面向融合、智慧、低碳的5G技術演進

段曉東，孫滔

面向融合、智慧、低碳的5G技術演進

段曉東，孫滔

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

隨著5G部署規(guī)模的擴大，產(chǎn)業(yè)界對5G演進的關注度持續(xù)提升。5G演進既是現(xiàn)有5G技術的進一步發(fā)展，也是5G向6G的過渡。2021年4月，3GPP將5G演進命名為“5G-Advanced”。介紹了5G演進的節(jié)奏，歸納了5G技術發(fā)展至今的狀態(tài)，展望了5G演進的方向，提出了以“融合”“智慧”“低碳”3個特征為代表的5G演進趨勢。重點介紹了多媒體增強、異構(gòu)網(wǎng)絡融合、網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)分析等5G演進方向。結(jié)合網(wǎng)絡技術的發(fā)展，指出了5G演進過程中系統(tǒng)設計的重點和難點。

5G演進；網(wǎng)絡架構(gòu)；網(wǎng)絡融合

0 引言

在全球產(chǎn)業(yè)界的持續(xù)努力以及各地政府的支持下，在全球，尤其是中國，5G部署和應用快速發(fā)展。截至2021年年底，中國已建成全球規(guī)模最大的5G獨立組網(wǎng)（5G SA）網(wǎng)絡，實現(xiàn)城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)全面覆蓋、行政村基本覆蓋、重點應用場景深度覆蓋[1]。中國5G基站數(shù)量為142.5萬個，占全球5G基站數(shù)量的70%，5G移動電話用戶達到3.55億戶[2]，占全球5G用戶數(shù)的80%。5G行業(yè)應用也發(fā)展迅速，2021年第四屆“綻放杯”5G應用征集大賽，征集了近7 000家公司的超過1.2萬個項目?！?G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在建項目超過2 000個，涉及遠程設備操控、機器視覺質(zhì)檢、生產(chǎn)效能管控等典型應用場景，并已經(jīng)在采礦、港口、鋼鐵、電力、石油化工等重點行業(yè)領域深度應用，助力企業(yè)提質(zhì)、降本、增效以及綠色、安全發(fā)展[3]。2021年，工業(yè)和信息化部聯(lián)合9個部門，印發(fā)了《5G應用“揚帆”行動計劃（2021—2023年）》。

在5G建設和應用取得快速進展的同時，5G演進成為產(chǎn)業(yè)界新的焦點之一。5G演進擔負著延續(xù)5G生命周期以及向6G過渡的使命。一些新的技術將被引入5G系統(tǒng)，對于持續(xù)發(fā)揮5G的效能起著重要作用。同時，這些技術為6G的發(fā)展拓展了道路。2018年6月初步完成的3GPP Release 15（Rel-15）是5G第一版技術標準，它以“eMBB（增強型移動寬帶）”為重點，定義了5G的基礎系統(tǒng)。在2020年6月完成的3GPP Rel-16是5G國際標準的第二個版本，它完善了5G架構(gòu)設計，支持了三大業(yè)務場景中另外兩種：“URLLC（超可靠低時延通信）”和“mMTC（大連接物聯(lián)網(wǎng)）”。5G第三版技術標準——3GPP Rel-17，預計在2022年6月完成，是5G標準相對完整定義后的第一個標準增強版本。2021年12月，在3GPP的第94次全會上，RAN（無線電接入網(wǎng)）組和SA（系統(tǒng)架構(gòu)）組分別確定了無線電接入領域的28個項目以及系統(tǒng)架構(gòu)領域的28個項目——至此，5G演進的第一個版本的范圍已經(jīng)確定。無線電接入網(wǎng)領域的關鍵技術和系統(tǒng)架構(gòu)領域的這28個項目有關聯(lián)，但并非一一對應。

網(wǎng)絡功能的引入都是先完善基礎架構(gòu)和流程，再完善漫游機制，最后完善開放能力。本文的組織方式如下：以融合、智慧、低碳三大主線介紹5G演進技術，將多種關鍵技術進行歸類。在介紹關鍵技術時，先介紹5G技術標準在3GPP Rel-17的發(fā)展情況，進而介紹該技術在3GPP Rel-18的進一步發(fā)展。

1 面向融合的5G演進技術

1.1 支持沉浸式多媒體實現(xiàn)“虛實融合”

隨著數(shù)字化發(fā)展已經(jīng)成為社會的共識，“數(shù)字孿生”“元宇宙”等理念和方向引起了業(yè)界的廣泛關注。2020年，全球虛擬現(xiàn)實的規(guī)模近千億元，且增長迅速[4]。5G對XR、多媒體方面的支持能力越來越重要。5G第一個技術標準的版本（3GPP Rel-15）是以“eMBB”為代表的技術。因此在支持大帶寬方面有了較好的基礎。在第二版5G技術標準中，3GPP專門針對XR的定義、技術挑戰(zhàn)、與5G的結(jié)合、應用場景進行了系統(tǒng)研究[5]。

在5G演進項目中，支持XR和多媒體業(yè)務能力將從架構(gòu)方面入手，加強對沉浸式VR、遠程控制、多機器人協(xié)作等場景的支持，沉浸多媒體業(yè)務及網(wǎng)絡如圖1所示。

這些場景需提升的能力有3個特征：大流量（1 Gbit/s或更高）疊加低時延；一個業(yè)務由多種不同類型、不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流量進行傳輸；不同業(yè)務流往往需要時間同步，便于在交換式業(yè)務時有最好的業(yè)務體驗[6]。

5G演進的XR及多媒體增強能力是端到端的能力，涉及終端、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、業(yè)務編解碼能力的提升。需要5G的系統(tǒng)設計適應XR的業(yè)務機制，這需要從如下方面著手。

● 業(yè)務感知，結(jié)合上下行業(yè)務特征、應用層特征參數(shù)輔助，感知不同的視頻分塊（tile）。

● 質(zhì)量保障，引入新型的服務質(zhì)量（quality of service，QoS），如分層或幀級的調(diào)度機制，保障接入網(wǎng)資源分配和調(diào)度。

● 多流協(xié)同，支持多流差異化傳輸，進行QoS的協(xié)同控制，并考慮時間同步的傳輸。

● 信息開放，把網(wǎng)絡層信息對應用層開放，從而避免業(yè)務流量的超量發(fā)送，降低擁塞。

圖1 沉浸多媒體業(yè)務及網(wǎng)絡

1.2 空天地一體化深入融合

天地一體化是未來網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢，空天地一體化融合架構(gòu)如圖2所示，衛(wèi)星網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡在通信中是相互補充的關系[7]。5G在第一版技術標準3GPP Rel-15中即提出了衛(wèi)星接入網(wǎng)整合到5G網(wǎng)絡的需求，并從3GPP Rel-16開始研究衛(wèi)星與5G系統(tǒng)的融合架構(gòu)。這種融合從衛(wèi)星作為接入網(wǎng)和回傳網(wǎng)兩種場景入手，會影響到網(wǎng)絡的QoS及移動性管理等機制。3GPP Rel-17標準化了衛(wèi)星作為接入網(wǎng)和回傳網(wǎng)時不同的融合類型，具體如下。

● 在業(yè)務質(zhì)量方面：根據(jù)融合的類型動態(tài)調(diào)整QoS策略、參數(shù)及信令狀態(tài)機定時器，從而適配不同的傳輸場景。

● 移動性管理方面：通過衛(wèi)星可調(diào)波束和星間接力覆蓋的方式確保TA（tracking area）相對地面不變，從而對5G系統(tǒng)的移動性管理基本無影響。

● 選網(wǎng)機制方面：明確了終端在初始注冊和會話建立時，5G網(wǎng)絡基于用戶位置判斷是否允許接入以及指示終端重選其他網(wǎng)絡等機制，從而解決衛(wèi)星覆蓋面大、橫跨多個國家和地區(qū)的問題。

圖2 空天地一體化融合架構(gòu)

5G演進階段將進一步深化衛(wèi)星網(wǎng)絡與移動網(wǎng)絡的融合[8]。從接入網(wǎng)的RRU（remote radio unit）在衛(wèi)星上，到接入網(wǎng)的BBU（building base band unit）與衛(wèi)星融合，甚至核心網(wǎng)的UPF（user port function）上星都是5G演進需要探討的內(nèi)容。這種融合的架構(gòu)使得基于衛(wèi)星的本地轉(zhuǎn)發(fā)成為可能，從而增強數(shù)據(jù)業(yè)務的安全性，得以優(yōu)化傳輸路徑。當衛(wèi)星作為回傳時，動態(tài)地檢測回傳網(wǎng)絡的特性，如帶寬和時延，并將該信息對外開放。

1.3 無線有線及局域網(wǎng)絡融合

多接入網(wǎng)絡中具有“數(shù)據(jù)包”并發(fā)的更細粒度的融合與調(diào)度。無線有線融合通常的目的是最大可能地提升帶寬、降低時延，這進一步增強了XR、全息等業(yè)務的傳輸保障。3GPP接入與非3GPP接入的融合從4G時期就已經(jīng)開始，5G時期的融合更加徹底[9]，體現(xiàn)在以下幾個方面。

● 接入信令的融合，非3GPP直接支持N2/N3接口，終端支持N1接口（5G NAS）。

● 架構(gòu)的融合，不再使用非3GPP的AAA，而是基于5G的AUSF/UDM進行統(tǒng)一的認證。

● 更細粒度的流量調(diào)度，實現(xiàn)從“流”粒度的并發(fā)到“數(shù)據(jù)包”粒度的并發(fā)，即同一數(shù)據(jù)流可通過如MPTCP（multi-path transmission control protocol）的方式承載在多種接入網(wǎng)上。

這種多路徑的能力使得網(wǎng)絡可以靈活地進行不同策略的分流，分流策略有4種：主備模式、最低時延模式、優(yōu)先模式以及負載均衡模式。MPTCP[10]的方案，顧名思義是處理TCP的流量。在5G的演進中將對UDP（user datagram protocol）流量（這種流量在流媒體業(yè)務中更為常見）進行并行傳輸，其方案是MPQUIC（mutipath quick UDP internet connection），即多路徑的QUIC（quick UDP internet connection）協(xié)議。此外，將考慮在4種模式基礎上增加冗余傳輸模式。

從面向企業(yè)的5G局域網(wǎng)向面向個人的5G家庭網(wǎng)絡、近場網(wǎng)絡擴展。面向工業(yè)現(xiàn)場，5G在3GPP Rel-16定義了“5G局域網(wǎng)”技術，支持機制包括本地轉(zhuǎn)發(fā)、組管理、點到多點通信等。為了進一步提升其對工業(yè)局域網(wǎng)的支撐能力，在5G演進中將進一步增強其對移動性管理、QoS的支持。此外，隨著個人用戶數(shù)字化設備和服務的增強，5G演進將考慮與家庭網(wǎng)絡的融合。這將把5G與家庭的多種接入設備關聯(lián)在一起，從而實現(xiàn)多種設備的互通、控制、數(shù)據(jù)采集、測距等能力。

2 智慧的5G演進技術

2.1 完善數(shù)據(jù)智能分析架構(gòu)

5G的發(fā)展正值AI技術熱潮的時期，因此其對AI及大數(shù)據(jù)處理能力的支持順理成章。5G分別在系統(tǒng)架構(gòu)、接入網(wǎng)、網(wǎng)管方面都大幅度地拓展了對智能化的支持。在系統(tǒng)架構(gòu)方面，智能化、網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)的分析能力（network data analytics function，NWDAF）在5G技術標準的第一個版本中即予以引入，初始只是和網(wǎng)絡的策略控制功能交互并主要處理網(wǎng)絡切片的選擇。在5G的第二版中，其功能擴展到處理用戶體驗質(zhì)量（quality of experience，QoE）及服務等級協(xié)定（service-level agreement，SLA）、網(wǎng)絡負載的分析、用戶行為的分析等。同時，大數(shù)據(jù)的分析能力也從集中式向分布式演進，對網(wǎng)絡切片等場景予以支持。大數(shù)據(jù)分析的功能也分成數(shù)據(jù)分析和模型訓練功能。網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)分析功能架構(gòu)如圖3所示[11]。

5G演進的方向上，網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)的分析將增強其漫游能力、提升模型分析的精確性、引入對聯(lián)邦學習等訓練模式的支持。在數(shù)據(jù)來源上，也將數(shù)據(jù)從終端、網(wǎng)管、控制面的數(shù)據(jù)進一步向用戶面數(shù)據(jù)擴展。這些更豐富的數(shù)據(jù)，結(jié)合對模型輸出結(jié)果的反饋等將被用于提升模型分析的精確性方面。在服務能力上，網(wǎng)絡的智能化能力也向平臺化發(fā)展，對外提供網(wǎng)絡數(shù)據(jù)分析服務。

圖3 網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)分析功能架構(gòu)

2.2 面向智能、自治的管理能力

在網(wǎng)絡管理方面，網(wǎng)絡的自治、自動化是其目標。3GPP在5G階段定義了網(wǎng)管數(shù)據(jù)分析服務（management data analytics service，MDAS）能力[12]，使能網(wǎng)絡服務管理及編排的自動化?？紤]網(wǎng)絡的智能化是一個分階段發(fā)展的過程，國際標準對網(wǎng)絡自治能力分級進行了研究，規(guī)范了自治網(wǎng)絡及自治網(wǎng)絡分級的概念、用例及需求，分階段實現(xiàn)網(wǎng)絡完全自治的目標。從執(zhí)行、感知、分析、決策、意圖處理幾個維度出發(fā)，網(wǎng)絡自治等級評估的工作流中的任務分類如圖4所示，將全手工網(wǎng)絡運維作為“Level 0”，逐步提升自動化的程度，定義了輔助運營、初級自治、中級自治、高級自治、完全自治共5個自治等級[13]。

圖4 網(wǎng)絡自治等級評估的工作流中的任務分類

在5G演進的階段，網(wǎng)絡從傳統(tǒng)網(wǎng)元或網(wǎng)絡功能的生命周期管理向AI模型的生命周期管理擴展。對于網(wǎng)絡自治分級的方法，不同運營商的分級標準可能不同。但一些KPI的定義，對網(wǎng)絡自治的發(fā)展起到更多的指導作用。另一方面，“意圖網(wǎng)絡”的理念也將結(jié)合到5G網(wǎng)管中，通過將運營商的網(wǎng)絡意圖目標輸入轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡的控制和管理操作，來實現(xiàn)網(wǎng)絡的自治能力。

2.3 逐漸深化的接入網(wǎng)及空口智能

在接入網(wǎng)領域，從無線大數(shù)據(jù)采集和分析架構(gòu)及AI對空口的支持兩大方向入手[14]。其設計的理念是基于現(xiàn)有的架構(gòu)、聚焦于AI的輸入和輸出、不涉及AI模型的訓練及算法定義，接入網(wǎng)智能的功能框架如圖5所示。網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)分析將有利于接入網(wǎng)的節(jié)能、負載均衡及移動性的優(yōu)化。

在5G演進中，將綜合考慮性能和復雜性，聚焦于CSI（channel state information）反饋增強、波束管理、NLOS（non line of sight）場景定位精度提升三大場景，定義關鍵指標及仿真評估方法。

圖5 接入網(wǎng)智能的功能框架

3 低碳的5G演進技術

3.1 終端及無線節(jié)電

因為引入大規(guī)模天線等技術，從每比特的傳輸效率來看，5G比4G更節(jié)能。除了無線效率的提升外，降低網(wǎng)絡輕載、中等負載情況下的能耗具有較大的優(yōu)化空間。一種設計方式是高頻和低頻的聯(lián)合設計：低頻承載公共信道，實現(xiàn)UE的附著；高頻承載控制及數(shù)據(jù)信道，從而在沒有數(shù)據(jù)傳輸時，關斷高頻信號。終端通過低頻信道獲取高頻信道的信息。在射頻單元方面，可優(yōu)化AAU（active antenna unit）架構(gòu)設計，提升基帶處理能力[15]；通過基站的符號/通道級別的靜默、設備休眠功能等方案實現(xiàn)系統(tǒng)性的低碳排放。分析報告[16]系統(tǒng)地研究了終端節(jié)電的方案，包括不同的節(jié)電模式設置?；谄涠x的功耗模型，將在5G演進階段通過設置基站節(jié)能的參考配置，結(jié)合實際運行的配置參數(shù)和狀態(tài)得到實際的相對功耗[17]。

3.2 綠色網(wǎng)絡技術

自從2015年12月《巴黎協(xié)定》通過以來，綠色低碳在移動通信領域產(chǎn)生了廣泛的影響。多個行業(yè)組織，如GSMA、NGMN、3GPP等都啟動了相關項目。文獻[18]從終端及用戶設備、站點、網(wǎng)絡設備、網(wǎng)絡的規(guī)劃和優(yōu)化4個方面討論了5G可能存在的節(jié)能創(chuàng)新點，能耗的費用占網(wǎng)絡總費用約23%。多個歐洲運營商參與了GSMA的評估項目[19]，無線電接入網(wǎng)（RAN）的能耗占比73%（0.24 kW·h/GB），核心網(wǎng)占比13%，運營商自己的數(shù)據(jù)中心占比9%。當然，這些是從部分運營商的數(shù)據(jù)中獲得的，全球來看，數(shù)據(jù)可能會有一些變化，特別是中國運營商，往往自身擁有較大的數(shù)據(jù)中心。3GPP在5G開始前的2017年即完成了能效的系統(tǒng)研究項目，定義了節(jié)能的KPI[20]。該研究項目涉及蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)能控制、接入網(wǎng)與其他子系統(tǒng)的節(jié)能協(xié)同、站點級的節(jié)電、自組織網(wǎng)絡中的節(jié)能、上下文分析的節(jié)能等方面。3GPP全會將進一步的主要工作轉(zhuǎn)交給3GPP網(wǎng)管組完善。

基于AI輔助的節(jié)能成為新興關注的方向。結(jié)合智能算法對網(wǎng)絡進行規(guī)劃、對用戶的流量進行預測，從而優(yōu)化站點頻點的關斷和開啟。這些技術在AI項目、XR增強項目等方面也都有所應用。

4 結(jié)束語

5G演進的第一個版本（3GPP Rel-18）開啟了沉浸式多媒體服務的時代。無論是產(chǎn)業(yè)界的關注程度還是國際標準組織的投入程度，都主要聚焦于XR和多媒體的服務能力，因而可以說，5G演進從對XR和多媒體的服務拉開帷幕。正如文獻[21]所說，“XR將是下一代移動計算的平臺”。

“融合、智慧、低碳”的主題將從5G演進延續(xù)到6G。本文初步展望了5G演進的趨勢和關鍵技術，同時還可以預期一些新的5G演進技術將在未來登上移動通信的舞臺。在“融合”方面：可以預期感知與通信的融合、算力與移動網(wǎng)的融合、數(shù)字孿生網(wǎng)絡[22]的虛實融合等技術將在5G演進的后期，即在3GPP Rel-19及更晚的版本中進行研究。在“智慧”方面，AI結(jié)合5G仍需在技術完善及應用場景上有所發(fā)展，特別是后者亟待突破[23]。5G演進中對蜂窩網(wǎng)與智能化的探索將為6G的“智慧內(nèi)生”[24]打下基礎。而“低碳”已經(jīng)成為全球通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主題。北美的“下一代網(wǎng)絡聯(lián)盟”發(fā)布的《（6G路徑）》[25]報告也把系統(tǒng)性的能效提升作為6G的六大目標之一。

像引入新的API一樣，引入網(wǎng)絡能力。對網(wǎng)絡架構(gòu)來說，“架構(gòu)智簡、功能智強”是其不斷追求的目標。5G演進的新能力應盡可能減少對現(xiàn)有網(wǎng)絡功能的影響，降低與現(xiàn)有功能的耦合。5G網(wǎng)絡應該像引入API一樣引入新的網(wǎng)絡能力。只有這樣，5G系統(tǒng)在不斷豐富的同時，才不會對現(xiàn)有網(wǎng)絡造成沖擊。

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Towards converged, intelligent, low-carbon characterized 5G-Advanced technologies

DUAN Xiaodong, SUN Tao

China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China

With the expansion of 5G deployment scale, the industry has paid more attention to 5G evolution. It is not only the extension of the existing 5G technology, but also a transition from 5G to 6G. In April 2021, 3GPP named 5G evolution as 5G-Advanced. The process of 5G-Advanced was introduced. The status of 5G technology so far was summarized, and the direction of 5G evolution technologies were analyzed. Converged, intelligent and low- carbon as the three characteristics of the 5G evolution was proposed. More specially, the multimedia enhancement, heterogeneous network convergence and network big data analysis were introduced. Considering the network technology development, difficulties and key aspects of the system design were also identified.

5G-Advanced, network architecture, network converged

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022045

2022-02-07；

2022-02-27

孫滔，suntao@chinamobile.com

國家自然科學基金資助項目（No.62032003）；國家重點研發(fā)計劃項目（No.2020YFB1806801，No.2020YFB1806800）

The National Natural Science Foundation of China (No.62032003), The National Key Research and Development Program of China (No.2020YFB1806801, No.2020YFB1806800)

段曉東（1977? ），男，中國移動通信有限公司研究院正高級工程師、副院長，IMT-2030 (6G) 推進組網(wǎng)絡技術組組長，主要研究方向為5G/6G 網(wǎng)絡架構(gòu)、IP 新技術、IPv6、算力網(wǎng)絡等。

孫滔（1981? ），男，博士，中國移動通信有限公司研究院正高級工程師、首席專家，國際標準化組織3GPP SA2副主席，中國科學技術協(xié)會第十屆全國委員會委員，長期從事移動通信網(wǎng)架構(gòu)及IP新技術研究及國際標準化工作。