面向6G時代新通信系統的內生感知

薛妍，謝峰，楊立，張夢潔

（1.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 5180552.移動網絡和移動多媒體技術國家重點實驗室，廣東 深圳 518055）

0 引言

隨著互聯網的普及、通信技術的發展，當今社會已進入數據大爆炸的時代。網絡海量的數據需要通過對數據的感知來進行信息的認知、篩選和管控。從2G、3G到4G、5G的無線通信發展歷程中，感知一直在網絡中扮演著不可或缺的角色[1]。

從1G的模擬語音到2G/3G數字語音、文本和圖片業務，3G時代以前的網絡對業務感知沒有強烈需求。感知需求主要體現在網絡前期規劃和后期優化的網絡狀態感知，感知目的也僅限于提升用戶通話的滿意度和降低運維成本。并且，網絡的感知要配備專業測試人員、路測儀器和車輛，還要事先規劃好路線用于實地路測。這種傳統路測的方式存在耗費人力物力、網絡優化周期長，網絡感知受制于車輛行駛路線等問題。到了4G和5G時代，網絡發生了巨大的變化。業務種類日益豐富，高清視頻、在線游戲、在線直播、社交、辦公軟件等各種移動業務不斷涌現出來。網絡場景也越來越多樣化，5G三大經典場景eMBB、URLLC、mMTC特點鮮明。隨著通信系統的發展和網絡復雜度的提升，運維自動化也迫在眉睫。

在4G-5G時代，自動化的需求帶來了能夠進行自動測量和信息采集的MDT（Minimize Driving Test）[2]。MDT取代了傳統路測，在測試區域范圍和內容上也突破了傳統路測的限制。然而即使采用MDT，網絡感知仍然難以滿足業務、場景等等新增的感知需求。在現有協議架構內，技術人員想到了利用數據包深度檢測的DPI（Deep Packet Inspection）解析來進行業務特征識別，還想到了利用導頻測速來判斷高速場景等方式。雖然業務和場景的感知需求在一定程度上得到滿足，但其感知信息的獲得仍然離不開專業技術人員的大量數據分析。并且，在本質上，這些感知方式仍然是“頭疼醫頭，腳疼醫腳”的單一思維模式和“外掛式”實現。當前的感知方式無法做到全網信息感知、網絡宏觀特征感知，所獲得的也是與真實意圖有出入的局部信息。為了增強5G的感知能力，在3GPP核心網引入了網絡數據分析功能（NWDAF），用NWDAF統一收集網絡信息實現對網絡狀態的感知[3-4]。但是這種集中方式仍然無法做到及時地對網絡全面感知，除了時效性和靈活性差，其采集目的不明確還造成了數據的堆積和低效。可以看到，無線通信系統在對信息的認知、篩選和管控上還有很大的上升空間。

隨著5G標準的落地和逐步商用，業界已展開對6G的研究。從業界分析[5]可以看到，6G網絡將會是智慧連接、深度連接、全息連接、泛在連接的網絡。傳統的感知方式將會限制6G的發展，6G網絡迫切需要解決在感知方面的缺陷和困境。本文提出需要內生感知來解決6G網絡的感知需求，并對如何構建6G內生感知進行了探討。

1 面向6G網絡的感知需求

在CT、IT和DT深度融合的趨勢推動下，未來6G網絡架構向智能化、服務化、云原生的方向演進。隨著6G新技術、新場景、新業務不斷涌現，對網絡精細化、靈活性、及時性、高能效的要求越來越強烈。當前單一思維、外掛式的感知過于碎片化、粗粒度、無系統性，難以滿足日益復雜的無線網絡架構和無線環境，不能精確地應對差異化需求以及提供高質量的服務。當前通信網絡待完善和難解決的感知問題，催生出6G網絡的各種感知需求，如圖1所示：

圖1 面向6G的感知需求

1.1 多元化業務差異化感知

在傳統的toC業務不斷豐富的同時，通信業務也在向垂直行業不斷延伸。除了面向個人消費者的交互類、會話類、消息類業務，還有面向物聯網的傳輸類、控制類和采集類業務。不同類型的業務對端到端傳輸的要求不同。如智慧醫療相關的業務要求低延遲高可靠，智能抄表業務對延遲不敏感但要求低功耗。另外，為了避免大視頻業務在資源上的擠占，傳統語音業務需要使用資源預留和干擾控制來增強。并且，即使同一類型下的業務，也可能需要進一步細分。如視頻業務有視頻監控、視頻會議、視頻點播、直播等，此外還有高清和標清的區別，這些視頻業務對畫面和語音的流暢度、清晰度、畫音同步等要求各不相同。業務的多元化需求希望能得到差異化滿足，尤其是實時性高的業務需要網絡能快速適配其業務需求。也就是說，在業務開始，網絡自身就要能感知到這些差異。通過差異化感知，網絡才能對不同業務進行資源的協同和業務策略的制定。

1.2 全場景全頻譜全類型感知

對場景的感知可以指導網絡規劃部署和性能優化，協助網絡功能、資源的編排和網絡控制。如通過測量用戶移動速度和軌跡可以識別高鐵場景，從而在用戶覆蓋、切換和參數配置上采取增強措施以優化高速場景用戶體驗。如通過對用戶位置信息和通信業務量的感知，識別體育館是否舉辦大型集會活動。對體育館場景感知后，使用動態增加物理資源、執行本地分流策略等手段緩解流量壓力和提升用戶體驗。

在6G“泛在連接”的需求下，通信的場景從傳統的陸地10 km高度范圍[5]擴展到高空、海洋、沙漠。通信頻譜也從低頻、毫米波擴展到太赫茲乃至可見光頻段。通信對象的類型和數量快速增長，除了傳統的基站和手機，還有接入回傳節點、無人機、無人車、海艇、各類傳感器等。在空天地海一體化全場景、全頻譜、全類型覆蓋的6G需求下，6G網絡要能夠對場景、頻譜、通信對象精確感知，使用自適應的通信算法和高度適配的通信手段。值得注意的是，未來的通信設備及其連接對象大部分將變成智能體，智能化需要更深度的感知、更實時的反饋與響應。

1.3 特定應用專項感知

隨著移動互聯網的蓬勃發展，各種應用層出不窮。對熱門應用，同質化開發也越來越多。為了保持在同行中的競爭力，資金雄厚的應用提供商愿意花錢買貴賓級的通信管道來提升如視頻點播、在線游戲等app的使用體驗。為OTT提供增值服務可以讓運營商和設備商獲得新的利潤增長點[6]。通過對特定app的感知識別和專項優化，為其提供相應的網絡部署和優質的通信資源保證，也有助于培育6G生態。

隨著應用層加密技術的廣泛使用，以前利用網絡抓包分析的手段難以對特定應用的感知識別。特定應用的準確識別需要多面多層的綜合感知，如結合核心網和接入網的控制面信令、用戶面數據流分析，如結合應用層、業務層、接入層信息分析等。并且，端到端的綜合感知有助于特定應用的端到端質量控制和性能優化。

1.4 智能運維自動化感知

在4G以前的無線通信系統，系統網絡參數的配置主要基于運營商、用戶位置這兩個維度進行參考。在5G系統引入了切片技術，這要求以前的系統網絡參數配置基于切片的新維度進行重配[7]。隨著6G的演進，系統網絡參數的配置還受移動性、用戶類型、終端類型、場景等因素影響。使用傳統網管配置的方式，將會面臨超大數量、頻繁的手工配置，網絡配置將成為網絡性能的瓶頸。如果能通過網絡配置感知來對智能運維進行加持，實現網絡配置自動化、網絡性能精準自優化，則有望解決網管配置在產品實現上的痛點問題。通過感知實現對網絡進行動態調整，可以實現資源的高效利用和運營成本的降低。如大城市寫字樓、地鐵這些區域具有明顯的通信潮汐效應特征，可以在不同時間段自動化調整適合的網絡配置，減少通信資源的浪費。

1.5 全維度跨域感知

全維度的信息感知可以實現對通信對象刻畫和通信質量的精確把控。如通過對業務偏好、位置移動等信息感知識別具有特殊需求的用戶（如對體驗敏感的用戶），對這些用戶提供伴隨服務來有效定位、解決網絡性能問題；還可以通過感知終端機型來定位某款手機問題。多角度的用戶感知能實現精確的用戶畫像，進而為用戶提供更貼心的服務。另外，通過對用戶位置和業務的綜合感知，對位置接近的用戶群進行信道質量估計的聚類訓練，有助于提高偶發小包業務的傳輸成功率。

基礎設施為通信網絡提供了算力資源，通信網絡需要感知基礎設施領域的算力情況才能進行算力的高效利用。通過算力感知[8]，網絡能夠感知各處計算能力，把計算類業務靈活調度分配到最優的節點。用戶無需關心網絡中的計算資源的位置和部署狀態，實現通信、存儲、計算統一管理和協同調度。

數字孿生也是業界廣泛討論[9-11]的6G愿景之一。數字孿生指通過對物理世界進行數字化和映射，未來將會生成與現實世界孿生的虛擬世界。物理世界的數字孿生實現需要跨域泛在感知。未來6G將會出現融合了視覺、聽覺、味覺的全息通信，通過跨域感知將會激發出更多的6G生態參與者。

1.6 安全內生伴隨內生感知

為了提高6G的安全防護能力，業界提出了安全內生的系統設計。安全內生提出[12]通過對不同安全協議與安全機制的聚合，自主適應網絡變化獲得網絡內在穩健的防御力。為實現身份真實、控制安全、通信可靠、數據可信的安全內生目標，多樣化主動感知是不可或缺的。內生感知是獲得安全內生的重要條件，安全內生過程必然伴隨著提供助力的內生感知。如通過感知接入失敗次數、鑒權失敗次數發現非法用戶入侵；通過異常流量感知、異常信令感知、異常短消息感知等發現外部攻擊等。通過風險感知，為安全防御提供預測參考。

2 內生感知系統架構

綜上分析，我們看到6G網絡需要差異化、多層面、全維度跨域泛在、深度、智能的內生感知。這種內生的感知需要具備自我認知、自我制定策略和自我迭代更新的能力。內生感知意味著感知對網絡的自適應、對感知意圖的自主執行和感知能力的自我進化。為實現內生感知，需要進行感知系統架構的統一設計。

眾所周知，人體神經系統是天然的內生感知系統，神經系統通過遍布全身的感知神經元與大腦的配合來實現系統化感知。同樣，在內生感知的無線通信架構中也需要遍布各種感知單元，使用分布式的感知單元保證無所不在的感知。各種感知單元的組合形成對網絡不同角度的判斷。感知單元采集本層或所在位置的信息來提供構建感知能力的必要元素，將這些分布的感知單元有機地組織起來，讓分散的感知信息流動起來，就會形成網絡內生的感知流并生成強大的感知能力。圖2給出了當前通信系統協議棧下通過各處的感知單元進行內生感知的示意圖，使用這種邏輯上相對獨立的感知系統，在信息收集、分類和處理上可實現跨層處理和各層反饋，并且，感知信息還可以通過安全的方式開放給第三方和運營支撐系統（OSS）后臺。

圖2 內生感知系統整體框架示意圖

感知能力的形成和感知信息的流動包括信息采集、過濾分類、跨層信息處理以及智能決策和反饋，最終實現感知流的智能閉環控制。因此，一個完整的感知體系包含信息采集模塊、信息共享模塊、策略制定模塊、決策模塊、控制執行模塊等幾個模塊，如圖3所示。感知系統信息采集模塊從各處感知單元獲得信息；在信息共享和分類模塊中，通過案例對比和信息處理，可以對采集到的信息進行過濾和抽象，提取出重要信息的典型特征，根據案例對比單元的建議對信息歸類和處理；通過案例對比和信息處理抽象，把感知信息傳遞到策略庫；通過策略庫分析，制定本地策略、遠程策略、集中控制策略等；根據感知決策，控制執行模塊把決策信息翻譯成具體指導方式。當感知系統完成了從信息采集到執行感知策略后，還可以通過對效果的反饋來再次采集信息，進行感知信息的更新。通過反饋，形成了感知信息的閉環調整。

圖3 感知系統內部模塊

3 內生感知關鍵技術

在傳統的通信網絡中，信息的感知并不關注原始需求，實現過程中存在信息的取舍和損失，從而造成感知實現的效果與客戶的意圖不一致。因此，6G內生感知要以意圖作為驅動力。為滿足真實意圖的感知，需要考慮下列因素進行頂層設計[13-15]：

（1）網絡整體需求和端到端目標；

（2）感知需求可能需要通過跨層感知來實現；

（3）感知信息的顆粒度不同；

（4）感知信息的生命周期不同；

（5）多個感知需求盡可能重用相同的感知信息。

如圖4所示，在網絡中原始意圖被分解成多個層級的意圖，在意圖自上而下的分解中，每個層級也形成了向上提供的感知服務。在意圖驅動和意圖分解的過程中，網絡形成了多級的感知需求。通過對每級感知需求的提供服務，感知信息被有機地組織起來，從而形成了動態傳輸的感知流和可傳遞的感知能力。這種分級構建的感知能力可以保證最終效果和感知需求的一致性。并且，感知服務可以基于各種意圖靈活編排。感知服務化也使得上下層實現獨立閉環的感知信息流動，這對分布式感知非常重要。

圖4 意圖驅動下服務化內生感知示意圖

通過對感知意圖的分解和服務化抽象，可以形成可獨立調用、隱含意圖信息的感知服務。如圖5所示，感知服務需要進行分級映射到能滿足原始意圖的感知服務層級。基于意圖的感知分級映射過程具體為：在產生原始需求的位置，生成帶有意圖的感知服務，該感知服務轉換成為滿足本級服務的下一級采集源及其采集指示。下一級采集源根據這些上下文信息了解到自己能提供的感知能力，并把這個感知能力轉換成感知服務。下一級的感知服務會再進行轉換和分解，直到能滿足最終服務要求。每級感知服務反映了本級向上提供的服務能力，也指示了本級對下一級的服務需求。可以看到，分級映射的過程也是感知能力構建、感知服務化以實現內生感知的過程。

圖5 內生感知模型

一個感知服務的實現，往往需要關聯多個下級采集源；不同的感知服務也可共用同一個下級采集源，如圖6所示。這種方式我們可以認為是一種DAG（有向無環）圖結構，每個采集源對應一個采集源ID和本身感知服務ID，每個采集源本身的感知服務代表了在該位置能提供的感知服務能力。上述采集源ID可以是多個對象的群體標識、某個節點標識、某個協議層或協議層中用戶內部標識等。

圖6 感知模型有向無環映射關系

感知服務的映射在網絡初期可以用每個節點存儲靜態映射表的方式實現。隨著感知信息和感知服務的提供，網絡對自身和外部的認知能力越來越強。智能網絡可以利用AI、大數據分析等智能化方式對感知服務進行動態映射。這種意圖驅動下服務化的內生感知的方式突破傳統感知瓶頸，實現了及時、全面并精細地感知和多維度、跨層跨域感知。通過智能化的動態映射，網絡實現了感知能力的自我進化。

4 結束語

本文通過對6G網絡感知的需求分析，提出了適應未來網絡發展的新型感知體系架構和關鍵技術。內生感知是指在意圖驅動下對感知進行服務化分級映射，將感知信息有機地組織，在網絡內部生成可傳遞的感知能力和服務。在該感知體系架構中，通過對網絡各部分信息的感知來獲知各部分能提供的能力，并基于這些能力形成感知服務。在感知意圖驅動下，感知能力通過各級的感知服務來承載，感知需求通過感知服務來滿足。上層感知服務分解成多個離散的、更細小的下層感知服務，這種更細粒度的服務化機制能夠更精準地匹配感知對象和意圖，能更準確和靈活地支持各種內生感知能力的構建。

展望未來，對接入網的服務化（SBA RAN）將會實現與服務化核心網（SBA CN）的打通。為適應6G發展，也將會出現新的流模型和新的承載傳輸技術。SBA、新流模型和新承載傳輸技術都將為內生感知提供技術支撐并成為內生感知主要抓手。全面、精準、及時、高效的感知能力是提升6G網絡效率、走向網絡智簡的關鍵因素。以意圖為導向的感知服務化和感知架構頂層設計讓通信網絡產生感知能力，“內生感知”將在各個方面對未來通信網絡賦能。