6G智能全連接網絡架構

張琳峰，林奕琳，王慶揚

（中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630）

0 引言

回顧移動通信的發(fā)展史，1G提供的是模擬話音，2G提供的是數(shù)字話音和短信，3G提供了移動數(shù)據業(yè)務，使得移動互聯(lián)網的發(fā)展逐漸展開。4G提供移動寬帶上網，移動多媒體視頻業(yè)務開始興起，同時由于網絡帶寬更大、智能手機的急速發(fā)展，使得各種移動APP類應用迅速得到普及，例如社交、支付、購物、導航、打車、外賣以及移動短視頻等應用，極大地改變了人們的生活方式。5G網絡的目標是實現(xiàn)萬物互聯(lián)，除了支持eMBB增強移動寬帶場景之外，還支持URLLC高可靠低時延和eMTC增強機器類通信應用場景，通過豐富的應用場景賦能千行百業(yè)，推動社會發(fā)展。可以說，4G已經改變生活，5G除了改變生活之外，正在賦能行業(yè)、改變社會，而面向2030年的6G網絡，有可能改變世界，包括物理世界和數(shù)字世界。

1 6G網絡愿景對架構的需求

Gartner從2018到2020連續(xù)四年的十大技術趨勢指出，AI人工智能走向工程應用的趨勢成為必然。AI賦予了機器適應能力、推理能力和提供解決方案的能力。AI經歷了三個層級的發(fā)展：首先是計算智能，就是能存會算；其次是感知智能，就是能聽會說、能看會認；然后是認知智能，就是能理解、會思考，從而使得計算機能夠理解人類，并像人類一樣思考。目前進入實用階段的主要是計算智能和感知智能。移動通信網絡從4G到5G的發(fā)展過程中，算力資源日益豐富，并逐漸從網絡中心向網絡邊緣擴展，數(shù)據資源也日益豐富，為AI的應用提供了基礎。例如：自組織網絡SON從4G開始應用，5G在R16和R17標準中引入了網絡數(shù)據分析功能NWDAF（Network Data Analytics Function）和管理數(shù)據分析功能MDAF（Management Data Analytic Function），主要是定義了eNA[1]的網絡智能化框架，基于大數(shù)據分析來提升網絡的智能調度和運營管理的能力，但在實際的網絡規(guī)模部署中涉及多廠商多設備的多源數(shù)據，數(shù)據格式實現(xiàn)統(tǒng)一標準化的難度較大[2]，實際應用效果也需要時間檢驗。

展望6G網絡愿景，至少有以下特點：

（1）沉浸體驗[3]：利用XR、全息、數(shù)字孿生和其他多媒體技術的組合，模擬視覺、聽覺、觸覺等感官信息，創(chuàng)造高真實感的環(huán)境，為用戶提供沉浸式實時體驗和交互類的業(yè)務，可能變得普及。5G主要是基于XR技術實現(xiàn)，6G將基于全息和數(shù)字孿生、并可結合XR提供更加身臨其境、更加豐富多彩的全新業(yè)務體驗，包括全息通信[4]、全息現(xiàn)實、孿生現(xiàn)實。這類業(yè)務體現(xiàn)了通信和感知的融合，對多感知交互、圖像實時壓縮算法和網絡信令的實時控制能力提出了較高的要求。

（2）網絡智能[2,5]：5G網絡在標準或實際部署的網絡中引入了一定程度的智能，但目前不同層面的智能還是相對孤立的，比如接入網、核心網和網絡管理層面的智能基本還未形成聯(lián)動或者閉環(huán)。而業(yè)界普遍期望6G在終端、無線網、核心網、承載網以及網絡管理的智能化在得到進一步增強的同時，在不同層面的智能的協(xié)同，形成6G網絡整體的智能。此外，智能技術將應用到6G的網絡和應用多個層面，為用戶、應用和社會提供智能泛在的連接。6G時代，通信將與AI形成深度融合，AI賦能網絡，網絡賦能AI應用，智聯(lián)連接無處不在。

（3）天地一體[6]：3GPP在5G的R17版本中引入了NTN[7]（Non-Terrestrial Network，非地面網絡），支持透明模式和再生模式的衛(wèi)星與移動通信網絡融合。業(yè)界期望6G能夠面向廣域稀疏場景提供泛在的立體覆蓋，實現(xiàn)天地一體，從而能夠服務于偏遠地區(qū)、航空、航海、高鐵等更多的業(yè)務場景。同時，6G網絡還應實現(xiàn)天地等不同網絡接入之間的智能協(xié)同，實現(xiàn)智能的泛在連接。

（4）固移融合：3GPP在5G的R16版本中成立了 5WWC[8]（Wireless and Wireline Convergence for the 5G System）、ATSSS（Access Traffic Steering，Switching and Splitting）、5G LAN（5G Local Area Network）等固移融合相關的項目。其中5WWC支持固定無線和有線接入（包括PON）統(tǒng)一接入到5GC核心網，實現(xiàn)多種接入方式的統(tǒng)一認證，適用于5G、WLAN、PON等多種接入方式共存的行業(yè)應用場景（工廠/園區(qū)）和家庭場景（全屋Wi-Fi+家寬）。ATSSS則進一步實現(xiàn)5G和WLAN的多接入多流的智能調度。5G LAN則實現(xiàn)了5G UE之間可以組建跨UPF的局域網，而且5G UE和企業(yè)內網的有線終端可以組建固移融合的局域網，為企業(yè)提供廣域的虛擬局域網解決方案。6G需要多網融合的網絡架構[9]，期望6G能夠實現(xiàn)更廣泛、更全面的天地一體和固移融合。

（5）安全內生[10]：5G網絡基于云原生設計，使得5G網絡與NFVI云基礎設施實現(xiàn)融合。另外5G基于服務化通信架構，信令協(xié)議直接基于HTTPv2，對外支持Restful接口，同時引入MEC邊緣計算，使得5G具備更好的開放性，能夠更好地與互聯(lián)網應用融合。在獲得業(yè)務靈活性和豐富度的同時，也引入了NFVI云基礎設施和互聯(lián)網所面臨的安全風險。因此6G網絡設計之初還要考慮如何避免5G網絡只能通過外掛安全解決方案來增強安全的尷尬，借鑒區(qū)塊鏈技術的發(fā)展，結合業(yè)界探討的分布式身份認證、零信任、可信網絡等，構建內生的安全機制，成為6G網絡架構設計要解決的問題。

2 6G網絡架構設計的總體考慮

從第一代模擬蜂窩移動網絡到當前5G網絡的演進歷程可以看出，沒有一代網絡架構是完全脫離上一代憑空而來的。但基于不用的業(yè)務和應用場景需求、技術進步的影響，每一代網絡架構都與上一代都有明顯的不同，既有繼承，也有變革。

因此，6G網絡架構的設計，有以下幾點考慮因素：

（1）路線選擇：6G是現(xiàn)實世界和虛擬世界連接貫通的橋梁，是人類社會和自然環(huán)境和諧發(fā)展的引擎，具有比5G更宏大的歷史使命，這就要求6G具有遠強于5G的能力，6G不能在5G的基礎上通過簡單的演進而來，建議優(yōu)先考慮革命性的先進技術，與5G形成顯著的代際差異。

（2）綠色環(huán)保：6G架構設計一開始就要將綠色環(huán)保作為6G研發(fā)和運營的根本要求，為中國2030年“碳達峰”做出貢獻。6G應通過引入智能技術實現(xiàn)資源的動態(tài)調度，從而實現(xiàn)資源效率最大化，這里的資源不僅僅是無線空口資源，還包括網絡各層次的資源，如何通過全局的智能調度和控制，使得網絡整體能效最優(yōu)，是6G需要解決的一個重要問題。

（3）考慮支持全連接的基礎框架：全連接包含衛(wèi)星接入和地面接入兩大類連接，地面接入包括無線連接和有線連接兩大類。6G基礎框架應考慮空天地海、固定與移動等各類連接并存的泛在接入場景下，如何實現(xiàn)對全連接的智能化管理，如何實現(xiàn)隨時隨地可用的泛在連接，并為用戶提供多樣化的QoS定制服務。

（4）考慮新業(yè)務新場景的需求：4G網絡以2C業(yè)務為主，帶寬的擴展催生了一批豐富人們生活的移動互聯(lián)網業(yè)務，5G將拓展2B應用，為各行各業(yè)帶來新的發(fā)展動力。而6G網絡則需要考慮2030年及之后人類社會和自然世界和諧發(fā)展對網絡的需求，包括提供無處不在的泛在連接，網絡柔性可編程滿足定制化需求。

（5）考慮交叉領域技術創(chuàng)新的加持：SDN理念、NFV技術在4G網絡后期得到了一定程度的應用，在5G得到全面應用；云計算、容器、微服務、HTTP等IT領域的技術也被引入到5G網絡使得網絡更加靈活；大數(shù)據和AI技術的引入也使得5G網絡具備初步的智能。而在對6G的前期研究中，已經出現(xiàn)了AI與空口技術的融合、區(qū)塊鏈在頻譜共享中的應用等創(chuàng)新思路，因此未來6G網絡將支持ICDT深度融合，網絡架構的設計需要充分考慮如何吸收各類新興技術，實現(xiàn)云網邊端融合的6G網絡[11-12]。

3 6G智能全連接的網絡架構設想

面向未來的6G網絡相比5G將提供更高的峰值速率、更低的端到端時延、更密的連接數(shù)量，并支持更加豐富和復雜的業(yè)務場景和應用，特別是AI類應用將呈現(xiàn)出泛在的特性，不管是在云端、網絡的各個層級、無線、還是終端，都將支持“智能”特性。

設想中的6G智能全連接網絡架構，從橫向來看，包括接入網、邊緣網絡、核心網絡三部分，其中接入網提供包括衛(wèi)星接入、無線與移動接入、有線接入在內的泛在接入，并由邊緣網絡控制，邊緣網絡提供區(qū)域范圍的移動性和接入服務，通常部署在邊緣云上，核心網絡則實現(xiàn)各個邊緣網絡的互聯(lián)互通以及與Internet網絡的互通，通常部署在核心云上。接入網、邊緣網絡、核心網絡既可以由同一個運營商提供，也可以由不同運營商提供，還可以通過多方聯(lián)合以共建共享的方式提供。

從縱向來看，6G智能全連接網絡架構自下而上包括云網融合層、智能網絡層、智能服務層等三層，如圖1所示。

圖1 6G智能全連接的網絡架構示意圖

其中云網融合層是6G網絡部署的基礎設施，為6G網絡提供傳統(tǒng)承載網絡連接、云計算資源及云網操作系統(tǒng)，通過實施虛擬化、云化和服務化，形成一體化的融合技術底座，最終實現(xiàn)簡潔、敏捷、開放、融合、安全、智能的新型信息基礎設施的資源供給。

智能網絡層是6G網絡的核心功能層，實現(xiàn)信令的智能控制和用戶數(shù)據的智能處理，遵循控制與承載盡可能獨立工作的設計原則。但核心網絡和邊緣網絡的實現(xiàn)上有所不同，具體如下：

（1）核心網絡：由通信平面和管理平面構成。通信平面自上而下分為智能業(yè)務控制（控制面）、智能連接調度（控制面）、智能核心處理（用戶面）等三層，分別實現(xiàn)業(yè)務層的會話控制、網絡層的會話控制，以及對來自邊緣網絡的用戶數(shù)據流實現(xiàn)智能轉發(fā)和媒體處理。信令面通過分層設計，從業(yè)務層和網絡層實現(xiàn)靈活的多通道多流策略的智能調度，用戶面也具備自主選路的智能，通過P2P組網實現(xiàn)分布式的轉發(fā)處理。管理平面則包括智能數(shù)據采控和智能運營管理，實現(xiàn)智能采集、大數(shù)據分析、AI建模和數(shù)據訓練，并可以通過信令面或用戶面的互通實現(xiàn)反饋的閉環(huán)，從而提升網絡運維的自動化水平、面向業(yè)務的運營水平、以及對網絡安全智能防御的能力，逐步實現(xiàn)網絡的自治和自演進。

（2）邊緣網絡：遵循控制與承載分離和極簡化設計原則，由智能接入控制（控制面）和智能邊緣轉發(fā)（用戶面）實現(xiàn)分布式的邊緣接入控制和移動性管理以及對用戶數(shù)據流的邊緣轉發(fā)和處理。所有邊緣網絡和核心網絡共享移動性管理數(shù)據庫，技術上可以通過區(qū)塊鏈或分布式賬本實現(xiàn)數(shù)據共享。當用戶在本地接入、區(qū)域范圍內移動或者只使用邊緣網絡提供的業(yè)務的場景下，由邊緣網絡實現(xiàn)移動性管理和邊緣接入的自主控制，此時不需要核心網絡的信令面參與；當用戶在漫游場景下，則由邊緣網絡和核心網絡共同完成信令控制。邊緣網絡具備較高程度的智能，除了能夠買現(xiàn)接入層全連接的智能控制，還具備較高程度的自治和自演進能力，便于降低運營門檻，有利于吸引第三方合作方參與到邊緣網絡的區(qū)域運營服務。

智能網絡層在具體實現(xiàn)上，應兼容各種不同的基礎設施。同時，功能實體應具備柔性定制和良好的可擴展性，支持根據業(yè)務場景實現(xiàn)動態(tài)按需部署和彈性伸縮，因此功能實體的顆粒度設計應更加靈活，實體之間的協(xié)議應具備靈活、動態(tài)和極簡等特性，從而使得6G網絡的核心功能實現(xiàn)可編程、可編排、支持P2P組網等特性。

智能服務層主要面向6G網絡應用提供服務。首先支持智能交互，未來的移動網絡要考慮面向消費端和行業(yè)端的AI應用場景和需求，實現(xiàn)AI終端到AI應用的連接，這種連接傳遞的可能是計算請求、控制指令，也可能是模型、數(shù)據，還可能是腦機接口這種新穎、智能的交互方式。其次支持對外的智能服務，包括AI as a Service、Blockchain as a Service等，面向2C、2H、2B的全場景的各種服務。6G網絡對外提供的智能服務跟傳統(tǒng)的基于NEF的集中式能力開放不同，為了適應WEB3的發(fā)展趨勢，通過與區(qū)塊鏈或者分布式賬本系統(tǒng)對接，提供分布式的鏈上服務（例如：計算服務、算法服務、數(shù)據服務等）有可能成為主流。

從網絡的視角來看，智能并非集中部署，而是從集中走向分布，在云端、網絡、邊緣、終端等各方實體中都可能存在智能控制功能，根據應用的差異，某些應用以核心智能為主，某些應用以邊緣智能為主，還有某些應用以終端智能為主，從而構成云網邊端協(xié)同的智能全連接架構體系。在網絡內部，智能也是分散在多層、多個功能實體之中，通過多層的智能協(xié)同，從而實現(xiàn)接入層、網絡層、業(yè)務層的智能全連接控制，從終端的視角來看，6G網絡提供了空天地海的廣域泛在連接，支持衛(wèi)星接入、無線與移動接入、有線接入等全場景的接入和應用層的全連接服務。智能全連接的核心內涵是網絡應通過對連接的智能化管理，為用戶提供全業(yè)務場景的服務可達，不管用戶身處何地，隨時隨地、隨愿聯(lián)網。

4 6G智能全連接網絡架構的技術優(yōu)勢

本文提出的6G智能全連接網絡架構設想，跟5G網絡對比，具有以下技術優(yōu)勢：

（1）邊緣網絡與核心網絡角色分離：由邊緣網絡負責移動性管理和接入控制、本地連接控制，核心網絡負責骨干連接控制，支持新的多運營商協(xié)作的商業(yè)模式和生態(tài)環(huán)境，在支持多運營商的共建共享方面具備更多的靈活性。

（2）控制面與用戶面獨立工作，二者接口極簡化：傳統(tǒng)的SDN架構采用的是控制與承載分離的思路，控制面實體具備較強的策略智能，完全控制用戶面實體的行為，而用戶面實體只能按照控制面的策略來執(zhí)行，沒有自主決策能力。由于用戶面完全受控于控制面，無法獨立工作，表面上看二者是分離的，實際上二者是無法獨立工作的緊耦合關系。在智能全連接網絡架構中，控制面和用戶面是完全分離的松耦合關系，控制面和用戶面的網絡功能實體都支持P2P模式的自主組網，二者之間的接口按最簡化設計，追求的是二者獨立工作，即使在控制面失效的情況下，用戶面也可以為用戶提供緊急服務。用戶面也具備較強的策略智能，可以自主進行路由選擇后報告給控制面，也可以按照控制面的特定策略執(zhí)行，將提升邊緣網絡的自主性，并使網絡總體上具備更好的可擴展性。

（3）分布式網絡智能：5G R16定義了基于NWDAF網元和大數(shù)據分析的eNA框架，是集中式的智能，而6G引入AI內生的分布式智能協(xié)作，將以機器學習（例如深度學習、聯(lián)邦學習）作為內生的技術實現(xiàn)，支持網絡各層之間的多層智能協(xié)同，以及終端與6G云網邊的多方智能協(xié)同。

（4）全連接控制和調度：5G R17 NTN實現(xiàn)星地融合，5WWC實現(xiàn)有線和無線融合，各個方案獨立疊加，每個方案適用于特定場景。在6G智能全連接的網絡架構中將統(tǒng)一通過邊緣網絡方案原生支持衛(wèi)星接入、無線與移動接入、有線接入等全部接入方式和移動性位置數(shù)據的共享。

5 結束語

6G的目標是要滿足2030年后業(yè)務應用、技術進步和社會發(fā)展對移動網絡提出的需求，而6G網絡架構是實現(xiàn)這一目標的基礎。本文基于當前對6G愿景的展望、對移動網絡演進架構特點的考慮以及對技術進步的初步判斷提出了一種6G智能全連接的網絡架構設想。但6G研究目前還處于初步階段，6G標準工作還未正式開始，后續(xù)基于研究的逐步深入，還需在當前架構設想基礎上，進一步細化和優(yōu)化。