6G核心網(wǎng)體系結構功能探討

通過分析6G網(wǎng)絡愿景和核心網(wǎng)網(wǎng)絡架構所面臨的挑戰(zhàn)，提出面向6G的核心網(wǎng)網(wǎng)絡架構的需求，并在此基礎上提出智能且能力普惠的核心網(wǎng)架構，實現(xiàn)“連接+AI+算力+智能+能力開放”的6G核心網(wǎng)，能夠根據(jù)場景和業(yè)務需求按需部署網(wǎng)絡功能，保證網(wǎng)絡按需確定性服務能力。通過對四大網(wǎng)絡功能體進行重構，實現(xiàn)多任務協(xié)同能力，形成靈活的用戶面處理邏輯，實現(xiàn)網(wǎng)絡能力普惠的自治管理和智能服務。

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?概 述

大連接物聯(lián)網(wǎng)（massive machine type communication，mMTC）、增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）和低時延高可靠通信（ ultra-reliable &low-latency communications，uRLLC）是5G移動通信的三大應用場景，能夠提供海量連接、寬帶化以及低時延類型業(yè)務，為經(jīng)濟和社會的發(fā)展提供強大助力。近些年，下一代移動通信技術（6G）已經(jīng)引起全球工業(yè)界與學術界的高度關注。作為一個復雜的系統(tǒng)，網(wǎng)絡架構是移動通信網(wǎng)絡的基石，整個系統(tǒng)的能力與效率都與網(wǎng)絡架構息息相關。其中，核心網(wǎng)在系統(tǒng)中扮演著中控大腦與核心樞紐的角色，不僅負責移動通信網(wǎng)絡中融會貫通、承上啟下的任務，同時承擔著6G應用業(yè)務演進與繁榮的責任。

目前，6G整體研究處于起步與探索階段，6G技術路線尚未明確，對核心指標與典型應用場景還沒有統(tǒng)一的定義。雖然6G的“技術尋找”與“場景挖掘”尚未成熟，但多國已將6G核心技術納入各自的創(chuàng)新戰(zhàn)略，6G技術儼然成為全球搶占的科技制高點與大國科技博弈的高精尖領域。中國、美國、日本、韓國以及芬蘭等國家均已開展6G技術研究。2019年11月3日，我國成立了國家6G技術研發(fā)推進工作組和總體專家組，標志著我國6G技術研發(fā)工作正式啟動。

與此同時，國際標準化組織亦啟動了6G網(wǎng)絡技術研究，國際電信聯(lián)盟（ITU）開展了固定、移動、衛(wèi)星融合標準研究，提出了核心網(wǎng)上星架構、多接入融合網(wǎng)絡技術以及業(yè)務連續(xù)性技術，這充分說明6G核心網(wǎng)將是6G網(wǎng)絡的重要組成部分?？傊?，6G核心網(wǎng)具有多接入融合、智慧內(nèi)生以及用戶數(shù)據(jù)為中心等自驅動力，相應的網(wǎng)絡體系架構、基礎理論和核心關鍵技術亟待突破，這是6G核心網(wǎng)的基礎瓶頸和核心挑戰(zhàn)?？紤]到現(xiàn)有的核心網(wǎng)集中式架構缺乏對6G復雜多變場景的實時感知和適應能力，筆者提出了一種信息內(nèi)聚、網(wǎng)絡能力智能普惠的6G核心網(wǎng)體系結構，對相應的功能進行了探討。

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6G核心網(wǎng)愿景

6G通信引入太赫茲通信、可見光通信、先進的接入-回程融合等新技術，實現(xiàn)通信網(wǎng)絡的超高峰值速率、超海量接入、超高可靠性。如表1所示，與5G相比，6G網(wǎng)絡性能會有顯著提升。然而，僅僅引入新技術是不夠的，現(xiàn)有架構難以解決上述問題，須重新設計核心網(wǎng)架構，構建強大、靈活、智能的網(wǎng)絡。本章將對6G核心網(wǎng)愿景進行簡要闡述。

表1? 6G與5G網(wǎng)絡關鍵性能指標對比

2.1 多接入融合

為了能夠隨時隨地接入網(wǎng)絡，衛(wèi)星通信、無人機通信、海上通信等都將與6G網(wǎng)絡深度融合。作為地面通信的補充，上述技術將極大地擴展6G網(wǎng)絡的覆蓋范圍。需要注意的是，雖然衛(wèi)星通信、無人機通信、海上通信都屬于接入網(wǎng)技術，但接入網(wǎng)的擴展需要來自核心網(wǎng)的支持。復雜多變的接入場景對6G核心網(wǎng)提出了更高的要求。

以衛(wèi)星通信為例，雖然其覆蓋范圍更大，不受地形限制，但存在時延長、路徑損耗大、多普勒頻移、業(yè)務遷移頻繁等問題。上述問題對6G核心網(wǎng)提出了極大的挑戰(zhàn)。首先，與位于一個地方的基站不同，快速移動的衛(wèi)星和無人機使網(wǎng)絡控制更加復雜，6G核心網(wǎng)需要應對頻繁的切換。同時為應對高動態(tài)的場景，6G核心網(wǎng)必須具備對接入網(wǎng)環(huán)境變化的認知和預測能力；其次，不同通信的時延差異很大，提供質量有保證的綜合服務的難度很大；再次，不同通信之間的切換不僅會觸發(fā)通信切換，還會觸發(fā)業(yè)務遷移，6G核心網(wǎng)需要對通信拓撲和計算提供重新安排。

2.2 可靠的低時延移動寬帶

多感官XR將是6G時代的殺手級應用。為了滿足這些應用程序的服務質量要求，應同時保證大帶寬和低時延，以防止用戶體驗惡化，例如黑邊和丟幀?？紤]到XR通常是可穿戴設備，用戶可能會佩戴設備四處走動。這可能會頻繁觸發(fā)通信切換和業(yè)務遷移，增加系統(tǒng)的不確定性。

此外，多感官XR的實時渲染需要大量的計算資源和快速的響應，因此多感官XR應用通常會導致計算資源耗盡且對延遲敏感。計算資源不足和網(wǎng)絡擁塞都會導致時延約束被破壞。

如何為這些應用提供良好的網(wǎng)絡性能對6G核心網(wǎng)提出了巨大的挑戰(zhàn)。為保證服務質量，6G核心網(wǎng)應具備識別網(wǎng)絡環(huán)境變化的能力。同時，6G核心網(wǎng)還需要具備快速和細粒度地重新安排通信和計算資源的能力。

2.3 AI+網(wǎng)絡

萬物互聯(lián)是6G的核心愿景。海量異構設備通過6G網(wǎng)絡連接，人工智能賦能6G應用。由于 AI應用程序通常是計算密集型的，因此如何保證計算能力提供是6G核心網(wǎng)面臨的關鍵挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的云驅動人工智能對骨干網(wǎng)絡造成了沉重的負擔，并且存在延遲較高的問題。在網(wǎng)絡邊緣開發(fā)計算資源也面臨著資源限制的挑戰(zhàn)。在前幾代移動通信技術中，通信網(wǎng)絡僅充當用戶設備與云服務器之間的管道。因此，通信和計算資源是單獨調度的。

6G將有所作為，它不是一個簡單的信息管道系統(tǒng)；相反，它更像是一個結合了人工智能和計算資源的大領域，稱之為網(wǎng)絡賦能人工智能。該領域的所有設備都通過網(wǎng)絡進行賦能和調度，從而形成萬物互聯(lián)。另一方面，為了讓網(wǎng)絡高效工作，6G的核心網(wǎng)必須具備對網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)的所有設備進行調度的能力。在這個過程中，控制器必須借助人工智能的力量來應對快速變化的異構環(huán)境，稱之為人工智能賦能網(wǎng)絡。

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6G核心網(wǎng)架構

未來的6G網(wǎng)絡將面臨多樣化的目標、多變的業(yè)務場景、個性化的用戶需求，這不僅要求6G網(wǎng)絡具備大容量、超低時延，更需要卓越的可塑性。面對分布式場景不斷變化的需求，6G網(wǎng)絡架構應該具備足夠的靈活性和可擴展性，從而能夠在控制層對網(wǎng)絡進行更加細粒度的調整。本章將深入研究6G核心網(wǎng)的設計，并嘗試提出一種改進的6G核心網(wǎng)架構。

?圖1? 6G核心網(wǎng)智能普惠服務架構

3.1 架構概覽

為滿足6G時代新應用的需求，6G核心網(wǎng)必須具備強大、靈活、高效的特點。它應該滿足以下要求：超大的網(wǎng)絡容量、就近提供的計算資源、識別環(huán)境狀態(tài)變化的強大認知能力以及高效兼容的控制層。提出一種智能普惠的6G核心網(wǎng)服務架構。智能普惠服務架構是5G服務基礎架構的升級。下面將詳細介紹該架構及其核心模塊功能。

圖1給出了6G核心網(wǎng)智能普惠服務架構。6G核心網(wǎng)智能普惠服務架構主要由算網(wǎng)資源層、算網(wǎng)業(yè)務層、能力普惠層與用戶層構成。所提架構將網(wǎng)絡中的各類資源與基礎設施依托部署在算網(wǎng)資源層，向上為算網(wǎng)業(yè)務層提供支持。算網(wǎng)業(yè)務層包含四大網(wǎng)絡功能體，向上提供6G網(wǎng)絡所有的網(wǎng)絡能力。能力普惠層將算網(wǎng)業(yè)務層的能力進行聚合，通過應用使能框架等方式實現(xiàn)網(wǎng)絡能力開放，實現(xiàn)算網(wǎng)能力的統(tǒng)一管理，進而為上層業(yè)務或用戶提供服務。本節(jié)將詳細介紹能力普惠層與算網(wǎng)業(yè)務層。

3.2 6G核心網(wǎng)架構之能力普惠層

能力普惠層主要由需求解析、能力支撐以及能力倉庫三大功能模塊構成。需求解析模塊負責將來自用戶層的業(yè)務需求進行轉譯，解釋成算網(wǎng)業(yè)務層能夠理解的業(yè)務需求，并將已完成的業(yè)務需求存儲至知識庫供后續(xù)業(yè)務參考。當需求解析模塊再次收到已經(jīng)處理過的業(yè)務需求時，其能夠直接從能力倉庫中的知識庫進行檢索且無需再將需求傳遞至算網(wǎng)業(yè)務層進行處理。能力支撐模塊負責對算網(wǎng)業(yè)務層開放出的網(wǎng)絡能力進行發(fā)現(xiàn)、抽取、封裝以及編排等操作。能力倉庫接收并存儲來自能力支撐模塊的以原子服務形式封裝好的網(wǎng)絡能力，并將計算、連接、AI等網(wǎng)絡能力以服務的形式對外開放。

3.3 6G核心網(wǎng)架構之算網(wǎng)業(yè)務層

3.3.1 控制功能體

控制功能體聚合傳統(tǒng)控制面的各種網(wǎng)絡基礎功能，并增加了多維接入功能與融合控制功能。在多維接入方面，基本原則是兼容新老用戶以及終端。針對不同制式、不同能力的終端，控制功能體支持不同的適配方式，靈活適配無線、衛(wèi)星等，實現(xiàn)新舊終端的無用戶感知、即時連接與即插即用。保障下一代網(wǎng)絡能力的使用能夠不依賴于終端芯片的發(fā)展程度。控制功能體還提供融合控制功能，將網(wǎng)絡資源調度決策轉換成算力資源層能夠理解的決策，并協(xié)同其他功能體共同完成對網(wǎng)元的動態(tài)編排、異構網(wǎng)元協(xié)同以及QoS/QoE智能優(yōu)化等功能。

3.3.2 用戶功能體

基于現(xiàn)有的轉發(fā)與控制分離的設計原則，用戶功能體在現(xiàn)有UPF的基礎上實現(xiàn)服務增強，包含與控制功能體、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、無線交互等面向服務的接口。用戶功能體不僅保留了傳統(tǒng)面向用戶UE業(yè)務數(shù)據(jù)路由轉發(fā)和策略執(zhí)行等功能，還重點關注用戶面可編程、確定性服務以及跨域融合，最終實現(xiàn)按需場景化定制。

a）用戶面可編程。通用硬件在轉發(fā)性能方面存在限制，因此采用可編程交換芯片、DPU異構芯片、智能網(wǎng)卡等新型算力實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效處理與降低功耗。此外，結合可編程技術對網(wǎng)絡通信協(xié)議進行編程，從而提升用戶面的開放性與靈活度。將所需的網(wǎng)絡功能整合至用戶面，簡化無用協(xié)議。

b）確定性服務。用戶功能體通過流量整形、隊列調度、資源預留等技術，實現(xiàn)對流量調度的可預期與可規(guī)劃操作，目的是將時延、抖動以及丟包率控制在確定的范圍內(nèi)。最終滿足新型業(yè)務的低時延、高可靠、大帶寬等多樣化需求，同時兼顧原有業(yè)務的普通流量轉發(fā)。

c）跨域融合。在未來6G網(wǎng)絡中，不同自治域的用戶功能體互聯(lián)，在專網(wǎng)和公網(wǎng)之間建立數(shù)據(jù)通道，通過公網(wǎng)代理，建立起專網(wǎng)內(nèi)的用戶對外部網(wǎng)絡的訪問通道。

3.3.3 數(shù)據(jù)功能體

圖2描述了數(shù)據(jù)功能體的基本架構。數(shù)據(jù)功能體主要由多模態(tài)數(shù)據(jù)感知模塊、數(shù)據(jù)倉庫模塊以及數(shù)據(jù)服務模塊構成。多模態(tài)數(shù)據(jù)感知模塊提供數(shù)據(jù)采集功能，從用戶層、算網(wǎng)業(yè)務層以及算網(wǎng)資源層聯(lián)合采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)服務模塊提供標準化數(shù)據(jù)訪問通道，支持異廠家數(shù)據(jù)訪問解耦。來自多模態(tài)數(shù)據(jù)感知模塊的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通道，采用API接口形式進行能力開放。采集到的數(shù)據(jù)可以作為智能計算功能體在進行網(wǎng)絡資源決策分析時的基礎網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息。同時，數(shù)據(jù)服務模塊還集成了數(shù)字孿生功能，對終端及網(wǎng)絡構建數(shù)字孿生體并對其進行管理。數(shù)字孿生體是物理實體對象的虛擬化映射，能夠有效降低網(wǎng)絡試錯成本、協(xié)助智能化決策以及提高網(wǎng)絡創(chuàng)新業(yè)務開發(fā)效率。數(shù)據(jù)倉庫模塊集成了6G核心網(wǎng)中非結構化數(shù)據(jù)存儲功能與統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲功能，能夠將多模態(tài)數(shù)據(jù)感知模塊采集到的用戶數(shù)據(jù)、簽約數(shù)據(jù)、算網(wǎng)數(shù)據(jù)等進行存儲。

圖2 數(shù)據(jù)功能體基本架構

3.3.4智能計算功能體

智能計算功能體基本架構如圖3所示。作為實現(xiàn)6G網(wǎng)絡智能服務的載體，智能計算功能體不僅可以向用戶提供本地的AI能力，還能夠利用分布式智能節(jié)點的協(xié)同能力向全局提供AI能力。本功能體主要由如下三大模塊構成。

圖3 智能計算功能體基本架構

a）智能調度模塊。智能調度模塊是智能計算功能體的大腦，其中的轉譯模型負責將來自能力普惠層的需求進一步拆解分析，最終轉換成細顆粒度的網(wǎng)絡能力需求。模型訓練功能基于數(shù)據(jù)感知功能體提供的數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡模型和環(huán)境進行評估，未來將更加關注多智能體強化學習、遷移學習、聯(lián)邦學習等分布式學習。推理輔助和在線決策既可以處理網(wǎng)絡、服務相關的AI推理工作，例如資源利用率預測等，還能夠基于推理結果形成輔助建議或最終決策，例如給出當前數(shù)據(jù)包的最優(yōu)路由選擇。

b）智能協(xié)同。決策方案通常需要多個功能體或不同層之間共同完成智能協(xié)同功能用于支持多個功能體之間或功能體與其他域之間的跨層跨域協(xié)同以及資源調配工作。具體包括模型訓練的協(xié)同、推理與決策制定協(xié)同，以及算網(wǎng)資源的調配協(xié)同等。

c）智能倉庫。智能倉庫模塊有完善的模型庫和決策知識庫，其中決策知識庫實現(xiàn)對已完成決策的管理和服務；模型倉庫實現(xiàn)模型的查詢、增刪改查功能。智能倉庫同時負責管理AI服務過程中獲取的數(shù)據(jù)、訓練好的模型、生成的知識，提高學習效率和智能化水平，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和知識的雙重驅動；模型和知識也會深入到邊緣節(jié)點，貼近用戶以滿足實時等需求。

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?總 結

為實現(xiàn)6G對各類差異化業(yè)務的高效支撐，筆者在5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡體系結構基礎上提出了6G智能普惠服務架構，并對所提6G智能普惠網(wǎng)絡的整體架構進行概覽。其核心特征在于將網(wǎng)絡架構從“網(wǎng)絡功能為連接而設計”向“連接+AI+算力+能力開放”轉變，形成架構極簡、智能普惠的6G核心網(wǎng)架構。隨后重點介紹了智能普惠層與算網(wǎng)業(yè)務層中四大網(wǎng)絡功能體。最后，對四大功能體網(wǎng)元、接口以及流程方面進行了闡述與展望。

作者簡介

岳毅，工程師，博士，主要從事5G/6G核心網(wǎng)網(wǎng)絡架構及相關技術研究工作；

張雪貝，工程師，主要從事5G/6G核心網(wǎng)網(wǎng)絡架構及關鍵技術、面向行業(yè)邊緣UPF研究工作；

王立文，工程師，博士，主要從事無線核心網(wǎng)相關技術研究工作；

楊文聰，高級工程師，主要從事移動通信新技術研究工作；

張智燕，中國聯(lián)通研究院研究員，主要從事通信市場發(fā)展策略及6G網(wǎng)絡研究工作。

編輯：黃飛

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