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5G通信技术的竞争早已在全球掀起浪潮,高带宽低延迟的特性使得5G技术在人工AI、自动驾驶、虚拟现实等领域也十分吃香。更是在今年4月,华为发布6G白皮书,直言道:“6G将在2030年左右推向市场”。这些让很多网友发出吐槽:我连5G都没用上,怎么6G就要来了?


确实,国内5G网络发展迅猛,但覆盖率远远不及4G,同时也更多的集中于制造业、矿山开采、能源管理等工业商用领域,日常生活根本接触不到,对于5G无法形成一个直观的体验,更别提6G了。我国5G商用已满一年, 6G的研究在去年启动。面向2030年,移动通信会发生哪些改变,6G将带来哪些应用,6G的网络结构又将如何构成?中国移动研究院首席专家、6G项目总监刘光毅在日前由中国移动研究院主办的“6G系列研讨会”第二次会议上,详细阐述了6G网络架构。

1、6G网络架构设计理念


6G 网络秉承兼容、跨域、分布、内生、至简、孪生六大设计理念进行架构设计。


兼容设计:移动通信网络沿着 IP 化、云化、服务化的方向发展变革, 6G 架构设计将延续这些柔化发展方向,实现前后向兼容。在连接柔化方面,6G架构将在端到端IP化的基础上,进一步实现确定性IP;在资源柔化方面,6G 架构将在云化的基础上,进一步实现算网一体;在功能柔化方面,6G 架构将在核心网服务化的基础上,进一步实现全域服务化和服务化技术演进。这三个柔化方向的持续发展,都将充分延续 5G 的架构优势,支持 5G网络平滑发展演进为 6G 网络。


跨域设计:6G 架构设计将支持管理固定、移动、卫星等多种接入, 支持管理公众/行业、物理/数字的多种网络,支持网内不同域的协同。面向端到端、全域全网提供质量可保障的信息通信服务,要求 6G 架构面向固定、移动、卫星等多种接入进行跨域一体化设计,在架构层面实现多接入的控制融合、业务融合及管理融合。面向公众和行业的多样应用场景,要求 6G 架构面向不同组网方式、不同功能需求进行核心网、传输网、接入网等多域的跨层、一体化设计,在架构层面实现网络组织的融合。


分布设计:6G 架构设计将由集中规划式向分布自治式转变,满足大规模组网下的海量连接和极致性能要求。6G 时代将出现控制面时延


内生设计:6G 架构设计将由外挂式向内生式转变,包括安全内生、AI 内生,在架构中内置核心能力。面向多域融合、连接泛在、资源异构的 6G 网络,增量式、补丁式的能力增强难以满足大规模组网下的多样化、多元化服务需求,需要将安全、AI 等核心技术能力内置在 6G 架构中,并渗透到各领域、各网络、各单元的全生命周期中,通过内生设计实现安全、AI 等核心技术能力与通信网络最深程度的融合。


至简设计:6G 架构设计将由复杂增量式向至简一体式转变,对外呈现为一体化系统,对内微服务化。对外,界面清晰成本可控,呈现易实施易部署的一体化架构,屏蔽内部复杂逻辑、操作指令和业务参数的暴露,便于运维人员使用、外部系统对接、用户/客户调用。因此,需要一方面从整体上结构化极简化功能集合,整合零散的服务功能,减少网络复杂度;另一方面进一步深化微服务理念,细化服务和功能的颗粒,减少服务间的耦合度,并支持智能化的组织能力,降低系统维护难度。


孪生设计:6G 架构设计将从单纯的物理网络实体向物理+数字孪生方向演进,实现虚实映射、虚实交互。6G 网络需构建平行的物理和数字网络,形成虚实融合管理手段,一方面支持不同的网络和业务形态的实时建模,另一方面支持从虚拟向物理实体灵活实时的一体化策略控制,进一步支持基于数字系统实现物理系统的预测和迭代。


2、6G网络将达到什么能力


通过对应用场景的理解和分析,6G网络性能指标的定位包括了几个方面:


一是6G网络的峰值速率要达到太比特级(Tbps);


二是用户体验速率达到吉比特级(Gbps);


三是用户的时延接近实时处理海量数据;


四是无线网络的可靠性接近有线传输;


五是6G流量密度和连接数密度比5G提升至少10倍,甚至千倍;


六是支持高速移动通信,速度突破1000公里/小时,不仅支持高速铁路的通信覆盖,还支持对飞机的覆盖;


七是在频谱效率上能够有两到三倍的提升。


6G网络能够带来一些全新的能力,比如达到亚米级甚至厘米级的定位精度,还有超低的时延抖动和超高的安全性,以及全新的网络智慧等级。为了满足这些指标,6G需要在频谱的使用范围、使用效率、网络架构、功能以及安全和AI方面进行全新的变革,以此满足6G业务和应用需求。

3、6G 网络架构全视图


作为一个复杂的系统,6G 网络架构设计需从多个视图考虑,多个维度设计。白皮书从空间视图、逻辑视图和功能视图阐述了“三体四层五面”的 6G 总体逻辑架构。在 6G 总体逻辑架构中:


“三体”是架构的空间视图,描述 6G 网络实体的客观存在形式,分为网络本体、管理编排体和数字孪生体。


“四层”是架构的逻辑视图,展现 6G 网络设计的结构与组织,由资源与算力层、路由与连接层、服务化功能层、使能层组成。


“五面”是架构的功能视图,展示 6G 网络功能的划分和组成,包括控制面、用户面、数据面、智能面与安全面五个基本功能面。


以“三体四层五面”的总体架构为基础,通过服务定义端到端的系统,构成全服务化架构 HSBA(Holistic Service-Based Architecture)。HSBA 设计了整个端到端系统的交互形式,包括组件、协议和连接,是基于服务化接口进行信息传递和业务处理,体现了整个 6G 网络架构的系统设计方法。


以“三体四层五面”的总体架构为基础,在组网中达到灵活智能的设计,构 成分布式自治网络架构 DAN(Distributed Autonomous Network)。组网设计展现了 6G 网络之间的连接关系和组网形态,由功能自包含、同质化的、自闭环的微云单元 SCU(Small Cloud Unit)组成,采用集中加分布的方式部署,分布式部署的 SCU 采用至简设计,作为靠近用户的前台,集中式部署的 SCU 功能相对完备,作为靠近用户的中后台。


“三体四层五面”的 6G 总体架构,从空间、逻辑与功能组成三个角度呈现一个跨域、跨层、多维的 6G 网络。


“三体四层五面”的 6G 总体架构


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“体”是架构的空间视图,立体的描述了网络的构成。“层”是架构的逻辑视图,从逻辑上描述网络的分层架构,在实现过程中,可被一体化集成。“面”是架构的功能视图,主要是指功能类别,沿用传统 3GPP 网络中控制面和用户面的“面”的概念。


6G 网络在空间视图上包括网络本体、管理编排体、数字孪生体三大实体。其中管理编排体和数字孪生体是在 6G 中新定义的两个实体。网络本体是最重要的网络实体,实现网络功能和网络运行;管理编排体对网络进行实例化及变更操作,实现全生命周期编排管理;数字孪生体构建了网络的数字空间,实现了虚实映射。随着数字孪生技术的发展以及整个网络运维越来越复杂,并考虑到网络故障的高代价以及昂贵的试验成本,需要在传统物理网络进行外部抽象映射,建立一个新的发展体系,构建全新的数字孪生体,通过虚实结合的闭环控制,来改变现有网络规、建、维、优的既定规则,有效保障网络运维,实时优化网络,实现未来网络自治。


6G 网络逻辑层次上自下而上包含资源与算力、路由与连接、服务化功能、 开放使能“四层”,拉通 6G 网络本体的逻辑层。“四层”的设计一方面突出了 6G架构在分层要素和能力上的丰富,另一方面体现了跨域拉通、多域协同及融合发展的理念。资源与算力层的设计理念突出了“算力”资源要素,将为 6G 提供频谱、存储、算力、网络进一步融合的基础资源。路由与连接层:延续开放协议的设计理念,不断吸收新机制和新协议(如确定性 IP、SRv6),向可编程、确定性演进。服务化功能层延续服务化的设计理念,SBA 从核心网拓展到端到端的领域,支持不同功能的有机构建。开放使能层:进一步丰富对外开放的信息和通信能力,通过提取、封装、编排、组合,为自有业务和第三方应用提供服务。


6G 网络功能构成方面,增强传统控制面、用户面功能,并引入新的数据面、 智能面、安全面,共同组成“五面”。控制面进一步增强,向全服务化方向演进,实现多种接入方式的融合控制。增强用户面,向可编程、服务化、跨域确定性方向演进,实现灵活、高性能转发。新增数据面,解决用户数据迁移的历代难题,系统性地提供可信数据服务。新增智能面,通过分布式智能节点的协同提供全局AI 能力,实现智能内生。新增安全面,以“安全数据+AI”为驱动的安全感知和主动防护,零信任的安全体系,实现安全内生。


随着数字孪生等技术的发展以及网络运维复杂度的提升,需要在传统物理网络进行外部抽象映射,建立一个新的发展体系,构建全新的数字孪生体,通过管理编排体对网络本体实现闭环控制。


网络本体包括传统意义上的基站、核心网、传输承载等物理设备。网络本体是为用户提供信息服务的真实的、实际运行的网络,是架构实现的载体。在基础资源上,引入“算力”作为新的资源要素。网络从调度连接向 调度算力资源扩展,为 6G 新的网络能力,如感知能力、智能内生能力提供基础。


在提供方式上,从云化、软件化进一步向池化发展。网络本体逐步发展为一个可调度的、可流动的灵活的实体。一体化、池化的提供连接、计算、存储的能力。


在服务能力上,进一步向服务化、平台化网络发展。6G 将深化 5G 开启的网络平台能力。如,以用户管理、连接管理、服务管理、移动性管理等基础模块化服务为基础,构建面向特定场景的功能和服务能力。


管理编排体是对网络资源、网络能力进行智能的编排管理,实现网络全生命周期管理的功能实体。


管理编排体的主要操作对象是网络本体,同时也对孪生体进行编排和 优化。管理编排体根据用户的业务以及网络本身运维运营需求,统一编排所需要的资源和功能,形成所需的能力,保证用户的业务体验。管理体可通过与孪生体交互,接受孪生体输出的网络配置参数,对物理网络进行编排管理,从而实现网络自动化运营,提升网络对新业务、新场景和新需求差异化需求的适应性。


整合多方资源,端到端拉通以实现管理系统的更新换代。面向网络资源,管理编排体需具备对频谱、存储、算力等相关资源的统筹和精细化管理能力。面向网络能力,管理编排体需拉通端到端网络的各层、各面,将连接能力、算力能力、智能能力、安全能力等编排为可对内对外提供的服务,并通过开放使能层对外提供。借助网络智能化和自动化等技术手段实现网络自治的闭环管理运维。


数字孪生体是物理实体对象在虚拟空间中的映射,实现网络的低成本试错、智能化决策、高效率创新。


对网络本体进行部分或者全部孪生镜像。构建一个网络孪生体需要数据、模型、映射和交互四个关键要素。6G 网络架构中所有网络功能均可以按需构建对应的网络功能孪生体,孪生体与真实物理网络可实时交互数据,通过建模和映射还原真实物理网络的运行状态和环境,进行网络部署前预验证,进而提供网络策略最优解,提升网络决策和部署的可靠性。


通过内外闭环,助力 6G 网络实现智能面,达成柔性网络和智慧内生等目标。网络运维和优化、网络智能化应用、意图驱动的网络智能自治、以及网络新技术、新业务创新等均可通过北向接口向孪生体输入需求,并通过网络孪生体的模型化实例进行业务的部署和验证。通过孪生体的内生闭环,验证网络能力,验证后,孪生体通过南向接口将控制更新下发至物理实体网络。


资源与算力层是 6G 网络的物理资源,包括频谱、存储、算力、网络等基础资源。4G 完成核心网软硬件解耦,5G 核心网完成云化、并向无线云化扩展。以之为基础,6G 网络向以算力网络为典型特征的一体化网络演进。6G 网络跨域设计、分布式的设计思路,要求无线和网络架构融合,资源共享。因此,6G 网络将聚合端、边、网、云的物理资源,以算力为核心,实现网络、算力和存储的深度融合,实现信息通信资源的智能调度和优化利用,为上层服务提供物理资源。


路由与连接层将 6G 网络中的物理节点连接成网,实现状态的感知、确定性的转发、灵活的服务化调用。


对下实现物理连接。路由与连接层根据时间、空间等要素,通过静态、动态连接等多种方式,将资源与算力层的各种物理节点连通,组成有机网络。并动态的感知节点状态、链路状态,实时调整网络连接,实现网络的路径最优和实时可达。


对上构建逻辑连接。路由与连接层为服务化功能层的各实体之间提供安全、具备 QoS 保障的逻辑连接,实时感知功能层的工作状态和负荷情况,接收并解析功能层的微服务消息、数据报文,并实现高效路由、无状态传输、确定性转发。构建高效、智能、安全、可靠的连接基座。根据至简设计的原则,路由与连接层具体设计时,可以采用通用、统一的接口协议。


6G 系统架构中的服务化功能层有很多网络的核心环节和能力需要增加并单独考虑,因此在增强传统控制面、用户面基础上,增加独立的数据面、智能面、安全面,实现智慧内生、安全内生。

4、6G网络结构六个基本特征


2019年,中国移动提出6G将有五个方面特征,今年刘光毅认为,还可以加上数字孪生的基本特征。


6G网络第一个特征是按需服务。6G会有更多新业务、新场景,用户多元化、个性化,网络要进一步提升感知能力,包括行为、业务、意图的感知,根据用户业务需求配置网络资源,提供体验保障。


第二个特征是至简网络,多种接入技术接入一张核心网,接入网实现即插即用。通过架构、功能、协议的简化,实现网络精准服务的同时,节省成本、节约能耗。实现轻量级的无线网络。未来接入网络分为两层,一层是信令接入层,另一层是数据接入层。通过分开部署,节约基站部署的数量,基站功能可以分阶段按需加载,而不是全功能基站加载。


第三个特征是柔性网络,以用户为中心,按需网络生成,而且网随人动。网络功能去中心化管理,支持独立的网元和服务的伸缩、演进和灵活的部署,实现端到端的微服务化网络。


第四个特征是智慧内生。AI技术有长足进步,5G已经考虑使用AI的智慧化,但5G的AI是一种外挂式或者说是嫁接式的应用,很难做到像人类神经网络一样的一种内在能力。期望6G网络中,能够把AI做成神经系统。为了满足智慧内生,需要在6G网络中引入数据收集面和智能面,通过数据收集面对6G网络全域数据进行收集;智能面使这些数据按需调用,根据不同的AI场景提供不同的AI支持。


第五个特征是数字孪生。未来的网络是数字孪生的网络,可以对每一个网元、每一个基站、每个用户的服务在虚拟空间的在线状态做实时监控,对运行轨迹提前预测,对服务可能出现的掉线提前干预,避免网络事故发生。还可以对新功能提前验证,实现网络自我演进。


第六个特征是安全内生。6G网络的安全尤显重要,据预测未来战争的发生可能不是对物理世界的攻击,而是对孪生世界的攻击。


结合DICT发展的趋势,我们在5G网络发展中看到的经验和教训,期待6G能够在以下五个方向变革,一是引入数字孪生,二是实现多方数据和资源的协同管理;三是实现端到端的微服务化设计;四是至简基站;五是数据和信令的分离,进而带来整个网络部署效率和成本的提升。


来源:wtbl物通博联 , 睿象云,智东西

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