摘要：面向工業互聯網和智慧城市的高可靠、低時延等要求，5G以用戶服務為本的理念代替了互聯網的網絡效率優先原則;為適應未來業務的不確定性，5G將從傳統電信網的封閉性轉為業務開放化和協議互聯網化。5G試圖兼具互聯網與電信網的優勢，但在實現上仍面臨諸多挑戰。文章提出了在網絡建設與業務組織上需要重視的十個問題。

關鍵詞：5G;軟件定義網(SDN);網絡功能虛擬化(NFV);網絡切片;基于服務的架構(SBA);移動邊緣計算(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核心網是面向連接的模式，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，而且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的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。現在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。

跨運營商網絡建立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 的計費模式。

(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連接，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。

考慮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。

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