網(wǎng)絡2030新服務和新能力

周鈺哲 編譯

一、簡介與定義

第五代移動通信技術(shù)（IMT-2020）使大帶寬支持的沉浸式媒體，以及海量機器類通信和超高可靠低時延通信支持的新型關(guān)鍵任務型應用廣泛出現(xiàn)。未來十年，多媒體的進一步發(fā)展將使網(wǎng)絡應用變得更加豐富，更具沉浸性和交互性。因此，未來網(wǎng)絡不僅需要足夠的帶寬和無處不在的連接性，還需提供一些現(xiàn)在尚不支持的新功能?，F(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施基本上都只提供“盡力而為”的網(wǎng)絡服務。差異化網(wǎng)絡服務允許對數(shù)據(jù)流進行優(yōu)先級排序和網(wǎng)絡資源預留。一些傳輸層協(xié)議也通過數(shù)據(jù)重傳等方案設(shè)法增加網(wǎng)絡服務的可靠性。

為支持新應用，未來網(wǎng)絡服務需要超越“盡力而為”的承諾，在時延保證、多信道、多通信方的數(shù)據(jù)包/流同步、數(shù)據(jù)擁塞和資源爭奪等方面，進一步支持“高精度”這一新概念。為滿足上述要求和挑戰(zhàn)，未來網(wǎng)絡需要新的服務和能力。本報告重點介紹支持2030年及以后的新型應用和垂直行業(yè)的新型網(wǎng)絡層服務（簡稱“網(wǎng)絡2030服務”）。網(wǎng)絡2030服務包括基本服務和綜合服務。

本報告中使用的術(shù)語舉例：

· 網(wǎng)絡服務：由網(wǎng)絡提供的服務，使發(fā)送方和接收方能夠相互通信和交換信息。

· 基本網(wǎng)絡服務：基本網(wǎng)絡服務是一種在網(wǎng)絡系統(tǒng)節(jié)點上部署的專用服務，該網(wǎng)絡系統(tǒng)節(jié)點在兩個或多個應用程序系統(tǒng)節(jié)點之間傳遞服務，該服務無法進一步分解。例如，IP數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)是現(xiàn)有的一項基本網(wǎng)絡服務。

· 綜合網(wǎng)絡服務：通過其他網(wǎng)絡服務的組合提供的網(wǎng)絡服務，一般由多個基本服務組成。

· 高精度網(wǎng)絡服務：對服務質(zhì)量級別做出明確、嚴格、精準定義的并提供支持的網(wǎng)絡服務。

· 流：從數(shù)據(jù)源到目的地的一組共享通用屬性的數(shù)據(jù)包序列。

· 數(shù)據(jù)流：可以打包數(shù)據(jù)并映射到一個（或多個）流，以通過網(wǎng)絡服務進行傳遞的應用級別的流。

· 并發(fā)流：協(xié)調(diào)服務中，具有相互依賴關(guān)系的一組流。成員流：并發(fā)流中所包含的各個流。

· 時延：從發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)包開始（即從數(shù)據(jù)包的第一位）到接收方完全接收到數(shù)據(jù)包為止（即到數(shù)據(jù)包的最后一位）所經(jīng)過的時間。

· 丟失率：在給定時間間隔內(nèi)，流中未達到服務要求的數(shù)據(jù)包數(shù)量與流中包含的數(shù)據(jù)包總數(shù)的比率。

· 服務接口：用戶或應用使用網(wǎng)絡服務時的連接的接口。

二、驅(qū)動因素

網(wǎng)絡2030服務的主要驅(qū)動因素包括以下幾個方面：

（一）工業(yè)和機器人自動化

機器對機器通信（M2M）是下一次工業(yè)革命——工業(yè)4.0的核心。M2M通信需要非常高的定時精度來分發(fā)控制命令和收集遙測數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡2030服務需要為數(shù)據(jù)包傳遞提供高等級的可靠性、低時延、高定時精度等能力的支持。

（二）全息媒體和多媒體技術(shù)

全息圖、觸覺和其他感官數(shù)據(jù)將為用戶提供身臨其境的“真實”用戶體驗，并促進用戶在一個“虛—實”界限越來越模糊的世界中互動。這類應用將需要服務具備非常高的數(shù)據(jù)吞吐量、較低的時延、對服務質(zhì)量下降的容忍能力以及能夠協(xié)調(diào)多方數(shù)據(jù)流實時匯集的能力。

（三）自動化和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施

關(guān)鍵任務型應用，如自動駕駛、無人機、自動交通控制系統(tǒng)等，需要在相互之間以及周圍環(huán)境之間進行多種類的實時通信。支持這類應用的網(wǎng)絡服務必須具備安全性、可信性保障，并存在嚴格的問責機制。

（四）應用程序及其需求的多樣性

未來的許多新型應用可能由人工智能（AI）驅(qū)動，涉及人、機器和IT 系統(tǒng)之間大量的數(shù)據(jù)通信。由此產(chǎn)生的某些網(wǎng)絡需求可能會完全超乎人類現(xiàn)在的想象。未來網(wǎng)絡服務需要能夠根據(jù)技術(shù)和應用需求的發(fā)展，進行相應的動態(tài)調(diào)整。

（五）服務問責機制的要求

網(wǎng)絡服務的嚴格要求通常會直接影響網(wǎng)絡運營和維護的成本。服務問責機制則考察服務提供商是否按照協(xié)議提供了相應的服務。建立在證據(jù)基礎(chǔ)上的問責機制可以激勵服務提供商提供新型服務和應用創(chuàng)新。支持服務問責機制的網(wǎng)絡將為服務提供商及用戶帶來更多新的應用產(chǎn)品和服務。

（六）區(qū)分不同程度的失真容限

具有失真容限的應用是指允許數(shù)據(jù)短時間中斷或數(shù)據(jù)部分丟失，并仍能正常運行和使用的應用。未來網(wǎng)絡服務應當能夠區(qū)分不同類型應用對失真的容忍程度，并以更加多樣化的方式來處理各類失真，進一步確定其應用的優(yōu)先級和有針對性的保護方案。

三、網(wǎng)絡2030基本服務

（一）及時和準時服務

1、驅(qū)動因素

網(wǎng)絡2030服務需要遵循嚴格的可量化時延目標，即支持“高精度”通信服務。以觸覺類應用為例，為保證往返控制環(huán)路能夠使在不到10毫秒的時間內(nèi)傳達反饋，觸覺應用要求端到端網(wǎng)絡時延上限為5毫秒。如果不能滿足這么短的時延保證，不僅用戶的體驗質(zhì)量會下降，應用本身也可能會變得毫無意義。再如，某些工業(yè)控制器需要遙測和遙控數(shù)據(jù)流有極其準確的同步和間隔，以促進機器人可沿多個自由度精確運行。

2、服務概述

網(wǎng)絡2030服務中的時延高精度是指數(shù)據(jù)包交付具有精確的時延。在交付時對數(shù)據(jù)包的時延設(shè)定了上下限的服務稱為“及時”和“準時”服務。

及時服務確保以不超過所要求時延的方式交付數(shù)據(jù)包，服務可以在時延期限之前的任何時間送達數(shù)據(jù)包。典型應用是支持緩沖功能的多媒體應用。

準時服務確保數(shù)據(jù)包在特定的時間范圍內(nèi)被送達，即同時具有最大時延和最小時延限制。數(shù)據(jù)包的傳送必須不遲于時間窗口的上限，也不得早于時間窗口的下限。及時服務可被視為準時服務的一種特殊情況。準時服務的解決方案要求網(wǎng)絡能夠緩沖數(shù)據(jù)包或在某些情況下推遲傳送數(shù)據(jù)包。

支持及時、準時服務的網(wǎng)絡需具備對時延的感知功能，以便能夠確定數(shù)據(jù)包是否符合時延目標并做出相應的處理。此外，這類服務還必須能夠評估網(wǎng)絡系統(tǒng)是否能夠滿足時延目標。傳統(tǒng)網(wǎng)絡中，端到端時延約為100毫秒，而網(wǎng)絡2030的可接受時延可能會低得多，并且應能夠提供確定的時延，并在精確的時間內(nèi)運行。

3、現(xiàn)有差距

傳統(tǒng)網(wǎng)絡支持多種機制來減少和優(yōu)化時延。這些機制幾乎都不支持可預先量化的時延目標，只能對網(wǎng)絡時延進行測量，而不能精確達到某一時延。因此，時延結(jié)果只能被接受。網(wǎng)絡2030服務需要解決的差距涉及支持時延目標的能力，這些目標已被精確量化為服務請求的一部分?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，如互聯(lián)網(wǎng)服務質(zhì)量（QoS）體系結(jié)構(gòu)、時間敏感網(wǎng)絡（TSN）、確定性網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)（DetNet）等，都不足以滿足網(wǎng)絡2030服務對時延目標的要求。

（二）協(xié)調(diào)通信服務

1、驅(qū)動因素

網(wǎng)絡2030服務需要遵循嚴格的可量化協(xié)調(diào)目標的通信服務，例如在多方遠程全息會議應用中或在多人交互式、沉浸式游戲中，需要為不同的接收者實時放置虛擬對象。虛擬對象位置的任何更改都應同時在其他位置進行渲染，如果接收器完全不了解彼此的行為，它們將在同一數(shù)字場景的不同視角上運行，進而產(chǎn)生視覺沖突。為了應對網(wǎng)絡中傳遞路徑的異構(gòu)性，實現(xiàn)完全同步的運行，網(wǎng)絡服務需要某種機制能夠同時向各方提供所需信息。

2、服務概述

互聯(lián)網(wǎng)是一個時空異構(gòu)環(huán)境，在時間和空間上會產(chǎn)生不同的內(nèi)容交付行為。在時延、抖動和帶寬方面，沒有任何兩個路徑（甚至同一路徑上不同的流）可以被假定具有相同屬性。然而，許多新興應用都要求在多個流或多個路徑上承載的信息及時傳遞。網(wǎng)絡2030服務中的協(xié)調(diào)通信服務將根據(jù)應用的時間、順序或應用定義屬性等相互依賴的約束條件，在多個數(shù)據(jù)流之間進行協(xié)作。

支持協(xié)調(diào)通信服務的網(wǎng)絡需要明確跨越多個流的各種依賴性或約束條件，并根據(jù)這些約束條件聚合多個流的數(shù)據(jù)，進而呈現(xiàn)給一個或多個用戶。與及時和準時服務的不同之處在于，協(xié)調(diào)服務可能僅具有相對的交付時間約束（例如，指定成員流的時延必須相同，而未指定特定的時延值）。

3、現(xiàn)有差距

對協(xié)調(diào)服務的要求比較復雜。如果完全留給應用來協(xié)調(diào)和管理流會導致端點的負擔過大，端點緩沖區(qū)和內(nèi)存受限也會導致無法完成多個流之間的協(xié)調(diào)。此外，網(wǎng)絡內(nèi)部的動態(tài)變化給應用管理端點的協(xié)調(diào)服務帶來了更多困難?，F(xiàn)有的基于服務器的協(xié)調(diào)一般采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式，路徑帶寬效率低下，內(nèi)容的安全性也受到質(zhì)疑。網(wǎng)絡中的群組通信由組播路由器（PIM協(xié)議）以盡力而為的方式進行支持，該協(xié)議既不攜帶任何依賴關(guān)系的信息，也不主動進行協(xié)調(diào)。

（三）定性通信服務

1、驅(qū)動因素

數(shù)據(jù)包是網(wǎng)絡傳輸?shù)幕締卧?，在網(wǎng)絡中只能被完整地傳輸或丟棄。在可靠的數(shù)據(jù)包傳遞過程中，在接收到發(fā)送失敗的指示后，未能到達其目的地的數(shù)據(jù)包會重新發(fā)送，該過程會花費一些時間并將一直持續(xù)，直到接收者接收到全部完整的數(shù)據(jù)包為止?？梢姡撨^程可能導致相當大的網(wǎng)絡時延。數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中丟失的原因通常有以下三個：

·由于網(wǎng)路擁塞，轉(zhuǎn)發(fā)器的內(nèi)存有限而被丟棄

·設(shè)備或網(wǎng)絡連接錯誤導致數(shù)據(jù)丟失

·網(wǎng)絡連接上的數(shù)據(jù)比特錯誤導致數(shù)據(jù)錯誤

隨著網(wǎng)絡帶寬越來越高，網(wǎng)絡服務傾向于用更大的數(shù)據(jù)包來提供線速數(shù)據(jù)傳輸。因此，重傳的數(shù)據(jù)量將比過去更大。然而“工作保留”原則認為系統(tǒng)應盡可能只執(zhí)行一次工作并保留結(jié)果，以避免多次重復相同的處理步驟。因此，數(shù)據(jù)包某一部分的錯誤或丟失不應該影響已經(jīng)接收到的部分。例如，全息型實時視頻會議可以容忍通信質(zhì)量的下降，但不能容忍數(shù)據(jù)的非連續(xù)傳輸（斷續(xù)的音視頻和凍結(jié)的畫面）。為了保持這類應用的流暢和及時通信，需要采用新的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方案。

2、服務概述

傳統(tǒng)網(wǎng)絡協(xié)議利用丟棄分組來避免網(wǎng)絡擁塞。這類方法都假設(shè)分組的所有部分同等重要。但實際上，數(shù)據(jù)載荷的某些部分對應用而言可能比其他部分更為重要。定性通信服務致力于解決可靠傳輸協(xié)議的時延和工作保留問題。定性通信服務允許發(fā)送方按相對優(yōu)先級對數(shù)據(jù)包中的有效載荷進行分組，然后允許網(wǎng)絡在需要時選擇性地丟棄優(yōu)先級較低的部分。這樣既可以減少網(wǎng)絡擁塞，也可以確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)的連續(xù)性，同時還能最大程度地減少數(shù)據(jù)重傳。

支持定性通信服務的網(wǎng)絡需要具備區(qū)分用戶有效載荷各部分以及各部分優(yōu)先級的能力，同時允許轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點、接收節(jié)點設(shè)備丟棄優(yōu)先級較低的部分。此外，高級定性通信服務還將具備動態(tài)調(diào)整有效載荷中各部分優(yōu)先級的能力。網(wǎng)絡2030定性通信服務是對整個數(shù)據(jù)包丟失的一項實質(zhì)性改進，它可以使數(shù)據(jù)包中的部分內(nèi)容及時地交付，進而實現(xiàn)更精細的帶寬調(diào)節(jié)，從而解決擁塞和數(shù)據(jù)包損壞的問題。

3、現(xiàn)有差距

現(xiàn)有的傳輸解決方案僅在完整的數(shù)據(jù)包上運行，并使用重傳機制來應對由于擁塞或鏈路錯誤導致的數(shù)據(jù)丟失，在較大的顆粒度上維護流的完整性。例如，使用快速重路由（FRR）技術(shù)可以緩解鏈路或設(shè)備故障，但會受到故障檢測時間和重新配置路由路徑的時間的限制。IEEETSN和IETFDetNet采用增加備用系統(tǒng)來減輕誤比特損失、設(shè)備故障損失以及擁塞損失，這將所需的網(wǎng)絡帶寬擴展到兩倍以上。這都與網(wǎng)絡2030服務對時延和帶寬的需求不相符。

四、網(wǎng)絡2030綜合服務

（一）觸覺通信服務

1、驅(qū)動因素

國際電信聯(lián)盟（ITU）將觸覺互聯(lián)網(wǎng)定義為將超低時延與極高可用性、可靠性和安全性相結(jié)合的網(wǎng)絡。觸覺互聯(lián)網(wǎng)將對涉及觸覺的遠程基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備進行實時監(jiān)視、管理和控制。觸覺包括兩種反饋類型：一種是指觸摸物體表面時可以感受到的反饋，例如壓力、紋理、振動、溫度等;另一種是指作用在手臂等執(zhí)行器中的肌肉、關(guān)節(jié)和肌腱上有助于位置感知的重力、拉力等的動覺反饋。涉及以上兩種反饋的通信稱為觸覺通信。

觸覺通信將與遠程醫(yī)療、在線沉浸式游戲、遠程協(xié)作等應用融合，共同構(gòu)成工業(yè)4.0的骨干應用領(lǐng)域。觸覺互聯(lián)網(wǎng)將為觸覺通信提供一種實時傳達觸覺和動覺的媒介，為用戶提供真正的身臨其境的操控感。例如，在遠程手術(shù)場景下，從遠程站點進行操作的外科醫(yī)生，可以實時獲取患者和手術(shù)室的視聽和遙測信息，醫(yī)生可以利用視聽饋送以及從執(zhí)行器反饋的觸覺信息，來操作執(zhí)行器對遠方的患者進行手術(shù)。

2、服務概述

觸覺通信服務都需要網(wǎng)絡具有極低的時延。人腦對不同的感覺輸入具有不同的反應時間，一般是觸覺1ms、視覺10ms、音頻100ms。從人類操作執(zhí)行器到提供觸覺反饋的往返時間大約為5毫秒或更短。如果超過這個時間，這種服務就沒有任何意義了。觸覺通信服務通常涉及以下信道：

·觸覺反饋信道將觸覺數(shù)據(jù)從一個或多個遠程觸覺傳感器（如機械手臂中的傳感器）傳遞到觸覺執(zhí)行器（如數(shù)據(jù)手套），進而將觸覺傳遞給用戶

·控制信道用于操作遠程執(zhí)行器（如機械手臂）

·遠程位置的實時視覺饋送（如高分辨率視頻、VR、全息圖）

·遠程位置的實時音頻饋送

·遠程位置的實時遙測饋送

上述每個信道可以使用單獨的及時和準時服務，為了改善這些信道之間的同步，還可使用協(xié)調(diào)通信服務。觸覺通信的理想指標為端到端時延1-5毫秒、極低數(shù)據(jù)包丟失率、5Gbps-1Tbps的超高帶寬、更嚴格的同步等。此外，網(wǎng)絡應該能夠根據(jù)流的相關(guān)性對流進行優(yōu)先級排序。

3、現(xiàn)有差距

當前存在的主要差距涉及網(wǎng)絡以足夠低的時延來支持基本服務來實現(xiàn)觸覺反饋信道的能力，以及通過極低的丟失率達到較高可靠性的觸覺應用的能力，即缺少滿足性能的網(wǎng)絡2030基本服務。此外，跨更大的網(wǎng)絡和更廣闊的地理區(qū)域的觸覺通信會因信號傳輸無法超過光速而受到距離方面的限制。

（二）全息通信服務

1、驅(qū)動因素

作為用戶與計算機系統(tǒng)進行交互的一種方式，全息圖早已進入了人類的想象。隨著全息顯示技術(shù)取得了長足的進步，全息應用正逐漸成為現(xiàn)實。例如，全息會議將遠程參會者的全息圖投影到本地會議室中。技術(shù)人員能夠與位于遠程位置的物品或設(shè)備的全息偽像進行交互。此外， 沉浸式娛樂、游戲、體育等都是很好的全息通信用例。

全息數(shù)據(jù)再現(xiàn)一般通過全息圖或點云實現(xiàn)。全息圖需要從不同的視角、傾斜度和角度捕獲同一圖像。根據(jù)觀看者相對于圖像的位置，從每個不同的觀察點，都有圖像能夠描繪相同的“物體”或“場景”。例如，在流暢的全息再現(xiàn)中，差異化的圖像間隔通常為0.5°，為適應10°傾斜度以及20°角度的視角差異，就需要含有800個獨立圖像的二維圖像陣列。點云則由體積數(shù)據(jù)組成，即三維框中的一組三維“體積像素（體素）”，從本地的任何視角都可以動態(tài)渲染實際圖像。由此可見，全息通信將導致巨大的帶寬需求。此外，由于用戶可以改變視角或位置，全息通信還需要制定高度自適應和超低時延的控制方案，以便能夠根據(jù)實際情況的改變及時適應并呈現(xiàn)給最終用戶。

2、服務概述

全息通信網(wǎng)絡是用于傳輸包含全息數(shù)據(jù)（即可用于渲染全息圖像的數(shù)據(jù)）的流。通常涉及以下3種類型的全息流：

1. 基于點云的，即發(fā)送方發(fā)送體積數(shù)據(jù)對象，根據(jù)數(shù)據(jù)對象在接收方渲染全息圖。

2. 基于圖像陣列的，即發(fā)送方發(fā)送圖像陣列。

3. 多個攝像機饋送，即由多個發(fā)送者發(fā)送一系列二維圖像，可能還附帶深度信息。

全息通信服務一般包含以下信道：

·全息數(shù)據(jù)信道承載具有嚴格的時延要求的流，某些信道可能具有不同的服務質(zhì)量要求。

·附加信道指示如何合成來自多個全息數(shù)據(jù)信道的圖像。

·反向信道指示如何根據(jù)用戶視角的轉(zhuǎn)移來控制部分全息圖像的出現(xiàn)和消失。

上述每個信道可以單獨使用及時和準時服務。為改善這些信道之間的同步能力，還可使用協(xié)調(diào)通信服務。此外，為緩解數(shù)據(jù)中斷和網(wǎng)絡擁塞，定性通信服務也將被大量應用。全息通信服務的理想指標將達到約10-100毫秒的時延、約60幀/秒的即時觀眾位置適配速度、約1Gbps-1Tbps的帶寬、跨信道同步時延變化不超過7毫秒、支持約1000個并發(fā)流以及在使用強大壓縮技術(shù)情況下的超低數(shù)據(jù)丟失率。另外，全息通信服務應能根據(jù)用戶視角位置和對焦等的變化，對流進行動態(tài)的優(yōu)先級排序。

3、現(xiàn)有差距

當前存在的主要差距為網(wǎng)絡以足夠低的時延和足夠高的帶寬來支持基本服務，從而實現(xiàn)全息數(shù)據(jù)交付的能力，即缺少滿足性能的網(wǎng)絡2030基本服務。此外，現(xiàn)有技術(shù)尚不支持聚合帶寬（一組流之間共享帶寬并動態(tài)分配帶寬的技術(shù)）。為減少全息數(shù)據(jù)量，可利用諸如用戶交互性預測方案之類的正在持續(xù)研究的技術(shù)，在保持可接受的數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時，將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量減到最少。