關(guān)于5G的十點(diǎn)思考

（中國(guó)信息通信科技集團(tuán)有限公司，北京 100083）

(China Information Communication Technologies Group Corporation, Beijing 100083, China)

2019年5G開始商用。除中國(guó)外，目前已經(jīng)開始5G商用的其他國(guó)家的運(yùn)營(yíng)商都基于非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）方式起步，即沿用4G核心網(wǎng)，僅增加了5G基站。5G終端從而可獲得比4G更高的寬帶能力。中國(guó)決定2020年要直接采用獨(dú)立組網(wǎng)（SA）方式建設(shè)5G核心網(wǎng)[1]。SA能夠提供NSA不具備的高可靠、低時(shí)延和廣覆蓋、大連接能力，在增強(qiáng)移動(dòng)寬帶能力方面也比NSA方式有更高的效率。因此，可以說(shuō)2020年才是真正的5G元年。

為了適應(yīng)多業(yè)務(wù)、低時(shí)延、高可靠的業(yè)務(wù)要求，與4G相比，5G核心網(wǎng)采用基于服務(wù)的架構(gòu)（SBA）[2]，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)開放性和切片化、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）[3]、計(jì)算能力邊緣化、協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)化等特點(diǎn)。從50年前互聯(lián)網(wǎng)誕生到現(xiàn)在，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議如傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（TCP/IP）是基于無(wú)連接模式逐包選路轉(zhuǎn)發(fā)的；而現(xiàn)在5G核心網(wǎng)具有面向連接的能力，第三層的IP包不再是唯一的轉(zhuǎn)發(fā)單元。如上所述的網(wǎng)絡(luò)體系變革之大是互聯(lián)網(wǎng)誕生以來(lái)從未有過(guò)的，5G大規(guī)模應(yīng)用要達(dá)到預(yù)期的性能將面臨諸多挑戰(zhàn)。

（1）5G將要大規(guī)模使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）。SDN實(shí)現(xiàn)傳送與控制分離，利用網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)集中管理網(wǎng)絡(luò)，并基于大數(shù)據(jù)和人工智能為每一個(gè)業(yè)務(wù)流計(jì)算出端到端的路由，再將路由信息嵌入源節(jié)點(diǎn)的IPv6擴(kuò)展報(bào)頭的標(biāo)簽棧，并沿路徑傳遞到各節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)源選路（SRv6）[4]。中間節(jié)點(diǎn)只須轉(zhuǎn)發(fā)，無(wú)須選路，減少或省去了排隊(duì)時(shí)間，以面向連接模式保證低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)。我們雖然期待能夠通過(guò)SDN對(duì)所有業(yè)務(wù)流和節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)優(yōu)化，但大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延響應(yīng)的多目標(biāo)優(yōu)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(qū)域設(shè)置SDN，但跨區(qū)域的路由組織需要SDN間交換業(yè)務(wù)流與網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)，增加實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性；另一種方法是僅對(duì)部分業(yè)務(wù)流按面向連接轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)其他業(yè)務(wù)流將仍按無(wú)連接方式處理，以降低對(duì)SDN處理能力的壓力。

（2）5G顛覆傳統(tǒng)網(wǎng)元的構(gòu)成方式。通過(guò)硬件通用化（白盒化）和軟件定義網(wǎng)元功能，NFV可以根據(jù)業(yè)務(wù)流的需要靈活采用1.5層、2層或3層轉(zhuǎn)發(fā)，提高轉(zhuǎn)發(fā)效率并顯著降低時(shí)延。針對(duì)不同業(yè)務(wù)，NFV要求網(wǎng)元在同一時(shí)間呈現(xiàn)不同功能，且這些功能隨業(yè)務(wù)變化而變化。這就需要NFV對(duì)全局業(yè)務(wù)流和網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)獲取。NFV通過(guò)虛擬化實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，并向硬件資源池化和軟件微服務(wù)重構(gòu)發(fā)展；但微服務(wù)架構(gòu)缺乏標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)開放和互操作的初衷，且SDN與NFV同時(shí)操作難以避免網(wǎng)絡(luò)資源沖突問(wèn)題。另外，與專用設(shè)備相比，白盒化的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延可能還要大一些。更大的問(wèn)題在于當(dāng)白盒化網(wǎng)元與原有網(wǎng)元共存于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，NFV的效果將很難體現(xiàn)。

（3）網(wǎng)絡(luò)切片是5G網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)的一大特色。網(wǎng)絡(luò)切片[5]按照業(yè)務(wù)流的帶寬、時(shí)延、可靠性等需求，在集中的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維系統(tǒng)管理下組織網(wǎng)絡(luò)資源，為各業(yè)務(wù)流提供與其業(yè)務(wù)屬性相對(duì)應(yīng)的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（VPN）通道，支持個(gè)性化服務(wù)，尤其適應(yīng)不同垂直行業(yè)的需求。雖然VPN服務(wù)在電信網(wǎng)中早就存在，但過(guò)去都是預(yù)約建立而非實(shí)時(shí)提供的，且僅對(duì)極少數(shù)業(yè)務(wù)流開通?，F(xiàn)在5G網(wǎng)絡(luò)切片面臨著VPN海量規(guī)模、實(shí)時(shí)性、端到端通道組織等特點(diǎn)，對(duì)業(yè)務(wù)流進(jìn)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(wǎng)絡(luò)切片從核心網(wǎng)擴(kuò)展到接入網(wǎng)，則端到端的切片要隨用戶移動(dòng)而變更，這就增加了切片管理的復(fù)雜性。至于將VPN開放給客戶以發(fā)現(xiàn)、選擇、生成、管理并提供按需實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整權(quán)限，是前所未有的挑戰(zhàn)?？邕\(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建立VPN連接更是難以想象的任務(wù)，這需要運(yùn)營(yíng)商間相互開放網(wǎng)絡(luò)資源與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，但這基本沒(méi)有可操作性?？扇〉霓k法是僅對(duì)時(shí)延、丟包率和可靠性等有較嚴(yán)格要求的業(yè)務(wù)流提供網(wǎng)絡(luò)切片。與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的VPN相比，以上方法可以使VPN實(shí)時(shí)生成而無(wú)須預(yù)約。另外，在流量計(jì)費(fèi)的模式下，僅對(duì)高端用戶提供能夠保障服務(wù)質(zhì)量（QoS）的VPN服務(wù)，但對(duì)一般用戶有失公平性，因此需要考慮采用以用戶價(jià)值為中心并考慮QoS計(jì)費(fèi)模式。

（4）SBA是5G的重要?jiǎng)?chuàng)新。SBA構(gòu)建了一個(gè)業(yè)務(wù)開放平臺(tái)，承接各種業(yè)務(wù)智能單元，像手機(jī)上的應(yīng)用程序（APP）那樣實(shí)現(xiàn)按需添加。通過(guò)智能單元的組合可以產(chǎn)生相應(yīng)的智能，通過(guò)業(yè)務(wù)的解耦和模塊化可以實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以此來(lái)適應(yīng)5G新業(yè)態(tài)的不可預(yù)見(jiàn)性。SBA與電話網(wǎng)中的智能網(wǎng)類似，在海量用戶且網(wǎng)絡(luò)資源有限的環(huán)境下，同樣會(huì)出現(xiàn)智能網(wǎng)中各業(yè)務(wù)智能單元組合可能沖突的問(wèn)題。與智能網(wǎng)不同的是，SBA是開放的平臺(tái)，極大豐富了業(yè)務(wù)智能APP的來(lái)源；但與傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商封閉的業(yè)務(wù)能力相比，SBA的業(yè)務(wù)平臺(tái)開放性存在安全風(fēng)險(xiǎn)。與SBA相配合，5G移動(dòng)通信協(xié)議全面互聯(lián)網(wǎng)化，這樣一來(lái)互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用可以直接移植到5G，增強(qiáng)了業(yè)務(wù)能力。但與過(guò)去移動(dòng)通信采用的專用協(xié)議相比，5G移動(dòng)通信協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)化為互聯(lián)網(wǎng)上的病毒和木馬留了方便之門。為此，5G在網(wǎng)絡(luò)安全與信息安全的防護(hù)方面需要比4G下更大的功夫。

（5）移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）與5G相伴而行。MEC實(shí)現(xiàn)了云計(jì)算能力部分下沉，包括存儲(chǔ)與內(nèi)容分發(fā)能力，以適應(yīng)時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的快速處理。在工程上如何合理設(shè)置MEC的粒度是實(shí)踐中需要探索的問(wèn)題。移動(dòng)終端、機(jī)器人、網(wǎng)聯(lián)車等應(yīng)用需要在MEC間切換，這就涉及MEC間協(xié)同以及MEC與中心云間功能合理分配的問(wèn)題。它不僅可能會(huì)產(chǎn)生MEC間大量的開銷、MEC與中心云的大量交互，還會(huì)引入時(shí)延。MEC特別適合于面向垂直行業(yè)的應(yīng)用，因?yàn)榇怪毙袠I(yè)希望運(yùn)營(yíng)商開放MEC能力。為此，需要為MEC配置開源平臺(tái)與容器等輕量級(jí)云技術(shù)以支持第三方邊緣應(yīng)用。另外，開放MEC能力對(duì)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)管理與信息安全的影響也難以估量。

（6）5G對(duì)同步提出嚴(yán)格要求。SDN/NFV都需要獲得所有網(wǎng)元的業(yè)務(wù)流和網(wǎng)絡(luò)資源的大數(shù)據(jù)，各網(wǎng)元的數(shù)據(jù)需要同步和絕對(duì)時(shí)間對(duì)齊。如果各網(wǎng)元上報(bào)的數(shù)據(jù)時(shí)間不夠精準(zhǔn)，就不可能得到全局視覺(jué)。如此一來(lái)，按不那么精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)來(lái)做出網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的決策可能更糟糕?，F(xiàn)有電氣與電子工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 1588）的同步機(jī)制也難以保證所需要的精度，在實(shí)際應(yīng)用中很難滿足IEEE 1588假定雙向信道的傳輸時(shí)延相同的前提。

（7）5G推動(dòng)運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)的變革。5G需要實(shí)時(shí)地對(duì)網(wǎng)元實(shí)行NFV功能的指配，對(duì)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)切片的組織及生命周期的管理。5G運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)（OSS）需要基于業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)資源大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與智能分析，自動(dòng)生成通信設(shè)備與服務(wù)的編排方案。為了實(shí)時(shí)響應(yīng)，不可能再采取人工網(wǎng)管操作而必須依靠信令控制。全網(wǎng)集中一個(gè)OSS有利于全局掌控，但處理能力與處理時(shí)延難以滿足要求。如果按區(qū)域設(shè)置OSS，則各OSS需要互通數(shù)據(jù)，且還需要有上層中央OSS來(lái)協(xié)同。

（8）車聯(lián)網(wǎng)是5G全新的應(yīng)用場(chǎng)景。為此，5G專門在無(wú)線接入和核心網(wǎng)兩個(gè)方面都考慮保證低時(shí)延的措施。但面向個(gè)人的通信與車聯(lián)網(wǎng)有很大的不同：前者平均經(jīng)過(guò)十多個(gè)節(jié)點(diǎn)；而后者可能只是一兩跳，在多跳的環(huán)境下對(duì)控制時(shí)延有顯著作用的NFV和網(wǎng)絡(luò)切片及SRv6在車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下并不顯優(yōu)勢(shì)。車聯(lián)網(wǎng)通常是短包，而傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議對(duì)短包的傳輸效率不高。傳統(tǒng)的個(gè)人通信在接入段通常是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，而車聯(lián)網(wǎng)在車到車（V2V）場(chǎng)景下是點(diǎn)到多點(diǎn)以及多點(diǎn)到多點(diǎn)方式，甚至是廣播方式。這將增加頻率安排的難度，因?yàn)殡y以采用設(shè)備到設(shè)備（D2D）連接，需要借助網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接即車-網(wǎng)-車（V2N2V），但時(shí)延會(huì)略有增加。對(duì)于面向個(gè)人的通信，目前中國(guó)多個(gè)省公用一個(gè)網(wǎng)間直連點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商間互通；但車聯(lián)網(wǎng)對(duì)時(shí)延特別敏感，歸屬不同運(yùn)營(yíng)商的汽車間的通信需要就近實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間直連，至少不宜跨出城市范圍。也就是說(shuō)，需要為車聯(lián)網(wǎng)專門設(shè)置城市內(nèi)的網(wǎng)間直連點(diǎn)。

（9）大連接是5G應(yīng)用的一個(gè)重要特征。5G能夠?qū)崿F(xiàn)每平方公里可接入上百萬(wàn)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）連接，端到端傳輸時(shí)延不超過(guò)10 s，丟包率不高于1%。對(duì)海量的物聯(lián)網(wǎng)終端需要使用群組認(rèn)證，否則會(huì)引發(fā)信令風(fēng)暴。安全算法和協(xié)議也要考慮輕量級(jí)，以免引入不必要的時(shí)延和增加物聯(lián)網(wǎng)終端的能耗。鑒于物聯(lián)網(wǎng)終端的多種類型，5G的用戶身份管理要適應(yīng)從全球用戶識(shí)別卡（USIM）向靈活多樣的方式轉(zhuǎn)變。

（10）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)催生5G專網(wǎng)。產(chǎn)業(yè)數(shù)字化首先需要將企業(yè)的生產(chǎn)裝備聯(lián)網(wǎng)。為了能使機(jī)器人、物料小車和生產(chǎn)線上的工件實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，需要使用無(wú)線技術(shù)；但已有無(wú)線技術(shù)的可靠性、可擴(kuò)展性與抗干擾能力不適應(yīng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要求。5G將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用視為己命，企業(yè)可以利用5G作為企業(yè)內(nèi)網(wǎng)或廣域網(wǎng)的傳輸手段，5G運(yùn)營(yíng)商可為企業(yè)提供網(wǎng)絡(luò)切片，但運(yùn)營(yíng)商的5G網(wǎng)絡(luò)主要是面向公眾用戶而設(shè)計(jì)的?？紤]到公眾通信特別是視頻業(yè)務(wù)的下行數(shù)據(jù)流規(guī)模遠(yuǎn)高于上行，在時(shí)分雙工（TDD）模式的同一載頻中時(shí)隙數(shù)的分配是上行少下行多；但工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中傳感器通常上報(bào)數(shù)據(jù)多而接受網(wǎng)絡(luò)指令的數(shù)據(jù)少，對(duì)應(yīng)的TDD上下行時(shí)隙是上行多下行少。如果TDD上下行時(shí)隙兩種不同的分配方案共處同一運(yùn)營(yíng)商基站中，那么需要設(shè)置在不同載頻以避免互相干擾，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(yè)希望建設(shè)5G專網(wǎng)，頻率主管部門需要為企業(yè)建設(shè)5G專網(wǎng)劃出專用頻率。

綜上所述，建設(shè)SA網(wǎng)絡(luò)和開發(fā)SA應(yīng)用可以說(shuō)是5G新一輪創(chuàng)新的起點(diǎn)。中國(guó)率先走SA之路會(huì)面臨試錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，也有很多值得思考的問(wèn)題。5G創(chuàng)新之路還很長(zhǎng)。