6G无线网络开放与云化技术白皮书.pdf
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1、6G无线网络开放与云化技术 白皮书2022年12月前B本白皮书旨在分析6G无线网络向开放与云化演进的驱动力、历程与演进理 念,并针对相关关键技术趋势及挑战进行剖析。希望能够为产业在研究与设计6G 开放云化无线网络相关技术、产品和解决方案时提供参考。目录1驱动力.11.1 新时代国家战略的要求.11.2 技术与产业发展的驱动.32发展历程与演进理念.53关键技术.123.1 异构硬件虚拟化.123.2 多维能力编排调度.163.3 开放化体系.183.4 确定性服务.193.5 服务化RAN.223.6 智能控制器.234挑战与展望.23缩略语列表.26参考文献.271驱动力加快实施创新驱动发展
2、战略。坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大 需求、面向人民生命健康,加快实现高水平科技自立自强。以国家战略需求为导向,集聚力 量进行原创性引领性科技攻关,坚决打赢关键核心技术攻坚战。加快实施一批具有战略性全 局性前瞻性的国家重大科技项目,增强自主创新能力。6G无线网络是6G体系架构中的关键一环,其发展与演进既要顺应创新型社会、碳达峰 碳中和、数字化转型等时代变革的要求,与国家战略高度契合;又要考虑智能化、灵活性、能力融合、产业发展等诸多新的技术、产业驱动因素的需求。从发展方向来看,6G无线网络 将从传统的移动通信网络逐步转变为通信、计算、大数据、感知、AL安全一体融合的新型 6G
3、移动信息网络,开放与云化将成为未来无线网络演进的重要趋势。1.1 新时代国家战略的要求 构建创新型社会:打造开放基础设施,构筑技术创新基座当前,我国人口结构面临老龄化、少子化、不婚化三大趋势,人口增长明显放缓,甚至 进入负增长,该现状的本质是在表达对“劳动人口数量”的担忧。面对人口结构的重大变化,如何对冲人口问题给经济发展带来的负面效应是一个重要的研究课题。除了积极的人口政策 外,我们更应深入研究决定经济增长的另一关键指标,即“劳动生产率该指标蕴含着经济 增长率与人口增长率之间的差距,基本可以看作是“人均收入”的对等指标,提高该指标可以 有效弥补人口深度老龄化、少子化、劳动力减少等带来的负面效
4、应,从而降低人口增长率低 迷对经济的影响。能够提升社会劳动生产率,进而提升国家经济总量的驱动力就是“技术进 步”,也就是我们常说的“创新”,即以科技创新驱动经济发展。6G技术本身就是一系列面向未来的广泛、深入、系统的技术创新探索。不同于传统移动 通信技术,以基站为代表的6G无线网络将不再仅仅是一种通信设备,而是与水电、交通、能源等设施类似的新型信息基础设施平台。基于云化技术和开放理念,6G无线网络可以深度 融合通信、计算、感知、智能等多种能力,从而面向整个社会打造的一个开放、智能、绿色 1的技术创新基座,成为移动互联网、云计算、人工智能、大数据、区块链等关键数字经济技 术得以作用到具体的人和物
5、上的桥梁,牵引整个数字经济的发展。碳中和碳达峰:依托能源优势,助力绿色发展2030年碳达峰,2060年碳中和,这是中国作为一个大国对全人类生存环境的承诺。在具 体实施层面,我们遵循两条路径:一是能源生产减碳,也就是清洁能源的生产去碳化;另一 个是能源使用减碳,就是一切生产生活的能源用电力替代。中国在清洁能源生产领域技术领 先,仝球市场上超过一半的装备都是中国生产提供的,而且中国有独步仝球的能源互联网系 统,从供给侧来讲,我国当前的这些技术和设备囊括了光电、风电、水电、氢能、核电等清 洁能源;从消费端来讲,我国拥有生产生活电器化全球领先的生产制造、消费使用体系,给 清洁能源一个消费的目的地。目前
6、,我国有三横四纵能源互联网,这张网遍布了几乎整个中国,地理跨度极大。一方 面,强大的清洁能源基础设施为6G无线网络在内的新型信息基础设施提供了坚实的能源供 应基座。另一方面,庞大的能源互联网亟需数字化、智能化改造,形成全方位的监控运维体 系。而基于云化技术与开放理念,6G依靠海陆空天一体化的立体、多样的覆盖体系与通信、计算、感知、智能深度融合的能力体系,不仅可以满足清洁能源发展的需求,为其提供一整 套实现各类应用的基础设施平台,更是对能源基础设施进行深度信息化、智能化升级的有效 助力。电力能源基础设施与6G信息基础设施的协同组合可以成为我国实现碳达峰、碳中和 的重要依托。此外,开放云化的6G无
7、线网络将摆脱传统软硬件紧耦合的无线网络形式,实现软件定 义下的无线网络能力,从而最大限度的降低硬件等基础设施更新迭代的成本与资源消耗,这 也符合国家碳达峰、碳中和的发展战略。数字化转型:提供灵活按需服务,助力千行百业数字化社会的数字化转型的本质是场景的数字化,场景数字化的目标是实现以数据为中心的云 计算,而以数据为中心的云计算的根本目的是提升整个社会的运行效率。6G是云计算获取现 实世界数字化数据的重要载体和抓手,是实现提升整个社会运行效率的基础设施。6G技术不仅着眼于更加优异的性能,还将着重强调对复杂多样应用场景的适应性和可落 地性。即6G无线网络不仅提供更加高质量的通信服务,还需要深度适配
8、千行百业的应用,提供灵活的按需服务能力,助力各行业数字化转型。26G发展前期,不仅是关键技术的研究窗口期,也是6G与各个行业应用达成共识的磨合 期。磨合期必然有波动,甚至有对抗,这都是正常的。要实现6G对社会各方面深度变革的 助力,产业仍需坚定的从内部找降成本的技术手段,从全行业找应用模式,继续不遗余力的 细分应用场景,推动6G涌现新需求,尽早迈过规模临界点,才能有机会实现应用带动网络 的因果反转。可以确定的一个趋势即未来6G网络、终端、应用等必将会更加复杂和多样。为应对这些挑战,我们必须在6G无线网络的设计理念方面提前布局研究,在应用场景上足 够细化基础上,让网络有足够灵活性实现按需服务。6
9、G能在海陆空天体系发挥好多种能力融合的核心价值,必须要继往开来,强化优势。一 方面,通过5G延续至今的内生降成本新技术,继续推进6G成本预期与全行业达成统一共识;另一方面,通过继续强化6G安全与多种网络能力体系的优势,推进6G在未来行业应用中的 迅速规模化,持续摊低成本,让各个行业买的便宜、建的便宜、用的便宜、改的便宜,通过 6G技术助力,实现行业高质量发展,形成优质的良性循环。为了实现对千行百业的深度融合,不仅需要在技术方案上有足够的多样性与灵活性,同 时在网络形态、产品形态、技术实现方式上也应当有更加多样和灵活的尝试,而基于云化技 术的开放无线网络是实现这一目标的重要方式。只有基于云化技术
10、和开放理念从多个层面与 维度对无线网络进行深刻重构,才能承载足够多样的技术方案与能力体系,以匹配全球不同 区域,不同行业的需求,从多样的通用硬件中找出市场落地、规模应用的确定性。1.2 技术与产业发展的驱动无线网络开放的主要驱动因素:网络智能化的需求:随着人工智能技术的发展,网络智能化成为了未来网络发展的必然 趋势,特别是在6G网络中,人工智能技术将会融入网络架构,实现智慧内生。人工智能 技术对6G网络的赋能需要基于各类数据完成模型训练等工作,而现有网络所采用的软硬 件紧耦合设计受限于技术、产业等因素,难以实现对各类数据的实时、海量、按需、统 一获取。虽然以O-RAN为代表的标准组织在数据的开
11、放方面做出了诸多有益探索,但是 要满足6G网络对海量数据的获取与共享的需求,网络还需要从协议、接口、数据等多个 方面进一步贯彻开放的设计理念,从而实现对网络数据的高效率的获取与高质量的共享。网络灵活性的需求:6G技术将面向千行百业的各类应用各类场景,复杂化的场景和差异 化的需求必然要求网络具有足够灵活性,例如对于toB市场,灵活快速的部署能力是核 3心竞争力之一。而传统相对封闭的无线网络形态难以适应日益多样化的市场需求,在按 需定制的要求下往往需要大量的人力和物力进行长期反复的开发与测试。因此,开放的 无线网络架构是6G必然的趋势。基于更加开放的设计理念,无线网络将基于更多的通用 硬件与IT化
12、的协议模块,从而通过软件定义的基站能力实现更加快速的迭代与个性化可 能。产业生态发展的需求:随着无线网络功能的日益复杂,相关产业门槛也日益提高。研发 完整的无线网络设备,往往需要大量的人力与物力,企业在元器件、硬件系统、软件系 统、通信算法等多个领域均需要大量且持久的投入,对于很多中小企业形成了巨大负担,行业集中度日趋增高。过高的行业门槛制约了产业的繁荣与协同。而通过对网络进行开 放化改造,从硬件架构、软件架构、协议、接口、数据等多个层面的进行开放化设计,可以大大降低行业的槛,有利于引入更多的公司参与6G产业,优势互补,各取所长,从 而实现跨行业的资源整合,提升行业的整体价值,构筑繁荣健壮生态
13、。无线网络云化的主要驱动因素:现网架构演进的需求:随着基站部署成本的增高与集中化管理运维的需求,集中化部署 的C-RAN将成为无线网络的主要部署形式。预计到2025年,中国移动新建基站C-RAN 的部署比例可达到90%以上。大量集中化部署的基站构成了基站资源池,然而,目前网 络的基站由于主要采用专用软硬件系统,主要通过系统内部的调用实现资源优化,还无 法真正实现池化增益,资源利用率仍有巨大优化空间。而云化技术可以将大量物理资源 抽象为虚拟资源,实现资源的按需分配,从而大大提高资源利用率。大量集中化的基站 设备可以为无线网络平台云化提供了良好基础,也为未来无线网络承载更加丰富的业务 与功能创造了
14、可能。无线资源管理的需求:随着频谱资源的日益紧张与通信基础理论的逐渐成熟,通过单一 频段单一制式的接入网技术已难以满足6G多样化的应用场景。6G网络必然基于多维度 组网技术,采用多种制式、多个频段、多种架构,根据具体应用场景选择最为合理的方 案,这必然带来无线资源管理的日益复杂,以及相应软件、硬件多个维度的需求变化。这一趋势要求网络能够更加动态灵活,实现动态调度资源,满足多维度组网所需软硬件 资源的按需分配。而云化技术通过对将底层硬件的虚拟化以及相应的通信协议体系设计,实现云原生基础上的6G无线网络,从而快速实现定制化资源配置,动态扩缩容,通信协 议版本迭代更新等系列新需求。4多种能力融合的需
15、求:6G无线网络将深入融合通信、计算、感知、AI等新能力,实现 DOICT技术的一体化。然而,从目前的产业格局来看,相关能力以及应用仍然基于不同 体系与平台来构建。从技术需求来看,不用能力与应用对资源的需求也存在内在差异。例如通信物理层主要采用流水线式的处理实现加速,而人工智能处理往往需要并行多核 处理完成图像识别等应用,在摩尔定律日益放缓的背景下,面向具体领域的DSA芯片在 未来会更加广泛应用。6G云化无线网络可以实现各类资源在同一架构下的融合,将多种 业务与实际物理资源解耦,从而可以承载更加丰富的6G无线网络能力体系,提高用户体 验,促进业务创新。综上,可以看出,构建6G开放云化的无线网络
16、既是我国经济与社会发展的时代要求,也是6G自身内在的产业与技术驱动因素的需求,而基于以上理念打造的6G开放云化无线网 络将进一步帮助6G实现“数字李生,智慧泛在”的愿景,为通信、计算、大数据、感知、AI、安全一体融合的新型6G移动信息网络提供基础载体。2发展历程与演进理念构建6G开放云化无线网络并非一蹴而就的简单构想,而是无线网络发展演进的必然内 在趋势。下面从早期的无线网络架构开始到5G网络架构,简要介绍无线网络的主体,即无线接 入网(RAN)的演进历程山:传统基站(BBU+RRU+天线)最初的基站采用一体化方案,即基站设备的主体均被放在一个机房或者一个机柜。随后,基站架构逐步演进为了分布式
17、基站,即基站分为几个主要功能单元,通常包括BBU(主要负责信号调制)、RRU(主要负责射频处理)、馈线(连接RRU和天线)和天线(负 责线缆上导行波和空气中空间波之间的转换)。其中,RRU被放到天线身边,所谓RRU拉 远。而RAN也逐渐演变成了 D-RAN(Distributed RAN),即接入网分布式,这样大大缩短 了 RRU和天线之间馈线的长度,可以减少信号损耗,也可以降低馈线的成本;RRU加天线 体积较小,让网络规划更加灵活。如下图所示:5膻限Ijc O。G图2.1 D-RAN示意图在D-RAN的架构下,运营商仍然要承担非常巨大的成本,因为为了摆放BBU和相关的 配套设备(电源、空调等
18、),运营商还是需要租赁和建设很多的室内机房或方舱。(2)Centralized RAN(集中化无线接入网)4G时代开始,集中化无线接入网成为了重要的部署形式。除了把RRU拉远,还可以把 BBU集中起来,BBU变成BBU基带池1。分散的BBU变成BBU基带池之后,更强大,可 以统一管理和调度,资源调配更加灵活,这种集中化方式的优点有:极大减少基站机房数量,减少配套设备(特别是空调)的能耗,降低运营费用;拉远之后的RRU搭配天线,可以安装在离用户更近距离的位置,距离近了,发射功率就 低了,低的发射功率意味着用户终端电池寿命的延长和无线接入网络功耗的降低。图2.2C-RAN示意图6图2.3 D-RA
19、N到C-RAN的演变示意图(3)5G 接入网(CU+DU+AAU)在5G网络中,接入网不再是由BBU、RRU、天线组成,而是被重构为3个功能实体:CU(Centralized Unit,集中单元)、DU(Distribute Unit,分布单元)、AAU(Active Antenna Unit,有源 天线单元)。CU:原BBU的非实时部分将分割出来,重新定义为CU,负责处理非实时协议和服务。DU:BBU的剩余功能重新定义为DU,负责处理物理层协议和实时服务。AAU:BBU的部分物理层处理功能(PHY_LOW)与原RRU及无源天线合并为AAU。图2.4 5G基站示意图其中,CU和DU,以处理内容
20、的实时性进行区分,AAU就是PHY_LOW+RRU+天线。图2.5 5G基站协议栈结构示意图5G接入网可以实现灵活的RAN网元部署方式,如下图所示:与传统4G宏站一致,CU与DU共硬件部署,构成BBU单元。DU部署在4GBBU机房,CU集中部署。7DU集中部署,CU更高层次集中。CU与DU共站集中部署,类似4G的C-RAN方式。核心网核心机房图2.6 5G接入网部署方式示意图(4)O-RANO-RAN组织及其相关标准在已有的协议与各个网元接口基础之上对无线网络进行了扩 展,以支持无线接入网新的开放性、灵活性和智能化的要求。以5G为例,如下图所示为O-RAN 的逻辑架构:图2.7O-RAN逻辑架
21、构示意图5G O-RAN逻辑架构包括以下核心组件:O-RAN无线单元(O-RU),用于处理较低部分的物理层;O-RAN分布式单元(O-DU),用于基带处理、调度、无线链路控制、媒体接入控制和较高部分的物理层;8O-RAN中央单元(O-CU),用于分组数据聚合协议O-RAN智能控制器(O-RIC),用于收集网络信息并执行必要的优化任务;O-RAN开放的云基础设施平台(O-Cloud),用于完成云化编排工作。O-RAN体系结构通过创建采用标准接口的分散和云化网络来解决传统RAN挑战,具有 四大优势:转型:赋能实现更加开放和完全可互操作的无线接入网;创新:不受厂商的限制考察各种产品、服务和特色选件,
22、从中选出最新、最佳的5GRAN 组件,通过采用支持4G、5G乃至6G的体系结构,为未来做好准备;敏捷性:灵活地混合搭配来自多家厂商的RAN组件,构建合适的5G网络;在多家专业 化厂商的帮助下,更快部署和升级5G网络;节省资本开支:借助富有竞争力的供应商生态系统,降低5G网络部署成本。(5)6G开放云化无线网络从2G5G接入网演进历程可知,无线网络架构正从复杂实体网络架构,逐步演变成开放 的云化网络架构。6G时代,无线网络的演进趋势并非是对以往路径的简单颠覆,而是在对以 往经验的继承与发展基础上,进一步向开放与云化方向演进。6G时代,随着移动通信应用的拓展,业务和应用场景向着多元化和差异化的方向
23、发展,对网络能力的要求也朝着更多维度的角度发展,通信和计算、AL大数据、感知、安全等的 融合已成为重要趋势,移动通信网络作为调度各种资源满足差异化客户需要的平台,必将继 续朝着开放和云化的方向发展。通过构建开放的网络体系,可以实现接口、数据、产业等多 个层面的开放共享,从而使能更多网络能力的升级,推动应用生态的繁荣。通过云化,将适 合通信、计算、AI和感知等能力支撑的不同硬件资源进行统一调度和管理2,灵活组合形成 按需的能力配置,实现网络能力和容量的弹性扩缩容,充分提升底层硬件资源的利用效率,降低网络的综合部署成本,还可以实现上层协议软件和底层硬件的解耦,降低通信产品研发 的门槛,实现快速的功
24、能迭代。6G无线网络的具体演进策略需要与6G自身的无线网络总体架构设想相适配,从无线网 络总体架构设想来看,6G无线网络将遵循敏捷、弹性、绿色、低成本、高度自治、降低干扰 等基本设计原则,通过数字李生网络、通信-计算-感知-AI多维能力协同、端到端服务化等关 键技术理念,实现无线网络向云化开放的新型基础设施平台演进。9图2.8 6G无线网络总体架构设想其中,最为关键的通信-计算-感知-AI多维能力协同体系面向全新的需求,重构了 6G无 线网络体系。从纵向看,无线网络可以分为通信面、数据面、计算面、智能面、安全面、管 理面,分别帮助6G无线网络应对不同用户的差异化需求。从横向看,无线网络将分为资
25、源 层、网络功能层、应用与服务层三大层次,通过不同层次提供不同形式的资源与能力,实现 高效协同。图2.9通信与大数据、计算、AI和安全的一体融合的6G无线网络体系6G无线网络体系不仅是对网络能力的发展增强,更是从根本设计思想的层面重塑了无线 网络。而为了有效适配6G无线网络体系,6G无线网络的开放云化技术不能仅仅机械照搬传 统云计算领域的技术方案,而是要根据无线网络自身的特定,从底层硬件、虚拟化技术、云 平台设计、协议设计理念等诸多方面进行创新。如图2.10所示,为承载6G无线网络体系,6G开放云化无线网络的具体设计是与之对应的,6G无线网络的开放云化技术将在主要在以 下方面演进:10 无线网
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