摘要：面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智慧城市的高可靠、低時(shí)延等要求，5G以用戶服務(wù)為本的理念代替了互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)效率優(yōu)先原則;為適應(yīng)未來業(yè)務(wù)的不確定性，5G將從傳統(tǒng)電信網(wǎng)的封閉性轉(zhuǎn)為業(yè)務(wù)開放化和協(xié)議互聯(lián)網(wǎng)化。5G試圖兼具互聯(lián)網(wǎng)與電信網(wǎng)的優(yōu)勢，但在實(shí)現(xiàn)上仍面臨諸多挑戰(zhàn)。文章提出了在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與業(yè)務(wù)組織上需要重視的十個(gè)問題。

關(guān)鍵詞：5G;軟件定義網(wǎng)(SDN);網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV);網(wǎng)絡(luò)切片;基于服務(wù)的架構(gòu)(SBA);移動邊緣計(jì)算(MEC)

Abstract: 5G takes the concept ofservice-oriented architecture to replace the priority principle of network efficiency inthe Internet to meet requirements of the industrial Internet and smart cities,such as high reliability and low latency.On the other hand, in order to adapt to theuncertainty of future business, 5G features the openness of services and theinternet protocols, different from the closeness of traditional telecommunication networks. Although 5G tries to have the advantages of bothinternet and telecommunication network, its realization still faces many challenges. In this paper, 10 major issues concerning 5G networking and service offering are discussed.

Key words: 5G; SDN; NFV; network slices;SBA; MEC 2019 年5G開始商用。除中國外，目前已經(jīng)開始5G商用的其他國家的運(yùn)營商都基于非獨(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)移動寬帶能力方面也比NSA 方式有更高的效率。因此，可以說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)是基于無連接模式逐包選路轉(zhuǎn)發(fā)的;而現(xiàn)在5G核心網(wǎng)是面向連接的模式，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)誕生以來從未有過的，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SDN 對所有業(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;另一種方法是僅對部分業(yè)務(wù)流按面向連接轉(zhuǎn)發(fā)，對其他業(yè)務(wù)流將仍按無連接方式處理，以降低對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)，無法實(shí)現(xiàn)開放和互操作的初衷，而且SDN與NFV同時(shí)操作難以避免網(wǎng)絡(luò)資源沖突問題。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。更大的問題在于當(dāng)白盒化網(wǎng)元與原有的網(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，但過去都是預(yù)約建立而非實(shí)時(shí)提供的，且僅對極少數(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)動態(tài)調(diào)整權(quán)限，是前所未有的挑戰(zhàn)。

跨運(yùn)營商網(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)，但這基本沒有可操作性。可取的辦法是僅對時(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)生成而無須預(yù)約。另外，在流量計(jì)費(fèi)的模式下，僅對高端用戶提供能夠保障服務(wù)質(zhì)量(QoS)的VPN 服務(wù)，但對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 的計(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，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。通過智能單元的組合可以產(chǎn)生相應(yīng)的智能，通過業(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)，以此來適應(yīng)5G 新業(yè)態(tài)的不可預(yù)見性。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題。

與智能網(wǎng)不同的是，SBA 是開放的平臺，極大豐富了業(yè)務(wù)智能APP 的來源;但與傳統(tǒng)運(yùn)營商封閉的業(yè)務(wù)能力相比，SBA 的業(yè)務(wù)平臺開放性存在安全風(fēng)險(xiǎn)。與SBA 相配合，5G 移動通信協(xié)議全面互聯(lián)網(wǎng)化，這樣一來互聯(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。但與過去移動通信采用的專用協(xié)議相比，5G 移動通信協(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)踐中需要探索的問題。移動終端、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題。它不僅可能會產(chǎn)生MEC 間大量的開銷、MEC 與中心云的大量交互，還會引入時(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)營商開放MEC 能力。為此，需要為MEC 配置開源平臺與容器等輕量級云技術(shù)以支持第三方邊緣應(yīng)用。

另外，開放MEC 能力對運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)管理與信息安全的影響也難以估量。

(6)5G對同步提出嚴(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)需要同步和絕對時(shí)間對齊。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。如此一來，按不那么精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)來做出網(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 推動運(yùn)營支撐系統(tǒng)的變革。5G 需要實(shí)時(shí)地對網(wǎng)元實(shí)行NFV 功能的指配，對業(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 來協(xié)同。

(8)車聯(lián)網(wǎng)是5G 全新的應(yīng)用場景。為此，5G 專門在無線接入和核心網(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)場景下并不顯優(yōu)勢。車聯(lián)網(wǎng)通常是短包，而傳統(tǒng)的TCP/IP 協(xié)議對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)對點(diǎn)方式，而車聯(lián)網(wǎng)在車到車(V2V)場景下是點(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)延會略有增加。對于面向個(gè)人的通信，目前中國多個(gè)省公用一個(gè)網(wǎng)間直連點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)營商間互通;但車聯(lián)網(wǎng)對時(shí)延特別敏感，歸屬不同運(yùn)營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，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連接，傳輸時(shí)延不超過10 s，丟包率不高于1%。對海量的物聯(lián)網(wǎng)終端需要使用群組認(rèn)證，否則會引發(fā)信令風(fēng)暴。安全算法和協(xié)議也要考慮輕量級，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)，需要使用無線技術(shù);但已有無線技術(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)營商可為企業(yè)提供網(wǎng)絡(luò)切片，但運(yùn)營商的5G 網(wǎng)絡(luò)主要是面向公眾用戶而設(shè)計(jì)的。

考慮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)用可以說是5G新一輪創(chuàng)新的起點(diǎn)。中國率先走SA之路會面臨試錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，也有很多值得思考的問題。5G創(chuàng)新之路還很長。

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作者簡介

鄔賀銓，中國工程院院士，曾任中國工程院副院長，現(xiàn)任國家信息化專家咨詢委員會副主任、國家標(biāo)準(zhǔn)化專家委員會主任、國家互聯(lián)網(wǎng)+專家委員會主任、國家物聯(lián)網(wǎng)專家組組長、國家新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)重大科技專項(xiàng)總師、中國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會咨詢委員會主任，以及IEEE 高級會員等;長期從事數(shù)字和光纖通信系統(tǒng)的研究開發(fā)工作，近十多年來負(fù)責(zé)中國下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程和3G/4G/5G 等研發(fā)項(xiàng)目的技術(shù)管理及重要工程科技咨詢項(xiàng)目研究;曾獲全國科學(xué)大會獎(jiǎng)、國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、郵電科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng);出版專著1 部。

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