6G网络架构探讨.pdf
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1、N*=0 6G 网络架构探讨王欣晖周星月朱进国(中兴通讯股份有限公司,南京 210012)摘要:作为 6G 纲领性文件,IMT 面向 2030 及未来发展的框架和总体目标建议书描绘了 6G 的目标和趋势,提出了 6G 的典型应用场景及能力指标体系,为未来 6G 技术的发展指明了方向。阐述了 6G 网络架构的演进方向,介绍了满足这些场景需求的关键技术手段。此外,还介绍了正在研究制定的 5G 增强标准的重点课题和相关标准工作进展,反映 5G 增强标准在向 6G 迈进的过程中起到的承上启下的作用。关键词:6G;5G-A;网络架构;人工智能与通信融合;感知与通信融合;数据面中图分类号:TN929.5
2、文献标志码:A引用格式:王欣晖,周星月,朱进国.6G 网络架构探讨J.信息通信技术与政策,2023,49(9):13-22.DOI:10.12267/j.issn.2096-5931.2023.09.0030 引言2023 年 6 月,国际电信联盟通过了IMT 面向2030 及未来发展的框架和总体目标建议书(简称建议书)1。作为 6G 纲领性文件,建议书反映了全球 6G 愿景共识,确定了 6G 发展目标与趋势,提出了6G 的典型应用场景及能力指标体系,为未来 6G 技术的发展指明了方向。网络愿景和目标是网络架构演进更新的驱动力之一。本文介绍了建议书提出的六大应用场景,从场景驱动的角度,阐述了
3、6G 网络架构如何演进以支持这些场景。此外,在 5G 向 6G 迈进过程中,5G 增强(5G-Advanced,5G-A)将承担承上启下的关键作用,本文还介绍了正在研究制定的 5G-A 相关标准研究进展。1 IMT-2030(6G)应用场景1.1 概述建议书1提出的六大应用场景包括:沉浸式通信、超大规模连接、极高可靠低时延通信、人工智能(Artificial Intelligence,AI)与通信融合、感知与通信融合以及泛在连接(见图 1)。根据国际电信联盟的讨论内容以及场景与通信基础属性的关系,本文将这六大应用场景分为两类。一类是通信连接覆盖增强类场景:沉浸式通信、超大规模连接、极高可靠低时
4、延通信、泛在连接。其中,前三个应用场景是 IMT-2020(5G)三大应用场景的扩展增强;考虑到泛在连接场景旨在增强通信连接和覆盖,这也是移动通信技术发展一直努力的目标之一,因此也归纳到“增强类”场景。另一类是跨通信技术融合类场景:人工智能和通信融合、感知与通信融合。这两个应用场景分别是 AI 和通信技术、传感与通信技术发展的跨域融合,是 6G 全新的应用场景。表 1 显示了 IMT-2030(6G)六大应用场景和能力项之间的对应关系。由于使用场景的概念非常广泛,因此可以找到很多与之关联的能力项,表 1 列出的是可测试和验证的具有代表性的能力项。1.2 通信连接覆盖增强类场景1.2.1 沉浸式
5、通信沉浸式通信场景是对 IMT-2020(5G)的增强型移31E0 表 1 IMT-2030(6G)应用场景和对应代表的能力2应用场景代表的能力沉浸式通信峰值数据速率、用户体验数据速率、区域流量容量、频谱效率、时延、移动性极高可靠低时延时延、可靠性超大规模连接连接密度、区域流量容量、能源效率AI 与通信融合AI 相关能力、安全、隐私和弹性感知与通信融合定位精度、传感相关能力泛在连接覆盖动宽带(Enhanced Mobile Broadband,eMBB)场景的扩展,涵盖了为用户提供丰富的沉浸式视频交互体验的用例,也包括与机器界面的交互。此外,相比 IMT-2020(5G)的 eMBB 场景,沉
6、浸式通信场景还涵盖城市和农村热点区域等一系列环境,对网络产生了新需求。该场景中典型的用例包括沉浸式扩展现实(Extended Reality,XR)通信、远程多感官呈现和全息通信等。支持视频、音频和其它环境数据混合流量的时间同步,是沉浸式通信的一个关键指标。因此,提高频谱效率和保证一致的服务体验,并且兼顾在各种环境中更高的数据传输速率和增加的移动性之间的平衡至关重要。此外,有些沉浸式通信用例可能还需要支持高可靠性和低时延以及同时连接多个设备的更大系统容量,以保证真实和虚拟对象之间进行灵敏和准确的交互。1.2.2 超大规模连接超大规模连接场景是对 IMT-2020(5G)的大规模机器类型通信的扩
7、展,涉及更广范围内海量设备(如传感器等)在不同场景应用中的连接。典型用例包括智慧城市、交通、物流、健康、能源、环境监测、农业和许多其它领域的扩展和新应用,例如无需供电或长寿命电池的物联网设备领域。超大规模连接场景需要支持高连接密度,并且根据使用情况,对不同的数据速率、低功耗、移动性、扩展覆盖范围以及高安全性和可靠性都可能有特定的要求。1.2.3 极高可靠低时延通信极高可靠低时延通信场景是对 IMT-2020(5G)的超高可靠低时延通信场景的扩展,涵盖了对可靠性和时延有更严格要求的专门用例。尤其是如果不能满足在时间同步操作方面的要求,可能会给应用程序带来严重后果。典型用例包括工业环境中用以实现完
8、全自动化控制和操作的通信技术。这类通信技术可以帮助实现诸如机器人交互、紧急服务、远程医疗以及电力传输和分配的监控等业务应用。极高可靠低时延通信场景在可靠性和时延方面的具体指标要求取决于各种具体用例、系统的精确定位能力以及连接密度。1.2.4 泛在连接泛在连接场景旨在增强连接性,通过与其它系统的互通来实现更广域的覆盖,以弥合“数字鸿沟”。该场景聚焦解决目前几乎没有通信覆盖的地区,特别是偏远地区的农村和人口稀少的地区。实现泛在连接场景的上述目标需要包括空天地一体化在内的多接入技术的支持。1.3 跨通信技术融合类场景1.3.1 AI 与通信融合从 3G 网络商用开始,移动互联网飞速发展,移动网络系统
9、越来越庞大和复杂,处理的数据还在不断高速增长。同时,不断增长的海量数据为深度学习提供了源源不断的数据驱动力,是 AI 迎来了新一波浪潮的重要因素。AI 与通信融合是 AI 技术和通信技术的双向融合。AI 赋能网络。数据、算力以及算法是实现 AI 的三个基本要素,而通信网络天然具备这三个要素。伴随新一波 AI 发展的浪潮,6G 网络将 AI 技术更全面深入地融入到网络,优化网络的性能,提升网络运行效率和用户服务体验,降低运维成本,实现 6G 网络的高度甚至完全自治化和智能化,正当其时。网络使能 AI。AI 通过网络的多种支撑能力,满足41N*=0 相关应用的 AI 训练/推理的庞大需求。当前深度
10、学习和模型训练大量地采用分布式计算方式,网络模型训练过程的迭代特征导致网络中的计算节点之间需要频繁通信以交换大量的数据,因此通信网络提供的服务性能决定了分布式训练效果。作为 AI 服务的基础设施,6G 网络从架构的设计到网络功能的研究将全面考虑对 AI 服务的支持,旨在打造 AI 原生网络,提供安全可保障的 AI 即服务。1.3.2 感知与通信融合感知与通信融合场景促进了需要传感功能的新应用和服务的发展。在传统信息处理流程中,感知与通信相对独立。例如,雷达是典型的无线感知终端,具有目标检测、定位、跟踪、识别和成像等功能,长期独立于通信发展。随着超大规模天线通信、毫米波通信与雷达技术的发展,通信
11、与感知的技术特征、信道特征和应用场景开始融合,成为 6G 的新场景3。6G 网络将具备网络传感能力,提供广域多维传感,获取未连接对象以及连接对象设备的运动信息及其周围环境的空间信息。典型用例包括辅助导航、活动检测和运动跟踪(例如姿势/手势识别、跌倒检测、车辆/行人检测)、环境监测(例如降雨/污染监测)以及为 AI、XR 和数字孪生应用提供相关环境传感数据和信息。这些用例要求网络支持高精度定位并且具有相关传感功能,包括距离/速度/角度评估、对象状态监测、定位、成像和地图绘制等功能。2 5G-A 的标准研究进展5G-A 是由 5G 向 6G 演进的关键阶段,第三代合作伙伴计划(The 3rd Ge
12、neration Partnership Project,3GPP)第 18 版本(Release-18,R18)是 5G-A 的第一个版本,涉及 AI、机器学习(Machine Learning,ML)、通感、XR 多媒体增强以及网络大数据智能分析等场景,第 19 版本(Release-19,R19)将对相关场景的技术路线演进做进一步研究讨论。这些工作旨在探索 5G 更广阔的前沿,为 6G 积累更多的理论和实践经验,为发展6G 网络铺平道路。3GPP 已经在 2023 年第二季度完成 R18 架构和关键技术标准,将于 2024 年 6 月完成整个 R18 标准。2023 年第四季度,3GPP
13、 将启动 5G-A R19 架构标准制定。目前,R19 相关的研究内容还在讨论中,尚未最后确定。表 2 包含已在 R18 启动以及部分待定的 R19 研究课题。下面针对 5G-A 和 IMT-2030(6G)场景相关的部分重点课题的标准进展进行简单梳理和介绍。第一个重点课题是 AI/ML。在 3GPP 无线接入网(Radio Access Network,RAN)、核心网以及网络管理编排领域已经全面展开各项 AI/ML 相关的标准课题研究。RAN 在 R18 的相关研究课题包括支持人工智能和机 器 学 习 的 新 空 口(New Radio,NR)技 术 和NG-RAN 接口技术两个项目。NR
14、 技术项目研究针对每个目标用例对应的空中接口 AI/ML 框架,涉及空口的性能、复杂度和潜在的标准影响,重点研究的用例包括三个方面:信道状态信息(Channel State Information,CSI)反馈管理、波束管理和针对不同场景的定位精度增强。研究还针对所选子用例的多种 AI/ML 方法,支持 5G 用户设备协作级别的各种要求。引入 AI 后,AI/ML 模型生命周期管理的通用框架也是重要研究内容。NG-RAN 的 AI/ML 则基于现有 NG-RAN 接口和架构研究数据收集增强功能和信令支持,实现基于AI/ML 的网络节能、负载平衡和移动性优化。表 2 5G-A 重点课题分布分类5
15、G-A 网络增强5G-A 新特性课题名称XR 及多媒体增强天地一体化增强下一代实时通信新业务用户面功能服务化元宇宙研究(R19 待定)网络大数据智能分析基于直通链路的测距及定位通感一体化(R19 待定)元宇宙服务(R19 待定)节能服务(R19 待定)环境物联网(R19 待定)51E0 3GPP 早在 3GPP R15 版本(即 5G 标准)的核心网中就引入了“AI 角色”网络功能,即网络数据分析功能(Network Data Analytics Function,NWDAF)。后续从R16 到 R18,3GPP 的每个版本都围绕 NWDAF 展开研究。一方面,NWDAF 通过收集用户连接管理
16、、移动性管理、会话管理、接入业务等信息,利用可靠分析和预测模型,对不同类型用户进行评估和分析,确定用户的移动轨迹和业务使用习惯,预测用户行为以调整相关策略来保证用户体验;对网络功能的状态(如负载均衡状态)、网络资源(如切片负荷)进行分析,优化网络性能,提高网络资源效率。另一方面,NWDAF 支持向外部用户或应用开放网络分析能力,促进创新,释放新价值。在网络编排领域,3GPP 也早在 R16 版本就开始定义自智网络相关标准规范,研究并制定包括自智网络分级、闭环控制、意图驱动网络管理、管理数据分析等标准规范4。R18 课题继续聚焦智能网络分级、意图网络管理增强,新增了 AI/ML 管理的研究课题。
17、R19 AL/ML 的课题范围还在讨论中,将围绕信令风暴抑制、业务质量决策、绿色节能辅助等目标展开,拓展网络 AI 服务范围,提升网络 AI 适应性和决策能力。第二个重点课题是通感一体化。目前 3GPP 完成了 R19 感知与通信融合对 5G 系统的需求研究,讨论分析了不同领域和场景中的需求,涉及入侵检测、降雨监测、智慧城市/家庭/工厂以及辅助导航等多个场景用例。具体的架构增强、终端、基站和网络功能的研究任务还处于课题准备阶段的讨论中。第三个重点课题是卫星接入增强。3GPP 在 R17批准引入非地面网络(Non-Terrestrial Networks,NTN)标准化工作,涵盖适配物理层和接入
18、层方面、无线接入网和系统架构、无线资源管理以及在低轨(Low Earth Orbit,LEO)、中轨(Medium Earth Orbit,MEO)或地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)运行的目标卫星网络的无线频谱需求。此外,R17 还支持基于窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)和长 期 演 进 的 增 强 型 机 器 类 型 通 信(Enhanced Machine-Type Communication,eMTC)的卫星接入,以解决农业、运输、物流等领域的大规模物联网使用案例。R18 继续支持 5G 无
19、线非地面网络和非地面网络物联网,支持基于 5G 无线技术的 10 GHz 以上频段卫星接入覆盖场景,制定满足相关监管要求(例如合法监听、紧急呼叫、公共警报系统)检查和验证用户设备(User Equipment,UE)报告的位置信息的系统方案。在架构增强层面,R18 针对卫星接入类型、注册区域分配与管理、移动性限制、基于 UE 位置的接入控制等增强对移动性和服务连续性的支持。另外,R18 引入 5G系统中的动态卫星回传场景,支持用户面功能(User Plane Function,UPF)上星,进而使能边缘计算业务,增强用户设备的本地数据交换功能。第四个重点课题是 XR 及多媒体增强。3GPP 在
20、R16 就开始了关于 XR 流量特征的研究并对 XR 应用进行了整理分析,完成了针对 XR 交互式服务的新 5G服务质量标识符的标准化工作。当前正在进行的 R18工作是基于 R17 研究提出的一套统一的 XR 流量模型和框架来制定标准方案,重点针对 XR 特定流量采用节能机制,以进一步增加支持的 XR 用户数量,并引入基于协议数据单元套(Protocol Data Unit Set,PDU Set)概念的 XR 流量感知特性,在空口进行优化,提高 XR 服务的整体性能。R19 XR 课题预计将在多模态业务协同传输、PDU Set传输、端到端时延监测以及网络信息开放等 R18 特性的基础上继续扩
21、展,针对业务体验、容量以及通用网络能力方面进行进一步深入研究。3 场景驱动 6G 网络架构落地方案的思考3.1 概述网络架构是网络运行的基石,整个系统的能力与效率都与网络架构息息相关。业界已经深度开展针对6G 网络架构相关的研究,但在关键技术方面尚未达成共识。本章基于 6G 应用场景需求,结合 5G 到 5G-A的演进经验对 6G 网络架构进行探讨,提出 6G 网络架构的三个重要技术特征:“服务+数据”双总线、分布式架构和多接入融合。3.2“服务+数据”双总线服务化架构(Service-based Architecture,SBA)作为 5G 网络架构的“灵魂”,其本质是按照“自包含、可重用、
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