邬贺铨:5G的两大关键技术是网络重构和云化

2017-04-18 11:53 人物观点   

导读在5G网络中,我们会面临不同的业务需求,而传统的物理设备我们网络物理设施是无法根据这些业务来配置的,网络切片则是关键技术。  

5G网络中,我们会面临不同的业务需求,而传统的物理设备我们网络物理设施是无法根据这些业务来配置的,网络切片则是关键技术。

中国工程院院士邬贺铨:5G的两大关键技术是网络重构和云化

中国工程院院士:邬贺铨

4月17日,在2017全球未来网络发展峰会上,中国工程院院士邬贺铨现场发表了演讲,并讲述了未来网络的展望和5G商用面临的一些问题。

邬贺铨强调,从长远来看,5G的网速要达到100M,蜂值速率要到100G,流量密度要提高100倍。而要实现这一目标,需要满足两个条件:

一、网络重构,运营商则需要考虑空口和网络的适配,要提供差异性的服务,进一步开放网络能力。

二、云化,应根据不同的业务实行因地制宜,需要采用云集中处理,雾计算、霾计算分级处理的方式。

他认为,未来网络有超高移动性的业务、超宽带业务、大规模的物联网业务,而这些对带宽、对实验、对资源的需求都是不同的,传统的物理设备我们网络物理设施是无法根据这些业务来配置的,而网络切片就是关键技术。

对于未来,邬贺铨还指出到2020年,业界可以争取实现80%的功能软件化,利用云和虚拟化、软件化、切片化来实现整个网络智能化的重构。

以下是邬贺铨院士的演讲实录,笔者做了不改变原意的编辑:

尊敬的各位领导、各位专家、各位来宾、大家早上好。刚刚休息的时候有记者问我,5G跟未来网络什么关系?我说5G不是未来网络,但是跟未来网络有关。未来网络它的覆盖范围不仅有无线还有有线,未来网络希望更大,应用范围更广。5G在2020年商用,未来网络可能比这个时间还要晚。

这是5G的标准化时间表,商用时间应该是2020年。今年12月份3GPP完成非独立标准5G空口化,而且要完成5G网络架构化。对美国、日本、韩国来讲,他们希望把5G用在宽带有线接入上。到明年8月份会有新的标准化,还有正常移动宽带等场景,到2019年9月份全部适应5G要求。这是讲标准化过程,标准化过程是瞄准5G商用时间表。

众所周知,我们经历第一代移动通信(1G),以蜂窝小区,GSM,根据时间不同以区分。目前,中国移动通信占了中国4G市场的60%,而现在5G都开始了。那么,如果说1G面向个人通信,5G则面向产业和社会的管理应用,比如说三维电视、可穿戴设备、产业互联网、机器人智慧城市等。

据国际电信联盟观点,5G业务分别是50M和100M,5G比4G的网速提升了10倍,无线接口从10秒提升到1毫秒,连接密度提高到10倍,能效提高100倍,可以做到20个G。怎么提高移动性能?网络流量有几个因素构成,如增加天线数等等,所以可以看到大规模天线,超密集主网对应上面的网络容量公式,除此之外还有各种各样的无线技术需要支持。

我们今天的主题是未来网络的峰会,更多的是关注网络技术。所以我们来看网络技术的5G业务跟现有的固网业务有什么差异?多带宽,连接更复杂,连接大规模物联网,这里需要有足够的复杂性,正常服务的可信性,减少端到端的复杂性。此外,对移动网络需要优化,数据可编程,另外还有保证能效,实现绿色化,增加身份管理,还有多数据接入,扁平化和运行维护。所以目前固网的很多业务需求,还不能满足5G业务的一些需要。

5G有两大需求:网络重构、云化

5G有两大方面的需求。

1、网络重构

一方面是支撑指标,要实现网速100M,蜂值100G,流量密度提高100倍。在这样的要求下面,对5G接入网和核心网都需要改造,要有更灵活的网络架构,要实现无线资源优化,另外除了云计算以外,还要有移动边缘计算,控制用户面和控制面分离,要牺牲移动管理。从运营商来看,也有很多需求。一个空口跟网络要结合,就要独立发展,要提供差异化的服务,网络能力要开放,所以归结为要牺牲网络切片和能力开放,当然基础设施会用到SDN(软件定义网络)和大数据。

5G网络架构可以分两大方向,首先要模块化功能视图,从两方面来规范。另外主网设计是平台性的,基于NFV和SDN的,实际上网络技术要多种多样,包括网络切片、移动边缘计算、网络功能重构、控制承载分离、新型移动性管理、多梳理接入以及网络能力开放。

拿扁平化举例。这里2G、3G左边有一个基站,无线网络控制器,SDN/NFV,另外还有一个分组网关功能,到4G我们已经做了一些减化,再上去是SG,S到SSG,然后到4G在5G再减化,直接到EPC,ECP是增强的核心网,可以看到网络进一步扁平化。现在移动网也想IP化,实际上移动网是独立的,通过隧道,通过网关才能连到互联网,未来网络扁平化直接上到互联网,使网络进一步实现扁平化。扁平化目的是为了减少实验,适应宽大流量。另外传统的移动网络基站控制器,还有MMSC,SNGSN。传统的移动互联网从2G到3G,走的是电路交换,到PSPN,数据走的分组召唤,通过分组网络上到互联网,也就是说不是纯IP。现在到4G发展到EPC(就是说这个没有走电路召唤),未来5G纯IP化更确定。现在EPC实际上仍然是按设备中上分类,SGW是网关,然后有任务服务器,还有一些跟用户属性、计费有关的单元。在每个垂直里头有用户面和垂直面没有分开,未来5G很可能走到NGC,下一代的核心网是分层。可以看到右图是水平分开,用户面和控制面分开,上面还有应用管理和一些业务管理,未来核心网不但纯IP网络,还要做到控制面和用户面的分离。

2、需要云化

另一方面,5G网络要云化。过去,云化就是把基站能力做的很强。现在有些能力上到云端去,通过云端来集中处理。5G云化需要有接入的云还有控制的云,从而实现网络资源的集约化管理,能够更好调动网络资源。这里包括将来支持SDN和NFV。5G出来不等于现有的移动网络淘汰。如何实现多个移动网络协同,也需要利用云的能力来处理。

除了云化以外,我们刚才说很多东西要集中到云。在移动通讯上,我们发现有些时候不能把所有东西都集中到云。如果所有处理都上到云端,路程比较长,对于工业物联网和车联网,我们希望是一个低毫秒的过程。什么东西都放到云端再处理再回来,这个时间很长。如虚拟现实、增强现实,往往需要20G的带宽才能够有好的体验,而且反应要比较快,如果把VR、AR处理都放到云端,这样处理起来就会占用了核心网络带宽。此外,视频业务要求我们希望节约核心网络的带宽,并做到就近处理。现在IBM提出在云计算上面还有雾计算,也就是说雾比云更靠近地面,更可以靠近处理。但是,按我的想法这还不够,应该要在基站上,到交换网中间处理,目前在其底下处理还没有人起名字,我称它为“霾计算”。

所以未来的网络需要云集中处理,同时也需要雾计算、霾计算分级处理,根据业务不同因地制宜。

切片也要网络化

我们既有超高移动性的业务,时速500公里,有超宽带业务,还有大规模的物联网,这些对带宽、对实验、对资源的需求都是不同的。但是我们网络物理设施不可能根据一个业务配备一个物理设施。物理设施是公共资源,只有通过逻辑上的控制来组建逻辑上的专用网络,根据业务的需要针对性地提供符合业务质量需求的应用。所以切片也要网络化。

一个网络软件化运营平台,数据中心有数据中心的业务,核心网有核心网的业务,5G5G的业务,机器人还有物联网,他们会在同一个物理网络设施上,但是对网络资源的利用是不一样的,我们需要有调度、有协同,跟这种协同是纯网络优化,需要利用控制面来实现纯网的优化。还有切片并不是全部的,业务来了提供切片,业务没有了这个切片就要收回,所以切片是有寿命管理,这种情况下需要灵活协调。

在这运用华为的一个例子,我们前面有EMBB正常的移动宽带,有NNTC大规模的机器通信,有超可靠低实验,当然还有其他业务。通过空中接口接进来,给他们分配什么样的带宽,他们对时间有什么敏感要求,这些都需要预先感知。另外核心网络等需要调度不同的资源来实现服务,这里可以看到蓝色和绿色、红色、黄色对应不同切片来实现需求。比如说这是各种各样的业务,用户端有各种业务,通过天线,前端有黄的红的蓝的,每个网络都有基础设施、有核心网。如果所有都是平均分配的话,实际上业务可能都会受到集中,都得不到最佳状态。现在实行切片,比如这个红的就提供支配它所需要的一种业务,实际上对蓝的、黄的业务也可以优化处理,所以切片就能针对业务多样化,实现网络资源的管理。

怎么切片?我们看每一个切片,都有资源层,有数据和用户面,有控制面,还有服务面,当然还有应用以及管理。实际上数据面和控制面是SDN支撑的范围,数据面和控制面合起来是NFV支持的网络,同一个面要同时同个周期管理,单个切片底层是虚拟化的网络处理,数据要支持数据、支持分组业务,支持内容分配网CDN还有各种业务,控制面当然有服务网关、有路由器、有HSS,用户的服务器等各种各样。他们通过切片边缘控制器来控制,最上面是服务,更重要是切片内部管理,还有在切片之间的管理,那么这都需要动态服务。切片对5G来讲也是新的挑战。

另外SDN/NFV,将传统路由器和控制功能合二为一。根据地址最短路径优先,并不考虑全局优化,所以在大数据时代这是比较傻瓜的方式。所以有人希望通过SDN把结点控制功能集中起来,变成网络操作系统,这时候路由器变成纯粹的转化功能,当然了超出控制功能都需要控制。实际上SDN可以将互联网从过去物连接分组通信一部分回归到面向连接的分组通信,这个更复杂,需要全网的关联控制。那么除此之外我们还希望网元变化,传统上买交换机专用硬件、专用处理操作系统,还有中间器,现在我们希望通过NFV,硬件是通用的,以X86的通用器,不管是哪一样都是一样的,不同的中间件来实现设备不同的功能。所以SDA/NFV是支持网络的重要手段,也是网络资源优化以及适应大数据很好的应用面。所以我们强调要控制承载彻底分离,控制面是可编排重构,用户面专注于数据转化。

实现智能化重构

另外网络要实行智能化重构,这是中国电信提到的2025实现网络重构,网络弹性部署、快速配置,基础设施还是一样的,网络资源、存储资源、带宽资源,通过云管理平台、控制器,通过网络功能虚拟化支撑不同的应用,这就是云化。上面再通过SDN类似网络编排实现优化,中国电信提出来希望全国不少于90%的地区能在IP应用SDN,在边缘运用NFV,并且希望到2020年实现80%的功能软件化,利用云和虚拟化、软件化、切片化来实现整个网络智能化的重构。

说完这个我们再说到5G,通常的移动通信一个基站用户在基站附近受到很好的协调,用户在蜂窝边缘信号效果不那么好,未来我们希望用分布式的天线,这样使用户在蜂窝周围也能收到比较好的信号。当然天线之间是互相有干扰的。资源怎么分配、优化?需要集中的管理,我们需要大数据,搜集天线干扰数据,通过联合的信号处理,通过大规模的现状来抵消,一个无线无干扰,信号就特别大,根据分析这种方式可以提高两个量级容量。当然实际上我们还有高密集主网,和其他方案等等。现在朝着超密集主网,有中央大数据管理和联合信号处理协调。

另外移动通信通常都是一个基站服务一部分用户,比如说我们现在是绿色,像北京望京住人的地方,晚上很忙,白天这些人都上班,所以基站是忙闲不均,基站利用率很低。过去一个基站一个基站亟待处理,现在为了让它协同,我们将其抽出来,这样一来变成集中的,每个基站都有功能。这个传输网,光线传输的不是数字信号。这种方式是集中式。所以是集中、合作、云、绿色的,这也是我们未来5G大规模商用会采用的方式。

说到移动通讯做到高带宽,现在频率可能要扩展几毫米,外国已经规划要到70级,内部传输很大,所以往往需要把光纤引入到基站,包括引入到馈线上面,我们可以把信号,调制光信号,成为光信号。另外过去我们很多交换放到路由器,就是IP召唤,10毫秒都不止。

现在华为提了方案,是一层半在物理层到第二层之间实现以太网的终极,这样可以做到毫秒级,其好处是基于原生的内核,不需要跑到二层和三层来存储和查表,而且可以混合用。既有独占,又有以太网统计服用特征,所以这两者,是基于最优路径、端到端的硬管道。绿的是一种业务,蓝的是一种业务,它在峰值限制上面。右边是混合服务,在所有你可以用的业务上面都可以填出,这样就更好的利用了网络资源。此外,各种硬管道都可以应用,优化了网络资源的利用,也可以支持SDN的控制。当然根据不同的需要,有些业务可以走召唤器路由器。未来物联网体系现在有很多,有DAN,有NDX、CCN、SDN、SON面向服务网。实现内容的交换,在结点上现在在5G有可能比较看好,当然也不能说就确定了发展路径。

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