖突。一種解決方法是把SDN分成幾級，分區(qū)域選擇SDN。那么，本區(qū)域沒問題，但是跨區(qū)域的路由需要SDN之間交換業(yè)務(wù)流和網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)，增加了復(fù)雜性。另一種方法是只對部分業(yè)務(wù)流按面向連接轉(zhuǎn)發(fā)，其他業(yè)務(wù)流還得回到無連接方式處理。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的交換機(jī)是專用硬件、專用軟件，傳統(tǒng)路由器也是專用硬件、專用軟件，設(shè)備是改不了的，它們在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的工作層級也是固定的。而5G為了業(yè)務(wù)的靈活性，需要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有不同的能力，NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）的方向是硬件通用、軟件可以定義，當(dāng)然這很理想。

NFV雖然提高了網(wǎng)絡(luò)利用效率，但是影響了時延。NFV使用的前提是對全局的業(yè)務(wù)流和網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)都要精準(zhǔn)地獲得，SDN跟NFV同時操作，很難避免網(wǎng)絡(luò)資源沒有沖突。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的“白盒化”趨勢也存在問題，與專用設(shè)備相比，白盒化的時延可能要更大。而且網(wǎng)絡(luò)絕對不可能一天全部變成“白盒”，存量是做不了“白盒化”的，存量和“白盒”增量兩者共存于一個網(wǎng)絡(luò)中，NFV的效果能體現(xiàn)嗎？這也是一個挑戰(zhàn)。我們要考慮是否真的把網(wǎng)絡(luò)全部都變成NFV去做。

網(wǎng)絡(luò)切片的挑戰(zhàn)

按業(yè)務(wù)邏輯需求能夠組成不同的網(wǎng)絡(luò)切片，其中至少分三大類：增強(qiáng)移動寬帶、高可靠低時延、大連接。

通過網(wǎng)絡(luò)切片管理為每一個業(yè)務(wù)組織形成一個VPN（虛擬專用網(wǎng)絡(luò)），這是一個非常好的想法，但實(shí)際上是有困擾的。例如北京的交通，給公交車早高峰、晚高峰一條專用公交車道，如果建了5G之后對所有業(yè)務(wù)都用專用車道。公交車有公交車車道，大客車有大客車車道，小轎車有小轎車車道，對三輪車、摩托能做到這樣嗎？現(xiàn)在全鏈路的VPN很難。

5G想把這種網(wǎng)絡(luò)切片向大客戶開放，由客戶發(fā)現(xiàn)、選擇、生成和管理VPN，給大客戶提供按需實(shí)時動態(tài)調(diào)整的權(quán)利，但VPN并不能實(shí)現(xiàn)跨運(yùn)營商?？扇〉霓k法是只對時延、丟包率、可靠性有比較嚴(yán)格的業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)切片，跟現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的VPN相比，5G的VPN可以實(shí)時提供。此外，要考慮以用戶價值為中心、按服務(wù)質(zhì)量計(jì)費(fèi)的模式，而不是按流量為單位的計(jì)費(fèi)模式。

SBA的挑戰(zhàn)

SBA（基于服務(wù)體系）可以使5G業(yè)務(wù)是開放的。過去移動網(wǎng)的協(xié)議是專用、封閉的，現(xiàn)在為了適應(yīng)未來業(yè)務(wù)需求把協(xié)議都互聯(lián)網(wǎng)化，如此一來，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)上的很多應(yīng)用可以直接移植到5G，這是好事，但是帶來一個問題。

首先，類似SBA這種業(yè)務(wù)開放的思想30年前電信網(wǎng)就有。而現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)流量更大，問題也更大了。原來極少聽到運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)被哪個黑客木馬攻擊癱瘓了。為什么？因?yàn)樗欠忾]的，不是通用的，特別是運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是專用的。SBA使網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)是開放的，協(xié)議是通用的，可以說5G與4G相比，具有更巨大的網(wǎng)絡(luò)信息安全風(fēng)險。

這并不是說5G不安全，但為了5G業(yè)務(wù)的靈活性我們要承受這種不安全帶來的風(fēng)險，這個過程不會是一帆風(fēng)順的。

邊緣計(jì)算的挑戰(zhàn)

5G應(yīng)用邊緣計(jì)算是希望把計(jì)算能力下沉到邊緣，邊緣負(fù)責(zé)處理對時間敏感的數(shù)據(jù)，并且過濾掉這些數(shù)據(jù)再上到中心云。按IDC的預(yù)測，未來會有超過50%的數(shù)據(jù)在邊緣層處理，而兩級云的成本只是單級云的39%，還要省錢，當(dāng)然這是一個好事。

云計(jì)算的部分能力下沉，存儲和內(nèi)容分發(fā)能力下沉，能夠適應(yīng)低時延、快速處理，但是邊緣云顆粒度到什么程度？下沉到什么程度？是下沉到每一個DU分布單元，還是下沉到CU集中單元，還是下沉到更高一點(diǎn)的等級？邊緣計(jì)算的密集度怎樣選擇，這是一個挑戰(zhàn)。

邊緣計(jì)算不是固定的邊緣云，例如汽車一會兒接到這個基站，一會兒在那個基站，如果邊緣計(jì)算是落地在基站里，那么邊緣計(jì)算的點(diǎn)就要不斷地變，這產(chǎn)生了邊緣計(jì)算之間的通信。這種通信究竟通過中心云溝通，還是邊緣云與邊緣云之間溝通，現(xiàn)在沒有很好的研究。而且邊緣云與邊緣云之間的溝通，需要有大量的網(wǎng)絡(luò)開銷，會引入時延。

精準(zhǔn)同步的挑戰(zhàn)

無論是NFV還是SDN，要同一時間收集所有節(jié)點(diǎn)報(bào)上來的數(shù)據(jù)都應(yīng)該是同樣的，如果時間同步不精準(zhǔn)，得出來的數(shù)據(jù)就不準(zhǔn)確。這時基于不準(zhǔn)的數(shù)據(jù)做出來的決策更糟糕。

過去電信網(wǎng)用的是IEEE1588做時間同步。1588是否能滿足5G的同步需求？按照目前的方法，時間的同步并不精準(zhǔn)，因?yàn)樗愠鰜淼臅r間偏離不斷地在變，可能將來5G對時間同步有新的要求。

運(yùn)營支撐的挑戰(zhàn)

5G的運(yùn)營支撐系統(tǒng)，不僅僅包括傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的故障管理、配置管理、告警管理、性能管理，還要包括NFV的管理，什么時候網(wǎng)元當(dāng)路由器、交換機(jī)，什么時候當(dāng)交叉鏈接用。隨著業(yè)務(wù)流的變化，同一時間，網(wǎng)元對某個業(yè)務(wù)流是路由器，對另外一個業(yè)務(wù)流又是交換機(jī)，這是變的。

而且網(wǎng)絡(luò)切片也在變，業(yè)務(wù)來了要切片，業(yè)務(wù)走了要撤銷，這是動態(tài)的。網(wǎng)管如果還是像以前那樣靠人工在網(wǎng)絡(luò)層面管理是根本不可能了，現(xiàn)在必須由信令來管，配以一個很復(fù)雜的編排器來設(shè)計(jì)網(wǎng)元和業(yè)務(wù)組成。全網(wǎng)如果做一個OSS會是非常復(fù)雜的，而且這么大的網(wǎng)絡(luò)處理能力和處理時延怎樣滿足要求？OSS可以分級管理，但跨區(qū)、跨OSS來協(xié)商，這也是一個很大的挑戰(zhàn)。

車聯(lián)網(wǎng)的挑戰(zhàn)

車聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是5G的重要應(yīng)用場景，5G在接入網(wǎng)和核心網(wǎng)兩個方面都考慮了低時延的措施，但是面向個人通信的東西與面向車聯(lián)網(wǎng)有很大的不同。公眾網(wǎng)的個人通信平均要經(jīng)過十多個節(jié)點(diǎn)，而車聯(lián)網(wǎng)的通信就是一兩跳。在多跳環(huán)境下，在控制時延上表現(xiàn)突出的技術(shù)，如NFV、網(wǎng)絡(luò)切片、SRv6等在車聯(lián)網(wǎng)場景下優(yōu)勢并不明顯。

傳統(tǒng)的個人通信接入是點(diǎn)對點(diǎn)的方式，現(xiàn)在車聯(lián)網(wǎng)在V2V的場景下是點(diǎn)到多點(diǎn)、多點(diǎn)到多點(diǎn)方式，甚至是廣播方式，將增加頻率安排的難題，難以采用。沒法用D2D連接，那就借助V2N2V，時延就會略有增加。

面向公眾的通信所發(fā)送的信息是主叫方主動的，被叫方也是已知的;而車聯(lián)網(wǎng)中每一輛車發(fā)送的信息并不受車主所控。5G支持增強(qiáng)移動寬帶、高可靠低時延和廣覆蓋大連接的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下其效果還值得研究。

5G雖然比4G更適合車聯(lián)網(wǎng)，但這些技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)并沒有真正發(fā)揮出作用，所以要看明年3月份車聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)做成什么樣。

現(xiàn)在中國有13個直連點(diǎn)，負(fù)責(zé)連接全國30個省，有些省要出省連接，比如說貴州的電信和聯(lián)通、移動互聯(lián)，要通過重慶直連點(diǎn)才能溝通。如果車聯(lián)網(wǎng)還是用這種直連點(diǎn)，城市就會撞車。車聯(lián)網(wǎng)就要求直連點(diǎn)要在本城。

5G大連接的挑戰(zhàn)

5G支持1平方公里有100萬個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接，每個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備怎么樣接入呢？如果所有終端接入都要認(rèn)證，一個一個認(rèn)證肯定不行，這是個難題。大連接也不能慢，有的傳感器可以慢一點(diǎn)，但車聯(lián)網(wǎng)要快。mMTC要每個終端有安全算法和協(xié)議，但是安全算法要簡單，否則就會增加時延，又要安全又簡單，這本身是有難度的。

裝了uRLLC的終端本身要高可靠。過去用的是信用卡，現(xiàn)在這么大量的物聯(lián)網(wǎng)終端，要用什么方式管理？5G來了，在物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)證、安全、標(biāo)識和身份上，都有新的挑戰(zhàn)。

5G企業(yè)專網(wǎng)的挑戰(zhàn)

運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)主要是面向消費(fèi)者設(shè)計(jì)的。5G采用的TDD模式，在同一個頻段上既有上行數(shù)據(jù)又有下行數(shù)據(jù)，消費(fèi)者應(yīng)用一般下行多，上傳少，是不對稱的，上行與下行用頻率的利用七三開。而面向工業(yè)應(yīng)用，大部分工業(yè)傳感器上傳消息多，上行發(fā)視頻，下行接受網(wǎng)絡(luò)指令，這是倒的三七開。如果都在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)上有兩個不同配置，它要產(chǎn)生干擾，因?yàn)橐x擇不同的載頻。

面向工業(yè)應(yīng)用，企業(yè)要做專網(wǎng)投資，實(shí)現(xiàn)靈活配置和網(wǎng)絡(luò)安全，這都是好的。問題是需要電信管理部門給它發(fā)放專用頻率，現(xiàn)在歐洲已經(jīng)預(yù)留了76MHz給5G專網(wǎng)用，德國分配了100MHz，上海商飛等企業(yè)也提出建5G專用網(wǎng)。

大多數(shù)企業(yè)可能會找運(yùn)營商公網(wǎng)解決TDD上下配置不對稱的問題，這是需要考慮的問題。

鄔賀銓說，5G是網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的集中體現(xiàn)，除了上述十大網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)，其發(fā)展還面臨頻譜資源、站址選擇、網(wǎng)絡(luò)安全的挑戰(zhàn)。5G與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和人工智能融合發(fā)展，催生新業(yè)態(tài)，但也帶來了社會影響、隱私保護(hù)法律適用上的新風(fēng)險，因此在5G發(fā)展中，要從技術(shù)、管理、法制等方面逐步完善，推動5G應(yīng)用。

（本文根據(jù)錄音整理，未經(jīng)本人審閱。）