關于5G的十點思考

（中國信息通信科技集團有限公司，北京 100083）

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

2019年5G開始商用。除中國外，目前已經開始5G商用的其他國家的運營商都基于非獨立組網（NSA）方式起步，即沿用4G核心網，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年要直接采用獨立組網（SA）方式建設5G核心網[1]。SA能夠提供NSA不具備的高可靠、低時延和廣覆蓋、大連接能力，在增強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。

為了適應多業務、低時延、高可靠的業務要求，與4G相比，5G核心網采用基于服務的架構（SBA）[2]，從而實現業務開放性和切片化、網絡功能虛擬化（NFV）[3]、計算能力邊緣化、協議互聯網化等特點。從50年前互聯網誕生到現在，互聯網協議如傳輸控制協議/因特網互聯協議（TCP/IP）是基于無連接模式逐包選路轉發的；而現在5G核心網具有面向連接的能力，第三層的IP包不再是唯一的轉發單元。如上所述的網絡體系變革之大是互聯網誕生以來從未有過的，5G大規模應用要達到預期的性能將面臨諸多挑戰。

（1）5G將要大規模使用軟件定義網絡（SDN）。SDN實現傳送與控制分離，利用網絡操作系統集中管理網絡，并基于大數據和人工智能為每一個業務流計算出端到端的路由，再將路由信息嵌入源節點的IPv6擴展報頭的標簽棧，并沿路徑傳遞到各節點，實現源選路（SRv6）[4]。中間節點只須轉發，無須選路，減少或省去了排隊時間，以面向連接模式保證低時延轉發。我們雖然期待能夠通過SDN對所有業務流和節點實時優化，但大規模網絡低時延響應的多目標優化是難題——路由可能沖突或不收斂。有兩種方法可以解決該難題：一種方法是分區域設置SDN，但跨區域的路由組織需要SDN間交換業務流與網絡資源數據，增加實現的復雜性；另一種方法是僅對部分業務流按面向連接轉發，對其他業務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顛覆傳統網元的構成方式。通過硬件通用化（白盒化）和軟件定義網元功能，NFV可以根據業務流的需要靈活采用1.5層、2層或3層轉發，提高轉發效率并顯著降低時延。針對不同業務，NFV要求網元在同一時間呈現不同功能，且這些功能隨業務變化而變化。這就需要NFV對全局業務流和網絡資源數據實現精準獲取。NFV通過虛擬化實現軟硬件解耦，并向硬件資源池化和軟件微服務重構發展；但微服務架構缺乏標準，無法實現開放和互操作的初衷，且SDN與NFV同時操作難以避免網絡資源沖突問題。另外，與專用設備相比，白盒化的轉發時延可能還要大一些。更大的問題在于當白盒化網元與原有網元共存于一個網絡時，NFV的效果將很難體現。

（3）網絡切片是5G網絡與業務的一大特色。網絡切片[5]按照業務流的帶寬、時延、可靠性等需求，在集中的網絡運維系統管理下組織網絡資源，為各業務流提供與其業務屬性相對應的虛擬專用網絡（VPN）通道，支持個性化服務，尤其適應不同垂直行業的需求。雖然VPN服務在電信網中早就存在，但過去都是預約建立而非實時提供的，且僅對極少數業務流開通?，F在5G網絡切片面臨著VPN海量規模、實時性、端到端通道組織等特點，對業務流進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。如果網絡切片從核心網擴展到接入網，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雜性。至于將VPN開放給客戶以發現、選擇、生成、管理并提供按需實時動態調整權限，是前所未有的挑戰?？邕\營商網絡建立VPN連接更是難以想象的任務，這需要運營商間相互開放網絡資源與業務數據，但這基本沒有可操作性。可取的辦法是僅對時延、丟包率和可靠性等有較嚴格要求的業務流提供網絡切片。與現有4G網絡的VPN相比，以上方法可以使VPN實時生成而無須預約。另外，在流量計費的模式下，僅對高端用戶提供能夠保障服務質量（QoS）的VPN服務，但對一般用戶有失公平性，因此需要考慮采用以用戶價值為中心并考慮QoS計費模式。

（4）SBA是5G的重要創新。SBA構建了一個業務開放平臺，承接各種業務智能單元，像手機上的應用程序（APP）那樣實現按需添加。通過智能單元的組合可以產生相應的智能，通過業務的解耦和模塊化可以實現靈活調用網絡服務，以此來適應5G新業態的不可預見性。SBA與電話網中的智能網類似，在海量用戶且網絡資源有限的環境下，同樣會出現智能網中各業務智能單元組合可能沖突的問題。與智能網不同的是，SBA是開放的平臺，極大豐富了業務智能APP的來源；但與傳統運營商封閉的業務能力相比，SBA的業務平臺開放性存在安全風險。與SBA相配合，5G移動通信協議全面互聯網化，這樣一來互聯網上的應用可以直接移植到5G，增強了業務能力。但與過去移動通信采用的專用協議相比，5G移動通信協議互聯網化為互聯網上的病毒和木馬留了方便之門。為此，5G在網絡安全與信息安全的防護方面需要比4G下更大的功夫。

（5）移動邊緣計算（MEC）與5G相伴而行。MEC實現了云計算能力部分下沉，包括存儲與內容分發能力，以適應時延敏感業務的快速處理。在工程上如何合理設置MEC的粒度是實踐中需要探索的問題。移動終端、機器人、網聯車等應用需要在MEC間切換，這就涉及MEC間協同以及MEC與中心云間功能合理分配的問題。它不僅可能會產生MEC間大量的開銷、MEC與中心云的大量交互，還會引入時延。MEC特別適合于面向垂直行業的應用，因為垂直行業希望運營商開放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以支持第三方邊緣應用。另外，開放MEC能力對運營商網絡管理與信息安全的影響也難以估量。

（6）5G對同步提出嚴格要求。SDN/NFV都需要獲得所有網元的業務流和網絡資源的大數據，各網元的數據需要同步和絕對時間對齊。如果各網元上報的數據時間不夠精準，就不可能得到全局視覺。如此一來，按不那么精準的數據來做出網絡調度的決策可能更糟糕。現有電氣與電子工程師協會標準（IEEE 1588）的同步機制也難以保證所需要的精度，在實際應用中很難滿足IEEE 1588假定雙向信道的傳輸時延相同的前提。

（7）5G推動運營支撐系統的變革。5G需要實時地對網元實行NFV功能的指配，對業務實現切片的組織及生命周期的管理。5G運營支撐系統（OSS）需要基于業務與網絡資源大數據的統計與智能分析，自動生成通信設備與服務的編排方案。為了實時響應，不可能再采取人工網管操作而必須依靠信令控制。全網集中一個OSS有利于全局掌控，但處理能力與處理時延難以滿足要求。如果按區域設置OSS，則各OSS需要互通數據，且還需要有上層中央OSS來協同。

（8）車聯網是5G全新的應用場景。為此，5G專門在無線接入和核心網兩個方面都考慮保證低時延的措施。但面向個人的通信與車聯網有很大的不同：前者平均經過十多個節點；而后者可能只是一兩跳，在多跳的環境下對控制時延有顯著作用的NFV和網絡切片及SRv6在車聯網場景下并不顯優勢。車聯網通常是短包，而傳統的TCP/IP協議對短包的傳輸效率不高。傳統的個人通信在接入段通常是點對點方式，而車聯網在車到車（V2V）場景下是點到多點以及多點到多點方式，甚至是廣播方式。這將增加頻率安排的難度，因為難以采用設備到設備（D2D）連接，需要借助網絡轉接即車-網-車（V2N2V），但時延會略有增加。對于面向個人的通信，目前中國多個省公用一個網間直連點來實現運營商間互通；但車聯網對時延特別敏感，歸屬不同運營商的汽車間的通信需要就近實現網間直連，至少不宜跨出城市范圍。也就是說，需要為車聯網專門設置城市內的網間直連點。

（9）大連接是5G應用的一個重要特征。5G能夠實現每平方公里可接入上百萬物聯網（IoT）連接，端到端傳輸時延不超過10 s，丟包率不高于1%。對海量的物聯網終端需要使用群組認證，否則會引發信令風暴。安全算法和協議也要考慮輕量級，以免引入不必要的時延和增加物聯網終端的能耗。鑒于物聯網終端的多種類型，5G的用戶身份管理要適應從全球用戶識別卡（USIM）向靈活多樣的方式轉變。

（10）工業互聯網催生5G專網。產業數字化首先需要將企業的生產裝備聯網。為了能使機器人、物料小車和生產線上的工件實現聯網，需要使用無線技術；但已有無線技術的可靠性、可擴展性與抗干擾能力不適應工業互聯網要求。5G將工業互聯網應用視為己命，企業可以利用5G作為企業內網或廣域網的傳輸手段，5G運營商可為企業提供網絡切片，但運營商的5G網絡主要是面向公眾用戶而設計的?？紤]到公眾通信特別是視頻業務的下行數據流規模遠高于上行，在時分雙工（TDD）模式的同一載頻中時隙數的分配是上行少下行多；但工業互聯網中傳感器通常上報數據多而接受網絡指令的數據少，對應的TDD上下行時隙是上行多下行少。如果TDD上下行時隙兩種不同的分配方案共處同一運營商基站中，那么需要設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，大企業希望建設5G專網，頻率主管部門需要為企業建設5G專網劃出專用頻率。

綜上所述，建設SA網絡和開發SA應用可以說是5G新一輪創新的起點。中國率先走SA之路會面臨試錯的風險，也有很多值得思考的問題。5G創新之路還很長。