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摘要：面向工业互联网和智慧城市的高可靠、低时延等要求，5G以用户服务为本的理念代替了互联网的网络效率优先原则；为适应未来业务的不确定性，5G将从传统电信网的封闭性转为业务开放化和协议互联网化。5G试图兼具互联网与电信网的优势，但在实现上仍面临诸多挑战。文章提出了在网络建设与业务组织上需要重视的十个问题。
关键词：5G；软件定义网（SDN）；网络功能虚拟化（NFV）；网络切片；基于服务的架构（SBA）；移动边缘计算（MEC）
2019 年5G开始商用。除中国外，目前已经开始5G商用的其他国家的运营商都基于非独立组网（NSA）方式起步，即沿用4G核心网，仅增加了5G 基站。5G终端从而可获得比4G更高的宽带能力。中国决定2020年要直接采用独立组网（SA）方式建设5G核心网[1]。SA 能够提供NSA不具备的高可靠、低时延和广覆盖、大连接能力，在增强移动宽带能力方面也比NSA 方式有更高的效率。因此，可以说2020年才是真正的5G元年。
为了适应多业务、低时延、高可靠的业务要求，与4G相比，5G 核心网采用基于服务的架构（SBA）[2]，从而实现业务开放性和切片化、网络功能虚拟化（NFV）[3]、计算能力边缘化、协议互联网化等特点。从50年前互联网诞生到现在，互联网协议，如传输控制协议/因特网互联协议（TCP/IP）是基于无连接模式逐包选路转发的；而现在5G核心网是面向连接的模式，第三层的IP包不再是唯一的转发单元。如上所述的网络体系变革之大是互联网诞生以来从未有过的，5G大规模应用要达到预期的性能将面临诸多挑战。
（1）5G 将要大规模使用软件定义网络（SDN）。SDN实现传送与控制分离，利用网络操作系统集中管理网络，并基于大数据和人工智能为每一个业务流计算出端到端的路由，再将路由信息嵌入源节点的IPv6 扩展报头的标签栈，并沿路径传递到各节点，实现源选路（SRv6）[4]。中间节点只须转发，无须选路，减少或省去了排队时间，以面向连接模式保证低时延转发。
我们虽然期待能够通过SDN 对所有业务流和节点实时优化，但大规模网络低时延响应的多目标优化是难题——路由可能冲突或不收敛。有两种方法可以解决该难题：一种方法是分区域设置SDN，但跨区域的路由组织需要SDN 间交换业务流与网络资源数据，增加实现的复杂性；另一种方法是仅对部分业务流按面向连接转发，对其他业务流将仍按无连接方式处理，以降低对SDN处理能力的压力。
（2）5G 颠覆传统网元的构成方式。通过硬件通用化（白盒化）和软件定义网元功能，NFV 可以根据业务流的需要灵活采用1.5 层、2 层或3 层转发，提高转发效率并显著降低时延。针对不同业务，NFV 要求网元在同一时间呈现不同功能，且这些功能随业务变化而变化。这就需要NFV 对全局业务流和网络资源数据实现精准获取。NFV通过虚拟化实现软硬件解耦，并向硬件资源池化和软件微服务重构发展；但微服务架构缺乏标准，无法实现开放和互操作的初衷，而且SDN与NFV同时操作难以避免网络资源冲突问题。另外，与专用设备相比，白盒化的转发时延可能还要大一些。更大的问题在于当白盒化网元与原有的网元共存于一个网络时，NFV的效果将很难体现。
（3）网络切片是5G 网络与业务的一大特色。网络切片[5]按照业务流的带宽、时延、可靠性等需求，在集中的网络运维系统管理下组织网络资源，为各业务流提供与其业务属性相对应的虚拟专用网络（VPN）通道，支持个性化服务，尤其适应不同垂直行业的需求。虽然VPN 服务在电信网中早就存在，但过去都是预约建立而非实时提供的，且仅对极少数业务流开通。现在5G 网络切片面临着VPN 海量规模、实时性、端到端通道组织等特点，对业务流进行逐一切片未免太理想化了，如30 年前的异步传输模式（ATM）就是前车之鉴。如果网络切片从核心网扩展到接入网，则端到端的切片要随用户移动而变更，这就增加了切片管理的复杂性。至于将VPN 开放给客户以发现、选择、生成、管理并提供按需实时动态调整权限，是前所未有的挑战。
跨运营商网络建立VPN 连接更是难以想象的任务，这需要运营商间相互开放网络资源与业务数据，但这基本没有可操作性。可取的办法是仅对时延、丢包率和可靠性等有较严格要求的业务流提供网络切片。与现有4G 网络的VPN 相比，以上方法可以使VPN 实时生成而无须预约。另外，在流量计费的模式下，仅对高端用户提供能够保障服务质量（QoS）的VPN 服务，但对一般用户有失公平性，因此需要考虑采用以用户价值为中心并考虑QoS 的计费模式。
（4）SBA 是5G的重要创新。SBA 构建了一个业务开放平台，承接各种业务智能单元，像手机上的应用程序（APP）那样实现按需添加。通过智能单元的组合可以产生相应的智能，通过业务的解耦和模块化可以实现灵活调用网络服务，以此来适应5G 新业态的不可预见性。SBA 与电话网中的智能网类似，在海量用户且网络资源有限的环境下，同样会出现智能网中各业务智能单元组合可能冲突的问题。
与智能网不同的是，SBA 是开放的平台，极大丰富了业务智能APP 的来源；但与传统运营商封闭的业务能力相比，SBA 的业务平台开放性存在安全风险。与SBA 相配合，5G 移动通信协议全面互联网化，这样一来互联网上的应用可以直接移植到5G，增强了业务能力。但与过去移动通信采用的专用协议相比，5G 移动通信协议互联网化为互联网上的病毒和木马留了方便之门。为此，5G 在网络安全与信息安全的防护方面需要比4G下更大的功夫。
（5）移动边缘计算（MEC）与5G相伴而行。MEC 实现了云计算能力部分下沉，包括存储与内容分发能力，以适应时延敏感业务的快速处理。在工程上如何合理设置MEC 的粒度是实践中需要探索的问题。移动终端、机器人、网联车等应用需要在MEC 间切换，这就涉及MEC 间协同以及MEC 与中心云间功能合理分配的问题。它不仅可能会产生MEC 间大量的开销、MEC 与中心云的大量交互，还会引入时延。MEC 特别适合于面向垂直行业的应用，因为垂直行业希望运营商开放MEC 能力。为此，需要为MEC 配置开源平台与容器等轻量级云技术以支持第三方边缘应用。
另外，开放MEC 能力对运营商网络管理与信息安全的影响也难以估量。
（6）5G对同步提出严格要求。SDN/NFV 都需要获得所有网元的业务流和网络资源的大数据，各网元的数据需要同步和绝对时间对齐。如果各网元上报的数据时间不够精准，就不可能得到全局视觉。如此一来，按不那么精准的数据来做出网络调度的决策可能更糟糕。现有电气与电子工程师协会标准（IEEE 1588）的同步机制也难以保证所需要的精度，在实际应用中很难满足IEEE 1588 假定双向信道的传输时延相同的前提。
（7）5G 推动运营支撑系统的变革。5G 需要实时地对网元实行NFV 功能的指配，对业务实现切片的组织及生命周期的管理。5G 运营支撑系统（OSS）需要基于业务与网络资源大数据的统计与智能分析，自动生成通信设备与服务的编排方案。为了实时响应，不可能再采取人工网管操作而必须依靠信令控制。全网集中一个OSS 有利于全局掌控，但处理能力与处理时延难以满足要求。如果按区域设置OSS，则各OSS需要互通数据，且还需要有上层中央OSS 来协同。
（8）车联网是5G 全新的应用场景。为此，5G 专门在无线接入和核心网两个方面都考虑保证低时延的措施。但面向个人的通信与车联网有很大的不同：前者平均经过十多个节点；而后者可能只是一两跳，在多跳的环境下对控制时延有显著作用的NFV 和网络切片及SRv6 在车联网场景下并不显优势。车联网通常是短包，而传统的TCP/IP 协议对短包的传输效率不高。传统的个人通信在接入段通常是点对点方式，而车联网在车到车（V2V）场景下是点到多点以及多点到多点方式，甚至是广播方式。
这将增加频率安排的难度，因为难以采用设备到设备（D2D）连接，需要借助网络转接即车-网-车（V2N2V），但时延会略有增加。对于面向个人的通信，目前中国多个省公用一个网间直连点来实现运营商间互通；但车联网对时延特别敏感，归属不同运营商的汽车间的通信需要就近实现网间直连，至少不宜跨出城市范围。也就是说，需要为车联网专门设置城市内的网间直连点。
（9）大连接是5G 应用的一个重要特征。5G 能够实现每平方公里可接入上百万连接，传输时延不超过10 s，丢包率不高于1%。对海量的物联网终端需要使用群组认证，否则会引发信令风暴。安全算法和协议也要考虑轻量级，以免引入不必要的时延和增加物联网终端的能耗。鉴于物联网终端的多种类型，5G 的用户身份管理要适应从全球用户识别卡（USIM）向灵活多样的方式转变。
（10）工业互联网催生5G 专网。产业数字化首先需要将企业的生产装备联网。为了能使机器人、物料小车和生产线上的工件实现联网，需要使用无线技术；但已有无线技术的可靠性、可扩展性与抗干扰能力不适应工业互联网要求。5G 将工业互联网应用视为己命，企业可以利用5G 作为企业内网或广域网的传输手段，5G 运营商可为企业提供网络切片，但运营商的5G 网络主要是面向公众用户而设计的。
考虑到公众通信特别是视频业务的下行数据流规模远高于上行，在时分双工（TDD）模式的同一载频中时隙数的分配是上行少下行多；但工业互联网中传感器通常上报数据多而接受网络指令的数据少，对应的TDD 上下行时隙是上行多下行少。如果TDD 上下行时隙两种不同的分配方案共处同一运营商基站中，那么需要设置在不同载频以避免互相干扰，但这又限制了载频配置的灵活性和有效性。另外，从管理和安全角度考虑，大企业希望建设5G 专网，频率主管部门需要为企业建设5G 专网划出专用频率。
综上所述，建设SA网络和开发SA应用可以说是5G新一轮创新的起点。中国率先走SA之路会面临试错的风险，也有很多值得思考的问题。5G创新之路还很长。
参考文献
[1] 中华人民共和国工业和信息化部. 明年我国将大规模投入建设独立组网的5G 网络[EB/OL].(2019-09-21)[2019-12-23]. http://www.cac.gov.cn/2019-
09/21/c_1570598110843638.htm
[2] 中华人民共和国工业和信息化部. 5G移动通信网核心网总体技术要求: YD/T3615—2019[S]. 北京: 人民邮电出版社, 2019
[3] ETSI. Network Functions Virtualisation(NFV); Virtual Network Functions
Architecture: GS NFV-SWA 001 V1.1.1 [S].2014
[4] IETF. Segment Routing IPv6 for MobileUser Plane [EB/OL]. (2019-11-04)
[2019-12-23].https://datatracker.ietf.org/doc/draft-ietf-dmm-srv6-mobileuplane/
[5] 3GPP. Study on Management andOrchestration of Network Slicing for
Next Generation Network (Rel-15): 3GPP TR28.801 V15.1.0[S]. 2018
作者简介
邬贺铨，中国工程院院士，曾任中国工程院副院长，现任国家信息化专家咨询委员会副主任、国家标准化专家委员会主任、国家互联网+专家委员会主任、国家物联网专家组组长、国家新一代宽带无线移动通信网重大科技专项总师、中国互联网协会咨询委员会主任，以及IEEE 高级会员等；长期从事数字和光纤通信系统的研究开发工作，近十多年来负责中国下一代互联网示范工程和3G/4G/5G 等研发项目的技术管理及重要工程科技咨询项目研究；曾获全国科学大会奖、国家科技进步二等奖、邮电科技进步一等奖等多个奖项；出版专著1 部。
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原文发布时间：2020-01-16
本文作者：邬贺铨院士
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