通過分析6G網(wǎng)絡(luò)愿景和核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所面臨的挑戰(zhàn)，提出面向6G的核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求，并在此基礎(chǔ)上提出智能且能力普惠的核心網(wǎng)架構(gòu)，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(wù)需求按需部署網(wǎng)絡(luò)功能，保證網(wǎng)絡(luò)按需確定性服務(wù)能力。通過對四大網(wǎng)絡(luò)功能體進(jìn)行重構(gòu)，實現(xiàn)多任務(wù)協(xié)同能力，形成靈活的用戶面處理邏輯，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力普惠的自治管理和智能服務(wù)。

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?概 述

大連接物聯(lián)網(wǎng)（massive machine type communication，mMTC）、增強(qiáng)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(yīng)用場景，能夠提供海量連接、寬帶化以及低時延類型業(yè)務(wù)，為經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展提供強(qiáng)大助力。近些年，下一代移動通信技術(shù)（6G）已經(jīng)引起全球工業(yè)界與學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注。作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是移動通信網(wǎng)絡(luò)的基石，整個系統(tǒng)的能力與效率都與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)息息相關(guān)。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(fù)責(zé)移動通信網(wǎng)絡(luò)中融會貫通、承上啟下的任務(wù)，同時承擔(dān)著6G應(yīng)用業(yè)務(wù)演進(jìn)與繁榮的責(zé)任。

目前，6G整體研究處于起步與探索階段，6G技術(shù)路線尚未明確，對核心指標(biāo)與典型應(yīng)用場景還沒有統(tǒng)一的定義。雖然6G的“技術(shù)尋找”與“場景挖掘”尚未成熟，但多國已將6G核心技術(shù)納入各自的創(chuàng)新戰(zhàn)略，6G技術(shù)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(lǐng)域。中國、美國、日本、韓國以及芬蘭等國家均已開展6G技術(shù)研究。2019年11月3日，我國成立了國家6G技術(shù)研發(fā)推進(jìn)工作組和總體專家組，標(biāo)志著我國6G技術(shù)研發(fā)工作正式啟動。

與此同時，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織亦啟動了6G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，國際電信聯(lián)盟（ITU）開展了固定、移動、衛(wèi)星融合標(biāo)準(zhǔn)研究，提出了核心網(wǎng)上星架構(gòu)、多接入融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及業(yè)務(wù)連續(xù)性技術(shù)，這充分說明6G核心網(wǎng)將是6G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分?？傊?G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(qū)動力，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、基礎(chǔ)理論和核心關(guān)鍵技術(shù)亟待突破，這是6G核心網(wǎng)的基礎(chǔ)瓶頸和核心挑戰(zhàn)?？紤]到現(xiàn)有的核心網(wǎng)集中式架構(gòu)缺乏對6G復(fù)雜多變場景的實時感知和適應(yīng)能力，筆者提出了一種信息內(nèi)聚、網(wǎng)絡(luò)能力智能普惠的6G核心網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，對相應(yīng)的功能進(jìn)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(jìn)的接入-回程融合等新技術(shù)，實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)性能會有顯著提升。然而，僅僅引入新技術(shù)是不夠的，現(xiàn)有架構(gòu)難以解決上述問題，須重新設(shè)計核心網(wǎng)架構(gòu)，構(gòu)建強(qiáng)大、靈活、智能的網(wǎng)絡(luò)。本章將對6G核心網(wǎng)愿景進(jìn)行簡要闡述。

表1? 6G與5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)對比

2.1 多接入融合

為了能夠隨時隨地接入網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星通信、無人機(jī)通信、海上通信等都將與6G網(wǎng)絡(luò)深度融合。作為地面通信的補(bǔ)充，上述技術(shù)將極大地擴(kuò)展6G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。需要注意的是，雖然衛(wèi)星通信、無人機(jī)通信、海上通信都屬于接入網(wǎng)技術(shù)，但接入網(wǎng)的擴(kuò)展需要來自核心網(wǎng)的支持。復(fù)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(wù)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(jī)使網(wǎng)絡(luò)控制更加復(fù)雜，6G核心網(wǎng)需要應(yīng)對頻繁的切換。同時為應(yīng)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(rèn)知和預(yù)測能力；其次，不同通信的時延差異很大，提供質(zhì)量有保證的綜合服務(wù)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(wù)遷移，6G核心網(wǎng)需要對通信拓?fù)浜陀嬎闾峁┲匦掳才拧?/p>

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(yīng)用。為了滿足這些應(yīng)用程序的服務(wù)質(zhì)量要求，應(yīng)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(shè)備，用戶可能會佩戴設(shè)備四處走動。這可能會頻繁觸發(fā)通信切換和業(yè)務(wù)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(yīng)，因此多感官XR應(yīng)用通常會導(dǎo)致計算資源耗盡且對延遲敏感。計算資源不足和網(wǎng)絡(luò)擁塞都會導(dǎo)致時延約束被破壞。

如何為這些應(yīng)用提供良好的網(wǎng)絡(luò)性能對6G核心網(wǎng)提出了巨大的挑戰(zhàn)。為保證服務(wù)質(zhì)量，6G核心網(wǎng)應(yīng)具備識別網(wǎng)絡(luò)環(huán)境變化的能力。同時，6G核心網(wǎng)還需要具備快速和細(xì)粒度地重新安排通信和計算資源的能力。

2.3 AI+網(wǎng)絡(luò)

萬物互聯(lián)是6G的核心愿景。海量異構(gòu)設(shè)備通過6G網(wǎng)絡(luò)連接，人工智能賦能6G應(yīng)用。由于 AI應(yīng)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(guān)鍵挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的云驅(qū)動人工智能對骨干網(wǎng)絡(luò)造成了沉重的負(fù)擔(dān)，并且存在延遲較高的問題。在網(wǎng)絡(luò)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(shù)中，通信網(wǎng)絡(luò)僅充當(dāng)用戶設(shè)備與云服務(wù)器之間的管道。因此，通信和計算資源是單獨調(diào)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(jié)合了人工智能和計算資源的大領(lǐng)域，稱之為網(wǎng)絡(luò)賦能人工智能。該領(lǐng)域的所有設(shè)備都通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行賦能和調(diào)度，從而形成萬物互聯(lián)。另一方面，為了讓網(wǎng)絡(luò)高效工作，6G的核心網(wǎng)必須具備對網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行調(diào)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(yīng)對快速變化的異構(gòu)環(huán)境，稱之為人工智能賦能網(wǎng)絡(luò)。

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6G核心網(wǎng)架構(gòu)

未來的6G網(wǎng)絡(luò)將面臨多樣化的目標(biāo)、多變的業(yè)務(wù)場景、個性化的用戶需求，這不僅要求6G網(wǎng)絡(luò)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(luò)架構(gòu)應(yīng)該具備足夠的靈活性和可擴(kuò)展性，從而能夠在控制層對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更加細(xì)粒度的調(diào)整。本章將深入研究6G核心網(wǎng)的設(shè)計，并嘗試提出一種改進(jìn)的6G核心網(wǎng)架構(gòu)。

?圖1? 6G核心網(wǎng)智能普惠服務(wù)架構(gòu)

3.1 架構(gòu)概覽

為滿足6G時代新應(yīng)用的需求，6G核心網(wǎng)必須具備強(qiáng)大、靈活、高效的特點。它應(yīng)該滿足以下要求：超大的網(wǎng)絡(luò)容量、就近提供的計算資源、識別環(huán)境狀態(tài)變化的強(qiáng)大認(rèn)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(wù)架構(gòu)。智能普惠服務(wù)架構(gòu)是5G服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)的升級。下面將詳細(xì)介紹該架構(gòu)及其核心模塊功能。

圖1給出了6G核心網(wǎng)智能普惠服務(wù)架構(gòu)。6G核心網(wǎng)智能普惠服務(wù)架構(gòu)主要由算網(wǎng)資源層、算網(wǎng)業(yè)務(wù)層、能力普惠層與用戶層構(gòu)成。所提架構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)中的各類資源與基礎(chǔ)設(shè)施依托部署在算網(wǎng)資源層，向上為算網(wǎng)業(yè)務(wù)層提供支持。算網(wǎng)業(yè)務(wù)層包含四大網(wǎng)絡(luò)功能體，向上提供6G網(wǎng)絡(luò)所有的網(wǎng)絡(luò)能力。能力普惠層將算網(wǎng)業(yè)務(wù)層的能力進(jìn)行聚合，通過應(yīng)用使能框架等方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力開放，實現(xiàn)算網(wǎng)能力的統(tǒng)一管理，進(jìn)而為上層業(yè)務(wù)或用戶提供服務(wù)。本節(jié)將詳細(xì)介紹能力普惠層與算網(wǎng)業(yè)務(wù)層。

3.2 6G核心網(wǎng)架構(gòu)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(gòu)成。需求解析模塊負(fù)責(zé)將來自用戶層的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行轉(zhuǎn)譯，解釋成算網(wǎng)業(yè)務(wù)層能夠理解的業(yè)務(wù)需求，并將已完成的業(yè)務(wù)需求存儲至知識庫供后續(xù)業(yè)務(wù)參考。當(dāng)需求解析模塊再次收到已經(jīng)處理過的業(yè)務(wù)需求時，其能夠直接從能力倉庫中的知識庫進(jìn)行檢索且無需再將需求傳遞至算網(wǎng)業(yè)務(wù)層進(jìn)行處理。能力支撐模塊負(fù)責(zé)對算網(wǎng)業(yè)務(wù)層開放出的網(wǎng)絡(luò)能力進(jìn)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(wù)形式封裝好的網(wǎng)絡(luò)能力，并將計算、連接、AI等網(wǎng)絡(luò)能力以服務(wù)的形式對外開放。

3.3 6G核心網(wǎng)架構(gòu)之算網(wǎng)業(yè)務(wù)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(luò)基礎(chǔ)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(luò)能力的使用能夠不依賴于終端芯片的發(fā)展程度?？刂乒δ荏w還提供融合控制功能，將網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度決策轉(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)發(fā)與控制分離的設(shè)計原則，用戶功能體在現(xiàn)有UPF的基礎(chǔ)上實現(xiàn)服務(wù)增強(qiáng)，包含與控制功能體、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、無線交互等面向服務(wù)的接口。用戶功能體不僅保留了傳統(tǒng)面向用戶UE業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)和策略執(zhí)行等功能，還重點關(guān)注用戶面可編程、確定性服務(wù)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(zhuǎn)發(fā)性能方面存在限制，因此采用可編程交換芯片、DPU異構(gòu)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(jié)合可編程技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)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(luò)功能整合至用戶面，簡化無用協(xié)議。

b）確定性服務(wù)。用戶功能體通過流量整形、隊列調(diào)度、資源預(yù)留等技術(shù)，實現(xiàn)對流量調(diào)度的可預(yù)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(wù)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(wù)的普通流量轉(zhuǎn)發(fā)。

c）跨域融合。在未來6G網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(gòu)。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(wù)模塊構(gòu)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(wù)層以及算網(wǎng)資源層聯(lián)合采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)服務(wù)模塊提供標(biāo)準(zhǔn)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(luò)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)通道，采用API接口形式進(jìn)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源決策分析時的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息。同時，數(shù)據(jù)服務(wù)模塊還集成了數(shù)字孿生功能，對終端及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建數(shù)字孿生體并對其進(jìn)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(luò)試錯成本、協(xié)助智能化決策以及提高網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新業(yè)務(wù)開發(fā)效率。數(shù)據(jù)倉庫模塊集成了6G核心網(wǎng)中非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲功能與統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲功能，能夠?qū)⒍嗄B(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(jìn)行存儲。

圖2 數(shù)據(jù)功能體基本架構(gòu)

3.3.4智能計算功能體

智能計算功能體基本架構(gòu)如圖3所示。作為實現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)智能服務(wù)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(gòu)成。

圖3 智能計算功能體基本架構(gòu)

a）智能調(diào)度模塊。智能調(diào)度模塊是智能計算功能體的大腦，其中的轉(zhuǎn)譯模型負(fù)責(zé)將來自能力普惠層的需求進(jìn)一步拆解分析，最終轉(zhuǎn)換成細(xì)顆粒度的網(wǎng)絡(luò)能力需求。模型訓(xùn)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(luò)模型和環(huán)境進(jìn)行評估，未來將更加關(guān)注多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)、聯(lián)邦學(xué)習(xí)等分布式學(xué)習(xí)。推理輔助和在線決策既可以處理網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)相關(guān)的AI推理工作，例如資源利用率預(yù)測等，還能夠基于推理結(jié)果形成輔助建議或最終決策，例如給出當(dāng)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(diào)配工作。具體包括模型訓(xùn)練的協(xié)同、推理與決策制定協(xié)同，以及算網(wǎng)資源的調(diào)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(wù)；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(fù)責(zé)管理AI服務(wù)過程中獲取的數(shù)據(jù)、訓(xùn)練好的模型、生成的知識，提高學(xué)習(xí)效率和智能化水平，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和知識的雙重驅(qū)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(jié)

為實現(xiàn)6G對各類差異化業(yè)務(wù)的高效支撐，筆者在5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出了6G智能普惠服務(wù)架構(gòu)，并對所提6G智能普惠網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)進(jìn)行概覽。其核心特征在于將網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從“網(wǎng)絡(luò)功能為連接而設(shè)計”向“連接+AI+算力+能力開放”轉(zhuǎn)變，形成架構(gòu)極簡、智能普惠的6G核心網(wǎng)架構(gòu)。隨后重點介紹了智能普惠層與算網(wǎng)業(yè)務(wù)層中四大網(wǎng)絡(luò)功能體。最后，對四大功能體網(wǎng)元、接口以及流程方面進(jìn)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(luò)架構(gòu)及相關(guān)技術(shù)研究工作；

張雪貝，工程師，主要從事5G/6G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)、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(guān)技術(shù)研究工作；

楊文聰，高級工程師，主要從事移動通信新技術(shù)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(luò)研究工作。

編輯：黃飛

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