场景定制化的6G分布式网络架构及技术研究

2024年11月 版权声明CopyrightNotification 未经书面许可禁止打印、复制及通过任何媒体传播 ©2024IMT-2030（6G）推进组版权所有 目录 前言1 一、6G场景定制化的需求3 (一)6G应用场景需求3 (二)5G网络发展启示5 (三)什么是场景定制化7 二、6G场景定制化的网络架构8 (一)架构设计原则8 (二)6G场景定制化的分布式网络架构9 三、6G场景定制化的关键技术14 (一)概述14 (二)网络定制14 1.需求感知技术14 2.编排管理技术16 3.网络可编排18 4.简化定制网21 (三)网络协同24 1.分布式服务框架24 2.网络互联27 3.业务可编排30 4.业务连续31 (四)赋能技术33 1.网络智能33 2.网络安全35 3.可靠性39 四、典型场景定制化用例41 (一)天地一体化41 (二)可移动子网42 (三)矿山产业43 (四)无人机低空监管45 五、总结与展望47 缩略语48 参考文献51 贡献单位52 图目录 图1-16G典型场景4 图2-16G场景定制化分布式网络架构10 图3-1服务化演进示例19 图3-2可编程网络堆栈示例20 图3-3SRv6的三层编程空间示例20 图3-46G网络的逻辑功能22 图3-5即插即用示例23 图3-6即插即用步骤24 图3-7分布式协同流程26 图3-8基于区块链的分布式协同流程27 图3-9分布式网络互联架构图28 图3-10基于网络联盟的网络互联29 图3-11业务编排调度流程示意图30 图3-12跨网络间切换连续性保障33 图4-1天地一体化信息网络架构41 图4-2机载分布式子网示意图43 图4-3矿山分布式子网示意图44 图4-4无人机低空监管分布式子网示意图45 前言 2023年，国际电信联盟无线电通信部门5D工作组（ITU-RWP5D）发布《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》（以下简称“建议书”），标志着6G的研究从愿景正式走向架构和关键技术。2024年5月，3GPP首个6Gworkshop在荷兰鹿特丹召开，预示着全球的6G研究正由技术研究逐步转向技术收敛和标准制定阶段。 ITU-R建议书提出了6G的6类场景（3类5G增强场景及3类全新场景）和15类技术指标（9类增强指标和6类全新指标）。从ITU-R建议书中可以看出，6G网络不仅仅对“连接”服务提出了更高的要求，比如更高的吞吐量、更低的时延、更严苛的可靠性、更多的连接数量、更泛在的连接范围等，同时对服务的类型也提出了更多的要求，除了传统“连接”服务，6G网络还需支持感知、智能等服务并实现与“连接”服务的协同。 低时延高可靠的连接需求，最终将要求接入、网络、业务都尽可能的靠近最终用户。感知、智能服务与数据、算力紧密相关，而数据天然具备分散的属性，算力资源也逐步从中心化走向分散。因此，从ITU-R的业务需求可以看出，三种类型的服务都要求网络及业务具备物理分散的特性。基于5G网络的经验可以看出，单一的接入技术无法满足所有场景需求；统一、集中的网络，在满足多样化场景需求时，不断的系统升级及功能迭代，给网络运营带来了巨大的成本和压力，同时，单点的系统故障也会带来大面积的业务影响。而6G网络场景将比5G网络更为丰富，需要一个逻辑上分散并有机协同的网络架构以满足多样化的场景需求，且其能力、资源的多样性在一定程度上需要依赖于共建共享的协作环境。综上，6G需要一个物理、逻辑分散的分布式网络，同时通过网间的协同，形成一个有机的网络整体，以满足未来多样化的场景需求。 就像传统语音网络需要考虑网间互通及漫游一样，4G、5G网络标准也考虑了分组域网络“连接”服务的跨运营商漫游互通机制，但并未充分考虑运营商内的多样化组网需求，导致网络实际运营部署时无标准可依，后期通过引入NPN等技术一定程度上弥补了上述需求，但由于涉及终端和网络的 1 迭代升级，给运营带来巨大压力。而6G“连接”、“感知”和“智能”的服务相比5G服务更加多样化，更需要从一开始原生考虑跨运营商、运营商内的分布式组网需求。 本研究报告在IMT-2030（6G）推进组的《6G分布式网络技术的应用场景及需求》报告和《6G网络架构展望》白皮书的基础上，聚焦分布式网络的组网架构，研究6G网络为了满足多样化场景需求所需的网络定制和协同能力，以及新兴技术在6G分布式网络中的应用。 本研究报告从场景定制化的特征维度出发，梳理6G分布式网络的场景定制化需求，探讨场景定制化的6G分布式网络架构，分析潜在的6G分布式网络关键技术，并给出场景定制化用例。希望能为业界开展6G分布式网络和6G网络架构研究提供参考和指引。 2 一、6G场景定制化的需求 (一)6G应用场景需求 从技术的角度，尤其是基于性能指标需求的角度，业界提出了5G网络的三类应用场景，包括eMBB（增强型移动宽带）、URLLC（高可靠低时延通信）和mMTC（海量机器通信）。2022年，IMT-2030(6G)推进组发布了《6G典型场景和关键能力》[1]白皮书和《6G分布式网络技术的应用场景及需求》[2]报告。2023年，国际电信联盟无线电通信部门5D工作组（ITU-RWP5D）完成了《IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书》[3]，提出了沉浸式通信、超可靠低延迟通信、大规模通信、泛在连接、人工智能与通信融合、感知与通信融合等六大场景，如图1-1所示。从多个报告的研究成果可以发现，相比5G网络，未来6G应用场景将更多样化，可表现在如面向的用户群体（如大众和企业）、使用的环境（如工业园区和家里）、业务需求（如满足基本通信需求和实现XR游戏）、网络需求（如超级无线带宽和通信感知融合）等方面。此外，随着智能设备的普及，以个人为中心的个性化需求将会越来越突出，可体现在家庭、工作、校园、外出、运动、健康、消费、娱乐等场景中。除了ToB、ToC和ToH，未来6G潜在使用场景还可能有ToP （ToPerson，面向个人），即以个人为中心的使用场景如体域网和个人物联网，甚至还可能有随着社会快速发展涌现的各类不可预见的新场景。综上所述，6G网络应支持包括ToC、ToB、ToH、ToP在内的各类应用场景。 3 图1-16G典型场景[3] 未来6G应用场景在功能、性能、安全、部署、接入、管理等方面对网络提出了差异化的需求，举例如下： 功能需求：6G整体网络功能需求将从“通信连接”扩展到“通感智算”。例如感知智能场景需要感知和智能相关功能，全息应用场景需要感知相关功能，数据服务场景需要数据相关功能； 性能需求：6G性能需求将在5G的基础上进行提升，并在感知、智能、计算等方面进行拓展。例如行业子网场景在远程操控方面存在超高确定性需求，数字孪生应用场景（数据服务场景）在全量数据采集方面存在超大规模连接需求； 安全需求：未来6G网络将更加安全可信、全面保障用户隐私，提升业务安全能力。例如数据服务场景在数据传输、数据存储等方面存在数据安全需求，行业子网场景在机器控制方面存在链路安全需求； 部署需求：场景化部署需要网络架构设计足够灵活，以适应各种场景化的需求。例如感知智能场景在快速AI处理方面存在就近部署需求； 接入需求：多样化场景要求实现动态泛在接入，可体现在接入位置、 4 接入制式、直接/间接接入等方面。例如连接服务场景在广覆盖布网方面存在空天地多种接入方式需求，临近网络场景在通信质量提升方面存在中继接入需求； 管理需求：6G需要更灵活的管理方式来调整网络，从而快速满足场景需求。例如行业子网场景在企业自运维方面存在管理需求。 因此，6G网络需要按场景进行定制，并支持分层分布式。面向6G应用场景差异化的网络需求，6G网络需要根据场景的需求，进行定制化的设计，例如灵活的选择网络接入方式、网络功能模块集、部署位置，按需选择所需的计算资源、应用平台如MEC等，并向网络需求方提供对应的网络服务。面向6G应用场景极致化的性能需求、网络部署位置和安全的要求、网络相关的服务和资源（如连接、数据、算力等）分层分布式部署的趋势，网络或网络某些功能可以放在分布式节点中。此外，对于有共性、明确需求的场景，可以通过网络简化来满足场景需求，降低资源需求，提高网络效率。 (二)5G网络发展启示 5G的总体愿景是渗透到未来社会的各个领域，为不同用户和场景提供灵活多变的业务体验，最终实现万物互联。为此，5G定义了三大场景：eMBB、URLLC、mMTC。为了对不同的业务场景需求进行独立运营和安全隔离以及提供高效的SLA保障，提出了网络切片的概念，网络切片使得运营商能够在一个物理网络上构建多个端到端（无线接入网、传输网和核心网）的、虚拟的、隔离的、按需定制的专用逻辑网络，实现一网多用，以满足不同行业客户对网络能力的不同要求。从网络的定制化程度的角度，国内运营商分别推出了三种5G专网服务模式，使得5G网络与娱乐、交通、制造、能源、安防、家居、医疗、教育等众多行业融合渗透，催生了众多面向垂直行业的应用，根据《2023年中国5G产业全景图谱报告》[4]，截至2022年6月，我国5G虚拟专网超过了5325张，目前该数据还在快速增长中。 尽管业界在满足场景需求方面进行了深入研究和探索，当前阶段，仍存在如下问题： 5 网络架构日趋复杂。当前5G网络网元数量多，逻辑接口多，HTTP信令链路多（例如有40余个网元、80余个逻辑接口），网络部署的互操作测试工作量大，每新增一个服务，都会涉及现有多个NF功能扩展和接口交互，导致网络部署升级周期长、运营维护复杂，因此对未来网络高效、灵活适配场景需求带来了一定的难度。 网络灵活性待提升。未来包括垂直行业在内的6G应用需求将呈现极致化和多样化的趋势，具体的场景在大多时候与具体的部署位置相关，而目前5G网络在本质上还是集中式的网络架构，难以灵活满足未来应用在部署位置和个性化通信保障能力的需求，此外，当前5G网络采用专网和切片将网络做简单分类，不同切片之间的架构、逻辑功能划分仍是相对统一的，无法更好的适配每一个具体的应用场景需求，专网的运营受限，并且ToC/ToH/ToB用户通常只能请求/申请固定的网络切片资源，难以灵活变更，易造成需求不匹配、资源浪费等问题。 网络鲁棒性待提升。当前系统中，主要依赖网元层面的容灾保障，一旦故障发生，其影响面往往较大，并且恢复所需的时间较长，通常需要数小时。对于用户来说，这会导致工作和生活中的中断和不便。此外，缺乏网络的自检自愈机制，当故障发生时，没有足够的自检机制来准确发现问题所在，也没有自愈机制来自动化修复，需要人工干预来诊断问题并采取相应的解决方案。然而，这种依赖人工的方式显然是低效且费时的。 多方协作能力待提升。随着数字化转型的不断推进，各个领域和厂商之间的协作变得日益普遍，跨厂商、跨领域的端到端切片自动化编排变得至关重要。然而，实施这样的自动化编排会面临一些复杂的挑战，例如不同厂商之间不兼容的技术和标准、复杂的系统集成以及多样的业务需求。 网络运营智能性待提升。当前5G网络运营系统引入了一些自动化技术，但随着个性化需求的增长，现有5G网络运营系统在全业务随愿服务能力方面存在不足，例如快速识别需求、处理大量个性化需求 6 时存在一定的瓶颈，导致无法及时响应客户的需求，响应时间可能需要数小时甚至数天。此外，智慧运营涉及到多个方面，关键模型还需要更全面和精确，以便能够更好地监控和管理网络，从而提高网络智慧运营能力。 缺乏行业领域知识。面向行业的专网是5G网络的一个重点发展方向，不同行业的特点和要求各异，需要定制化解决方案来满足其独特的业务需求。然而运营商缺乏对垂直行业的领域知识，深入了解垂直行业用户的实际诉求，并针对其特定的业务需求提供定制化的专用网络解决方案。 (三)什么是场景定制化 从当前专网业务的发展情况看，将网络做简单分类，无法精准的匹配每一个具体的应用场景需求。且由于ToC的基本通信需求的发展已经放缓，ToB垂直行业场景的发展成为了5G网络应