面向6G 的微服務化無線網架構研究

宗佳穎，劉洋，劉海濤，楊峰義

(中國電信研究院5G 研發中心，北京 102209)

0 引言

為實現網絡功能靈活快速部署和維護，適應不同場景的多種業務需求，5G 核心網已經引入服務化架構(Service Based Architecture，SBA)，網絡功能(Network Function，NF)間采用輕量級服務化接口(Service Based Interface，SBI)，利用SBA 模塊化、無狀態、獨立化、扁平化、自主化的優勢，推動網絡走向開放化、虛擬化[1]、軟件化和服務化。但目前無線接入網(Radio Access Network，RAN)依舊采用傳統的點對點結構，針對未來沉浸式云XR、全息通信、感官互聯、數字孿生、元宇宙等新型應用[2]，無法很好地支持6G 無線網絡的業務需求和技術演進。6G RAN 的微服務化技術研究是實現網絡高效彈性、內生設計、開放生態的重要一環，受到學術界和產業界越來越多的重視。由奧盧大學科學基金會領導的6G Flagship 指出未來網絡向真正端到端基于服務的架構演進趨勢，后續可能會為RAN 開發類似于5G 核心網的SBA 框架[3]。歐盟5G 基礎設施協會認為借助6G，SBA 有望實現全網全平面、端到端的擴展，包括核心網、RAN和終端，提供更大的部署和操作靈活性，支持網絡的網絡和系統的系統概念，以便于子系統集成和可擴展性[4]。中國IMT-2030(6G)推進組則將基于服務化的體系結構、云原生實現的網絡虛擬化、微服務架構等作為可編程網絡的重要使能因素，構成面向6G 的控制面可編程和用戶面各網元端到端可編程網絡架構，增強敏捷性和靈活性，為消費者提供創新的通信服務[5]。因此，有必要深入研究面向6G 的微服務化RAN 架構及關鍵技術，綜合來看其必要性如下：

第一，移動通信網元軟件架構無法支持未來網絡異構化及服務多樣化。未來無線網絡需融合多種異構網絡，且公網、專網以及面向垂直行業的定制化網絡業務需求多樣化。但電信網元自身的軟件架構變革程度不高，未能充分利用緩存、消息隊列，數據庫、編排自動化等云中間件能力無法支持靈活快速部署、彈性伸縮和高效管理，限制了無線網絡提供差異化、高性能業務的能力。

第二，無線網絡內生設計需求。無線網絡具有強大連接能力、控制面/用戶面網元功能、分布式計算架構等方面的特殊性，且未來對云原生、智能化、安全、編排管理等具備內生設計需求。因此，接入網需要從煙囪式的協議棧架構轉為基于服務的架構，促進云網在部署、架構和服務上的深度融合，賦予6G 通信網絡在傳統通信連接之外的計算、感知、智能、安全等內生能力。

第三，構建無線網絡開放生態的需求。無線網絡開放是未來發展的重要方向，目前5G To B 類應用還在初步探索，基于5G 的平臺(即服務能力)尚未完全服務各行各業數字化轉型升級[6]。因此，下一代無線網絡需做出變革，來滿足服務提供商、應用程序開發商、終端用戶(包括消費者和垂直用戶)對模塊化架構、開放系統和解決方案的需求。

從目前研究進展來看[7-9]，微服務化特別是無線接入網的微服務化將是未來有顯著應用價值的技術之一，但目前對于微服務化RAN 的研究還處于初步探索階段，對微服務化RAN 架構及技術方向尚未達成統一共識。本文首先介紹5G 服務化網絡，包括架構、網絡功能和服務化框架以及服務化接口，并指出短期可能的演進方向；進一步地提出面向6G 的微服務化RAN 參考邏輯架構和未來可能的技術演進方向。

1 5G 服務化網絡架構

在5G 系統定義階段，結合4G 網絡架構和業務發展，借鑒成熟的面向服務架構、微服務、云原生等技術理念，5G 核心網(5G Core，5GC)采用服務化架構重構了4G 核心網功能，從固定功能和連接轉向基于軟件和云的開放平臺。其通過靈活性、虛擬化和可編程等特性，希望能夠更好地支持各行各業多種服務。

1.1 5G 核心網服務化架構

圖1為3GPP 定義的5G 核心網服務化架構[10]。5GC將控制面和用戶面分離，用戶面功能(User plane function，UPF)負責連接外部數據網絡，包括路由和轉發、用戶面服務質量處理等。控制面采用SBA 提供一組互聯網絡功能實現5G 網絡控制平面和公共數據存儲能力，互聯網絡功能包括接入和移動管理功能(Access and Mobility Management Function，AMF)、會話管理功能(Session Management Function，SMF)、網絡開放功能(Network Exposure Function，NEF)、網絡存儲功能(Network Repository Function，NRF)、策略控制功能(Policy Control Function，PCF)、統一數據管理(Unified Data Management，UDM)等。網絡功能間通過兩種方式交互：(1)服務化方式，即服務化接口，如Namf、Nsmf、Nnef、Nnrf 等；(2)參考點方式，即專用接口，例如AMF和SMF 可通過點對點的參考點接口N11 進行交互。

圖1 5G 核心網服務化架構

無線接入網通過點對點N2 接口與5GC 控制面網元AMF 交互，通過點對點N3 接口與5GC 用戶面網元UPF交互。

1.1.1 網絡功能和服務化框架

在服務化架構5GC 中，主要網絡功能描述如下。

AMF：負責網絡與設備之間的認證、連接、移動性、可達性管理。它接收來自終端的連接和會話相關信息等。

SMF：處理會話管理(建立、修改、釋放以及UPF 與AN 間隧道維護)、IP 地址分配和策略執行控制等。

PCF：支持統一策略框架管理網絡行為，為控制面功能提供策略，訪問統一數據存儲庫(Unified Data Repository，UDR)中與策略決策相關的訂閱信息。

NEF：向第三方、應用功能、邊緣計算等安全開放NF功能和事件。

NRF：支持服務發現功能，維護可用的NF 實例及其支持服務的NF 配置文件等。

UDM：用戶識別處理、UE 服務的NF 注冊管理等，如為終端存儲服務AMF，為終端協議數據單元(Protocol Data Unit，PDU)會話存儲服務SMF。

NF 服務是由NF(NF 服務生產者)通過基于服務的接口向其他授權NF(NF 服務消費者)開放的一種功能。NF包括多個NF 服務，通過服務化框架進行服務注冊/注銷、消費者鑒權、服務發現和服務間通信等。NF 服務可以直接在服務消費者和服務生產者之間進行通信，也可以通過服務通信代理(Service Communication Proxy，SCP)進行間接通信。

無論是直接通信還是間接通信，消費者和生產者之間的端到端交互遵循兩種機制。

(1)請求-響應機制：兩個網絡功能(消費者和生產者)之間的通信是一對一的，生產者應該在一定的時間范圍內完成消費者請求的一次性響應。

(2)訂閱-通知機制：控制平面可以有多個服務消費者訂閱服務生產者提供的NF 服務。服務生產者將NF服務的結果通知已訂閱的服務消費者。訂閱請求應包括通知端點，即通知目標地址和服務消費者的通知關聯ID(如通知URL)。

NF 服務的管理和發現主要通過NRF 進行。NRF 中存儲各個NF 信息和NF 服務信息，其主要由兩個NF 服務組成：Nnrf_Discovery，用于向各個NF 提供服務發現功能；Nnrf_NFManagement，對各個NF 服務進行管理，包括服務注冊、更新、注銷、訂閱，保障NF 動態上線和下線。

1.1.2 服務化接口

圖2 給出了服務化接口協議棧在3GPP 中的定義[11]。服務化接口使用HTTP/2、TCP 等通用化協議，以JavaScript對象表示法(JavaScript Object Notation，JSON)作為序列化協議。3GPP 規定所有NF 都應支持TLS 以實現傳輸層安全[12]。SBI 接口摒棄了核心網之前使用的Diameter、GTP等協議，創新性應用HTTP/2、JSON 等互聯網技術，使得網元接口開發、維護、管理更加高效靈活[13]。

圖2 SBI 協議棧

1.2 5G 服務化網絡演進方向

5G 網絡只在核心網控制面引入服務化架構，其服務化架構目前并未向用戶面以及無線接入網擴展。基于5G 網絡若考慮針對服務化架構的持續演進方向，并結合具體需求，可聚焦控制面接口的服務化，包括F1-C 接口(基站集中單元與分布單元控制面間接口)和N2 接口(基站集中單元與AMF 間接口)。如圖3 所示，將點對點的專用接口替換為通用的服務化接口，可靈活快速部署，實現彈性擴縮容。并基于無狀態化等特點，可進一步在網元故障時考慮如何快速恢復，保證用戶數據不中斷。

圖3 控制面接口服務化

2 6G 微服務化RAN 架構及關鍵技術

云原生、人工智能技術的發展推動云網融合、網絡智能化進程，促進6G 無線網絡基礎設施全面云化，將云的思維、架構、技術、特性融合到無線網絡體系架構中，實現彈性伸縮、敏捷運維和智能開放，滿足電信業務多樣性需求。而微服務化RAN 是實現這一愿景的關鍵環節，促進RAN 架構變革，支持云和人工智能(Artificial Intelligence，AI)等技術的融合演進。

2.1 面向6G 的微服務化RAN 架構

本文提出了一種6G 微服務化RAN 邏輯參考架構，如圖4 所示。最底層為終端接入層，包括多種類型的接入終端，如手機、傳感器、智能機器人、無人駕駛車輛、無人機、高鐵等。終端接入層之上為基礎資源層，包括計算、存儲、交換設備、驅動、操作系統以及RAN 側需要的加速器和時鐘資源。

圖4 面向6G 的微服務化RAN 架構

服務化RAN 在基礎資源層之上，包括服務化平臺、云中間件、多個網絡功能、管理編排模塊等。服務化平臺與云中間件(如緩存、消息、數據庫等)為RAN 側網絡功能服務提供基礎，管理編排則負責網絡功能管理及資源調度等。應用服務層包括多種應用，例如無線網絡能力開放、無線網絡定制化、無線網絡彈性擴縮容、內生無線AI 等，應用可通過通用的應用程序接口(Application Programming Interface，API)快速調用RAN 側網絡功能或向RAN 側下發策略。核心網依舊沿用服務化架構，通過SBI 與服務化RAN 進行信令數據交互。

2.2 面向6G 的微服務化RAN 關鍵技術

結合當前應用需求及未來技術演進方向，本文列出了6G 微服務化RAN 可能的關鍵技術。

(1)在基于云原生的6G 微服務化RAN 整體架構方面的技術，包括：

①面向6G 的微服務化RAN 網絡架構設計、網絡功能重構及模塊化設計、內部交互接口設計。需要考慮整體架構對目前協議棧有多大影響，對控制面/用戶面、物理層/高層如何進行服務化，內部服務化接口是否沿用現有3GPP 定義的協議棧。

②微服務化RAN 網絡功能服務調用機制及流程設計研究，包括服務注冊、發現、鑒權等。在5GC 中，由NRF 提供服務發現、服務管理功能，需考慮RAN 側如何實現以及對目前信令交互流程有多大影響。

③微服務化RAN 網絡功能的靈活按需部署、彈性擴縮容機制設計和關鍵技術研究。例如，微服務化RAN天線模塊可靈活部署大規模多輸入多輸出等，并對基礎資源進行相應調整。

(2)在6G 端到端的微服務化無線網絡技術方面，包括：

①服務化RAN 與外部(核心網、基站)接口服務化架構設計、服務發現、注冊、調用機制研究。

②服務化RAN 基站內部(E1、F1)接口服務化架構設計、服務發現、注冊、調用機制研究。

③端到端的服務化無線網絡框架融合設計及編排管理研究。需要考慮微服務化RAN 與服務化核心網如何統一框架。

(3)在面向6G 的云網服務融合應用技術方面，包括：

①基于微服務化的無線接入網絡能力開放架構和API 接口定義、鑒權和交互機制研究。例如針對網絡節能、定位等應用，開放無線網絡能力，并結合AI/機器學習（Machine Learning,ML）實現智能管理。

②面向特定業務的微服務化無線網絡定制化研究。依托微服務化RAN 定制面向特定行業、場景、業務的服務化無線網絡，實現網絡智能可編程。

3 結論

微服務化RAN 是滿足未來各種應用業務性能，實現云原生、智慧、智能、安全等內生需求，構建開放無線網絡生態的重要技術之一。依托6G 研究浪潮，微服務化RAN 已日益受到學術界和產業界重視，但目前并未有統一的6G 微服務化RAN 架構及明確的技術研究方向。本文首先指出微服務化RAN 研究驅動力，其次介紹了現有5G 服務化架構，并指出基于5G 系統可能的演進方向。針對6G 微服務化RAN，本文提出了參考邏輯架構，并指出其關鍵技術。短期來看，可聚焦接口服務化以及控制面高層服務化研究，未來需要設計基于云原生的整體微服務化RAN 架構，并達到端到端融合貫通，實現網絡多種內生能力，構建開放生態，賦能千行百業。