关键词:5G；软件定义网络；网络功能虚拟化(NFV)；网络切片；基于服务的架构；移动边缘计算(MEC)

8摘要:5G采用面向服务的架构概念，取代互联网中网络效率的优先原则，以满足工业互联网和智能城市的高可靠性和低延迟等要求。另一方面，为了适应未来业务的不确定性，5G不同于传统电信网络的封闭性，它具有服务和网络协议的开放性。尽管5G试图兼具互联网和电信网络的优势，但它的实现仍然面临许多挑战。本文讨论了5G网络和服务提供的10个主要问题。SDNNFV；网络切片；小型企业管理局；MEC从2019年开始5G的商业应用除了中国，其他已经开始5G业务的国家的运营商已经开始基于非独立网络(NSA)，即使用4G核心网络，只增加5G基站。5G终端因此可以获得比4G更高的宽带能力中国决定在2020年通过独立网络直接建立5G核心网络[1]服务协议可以提供国家安全局没有的高可靠性、低延迟、宽覆盖范围和大连接性，并且在增强移动宽带能力方面也比国家安全局更有效。因此，可以说2020年是5G真正的第一年为了满足多业务、低延迟和高可靠性的要求，5G核心网与4G相比，采用基于服务的架构(SBA)[2]，从而实现了服务开放和切片、网络功能虚拟化(NFV)[3)、边际计算能力、协议互联等特点。从50年前互联网诞生至今，传输控制协议/互联网互连协议(TCP/IP)等互联网协议都是基于无连接模式逐包转发的。然而，5G核心网络现在是面向连接的模式，第3层的IP数据包不再是唯一的转发单元。如上所述，网络系统的转型是互联网诞生以来前所未有的，5G大规模应用将面临许多挑战，以实现预期的性能。

(1)5G将大规模使用软件定义网络SDN实现传输和控制的分离，使用网络操作系统集中管理网络，基于大数据和人工智能计算每个流量流的端到端路由，将路由信息嵌入源节点IPv6扩展报头的标签栈，并沿路径传输到每个节点，实现源路由(SRv6)[4]中间节点只需转发而无需路由，这减少或节省了排队时间，并确保了面向连接模式下的低延迟转发

尽管我们希望能够通过SDN实时优化所有流量和节点，但大规模网络中低延迟响应的多目标优化是一个难题——路由可能冲突，也可能不收敛解决这个问题有两种方法:一是在不同区域建立SDN，但是跨区域路由组织需要在SDN之间交换服务流和网络资源数据，增加了实现的复杂性；另一种方法是以面向连接的方式仅转发一些业务流，而其他业务流仍将以无连接的方式进行处理，以降低对SDN处理能力的压力。

(2)5G颠覆了传统的网元结构通过硬件泛化(白盒)和软件定义的网元功能，NFV可以根据流量的需要灵活采用第1.5层、第2层或第3层转发，从而提高转发效率，显著降低时延对于不同的服务，NFV要求网元同时呈现不同的功能，这些功能随服务变化而变化这要求NFV准确获取全球服务流和网络资源数据NFV通过虚拟化实现软硬件解耦，并向硬件资源池和软件微服务重构发展。然而，微服务架构缺乏标准，无法实现开放性和互操作性的初衷。此外，SDN和NFV同时运行很难避免网络资源的冲突。此外，与特殊设备相比，白盒转发延迟可能更大。更大的问题是，当白盒网元与原网元共存于一个网络中时，NFV效应将难以体现。

(3)网络切片是5G网络和服务的主要特征网络层[5]根据业务流的带宽、时延、可靠性等要求，在集中式网络运维系统的管理下组织网络资源，提供与每个业务流的业务属性相对应的虚拟专用网络通道，支持个性化服务，特别适合不同垂直行业的需求虽然虚拟专用网服务在电信网络中已经存在了很长时间，但是它过去是通过预约建立的，而不是实时提供的，并且它只对少数业务流开放。目前，5G网络切片面临着虚拟专用网的大规模、实时性和端到端通道组织等特点。把交通流一个接一个分割开来太理想化了。例如，30年前的异步传输模式就是一个警告。如果网络切片从核心网络扩展到接入网络，端到端切片将随着用户的移动而变化，这增加了切片管理的复杂性。向客户开放虚拟专用网以按需发现、选择、生成、管理和提供实时动态调整权限是一项前所未有的挑战。

在运营商网络之间建立虚拟专用网连接更加难以想象，这需要运营商相互开放网络资源和服务数据，但这基本上没有可操作性首选方法是只为具有严格要求(如延迟、丢包率和可靠性)的流量流提供网络切片。与现有4G网络的虚拟专用网相比，上述方法可以毫无保留地实时生成虚拟专用网。此外，在流量计费模式下，能够保证服务质量(QoS)的虚拟专用网服务只提供给高端用户，但对普通用户不公平，因此有必要考虑采用以用户价值为中心、考虑服务质量的计费模式。

(4)小型企业管理局是5G的一个重要创新中小企业管理局建立了一个商业开放平台，接受各种商业智能单元，可以按需添加，如手机上的应用程序(APP)。智能单元的组合可以产生相应的智能，通过业务解耦和模块化可以实现网络业务的灵活调用，以适应5G新格式的不可预测性。小型企业管理局类似于电话网络中的智能网络。在用户数量大、网络资源有限的环境下，还会出现智能网中业务智能单元组合可能发生冲突的问题。

不同于智能网，因为中小企业通锐是一个开放平台，大大丰富了商业智能应用的来源。然而，与传统运营商封闭的服务能力相比，中小企业管理局的服务平台存在安全风险5G移动通信协议与中小企业管理局合作，完全基于互联网，使互联网上的应用可以直接移植到5G，增强服务能力。然而，与过去在移动通信中使用的特殊协议相比，5G移动通信协议互联网为互联网上的病毒和特洛伊木马留下了方便之门。因此，5G在保护网络安全和信息安全方面需要比4G付出更多的努力。

(5)移动边缘计算(MEC)与5G一致MEC部分降低了云计算能力，包括存储和内容分发能力，以适应对延迟敏感的服务的快速处理。如何在工程中合理设置MEC粒度是一个有待实践探索的问题。移动终端、机器人和互联网连接车辆等应用需要在MECs之间切换，这涉及到MECs之间的协调以及MEC和中央云之间功能的合理分配。它不仅会在MECs之间产生大量开销，在MEC和中心云之间产生大量交互，还会引入延迟MEC特别适合面向垂直行业的应用，这些行业希望运营商开放其在MEC的能力。因此，需要为MEC配置轻量级云技术，如开源平台和容器，以支持第三方边缘应用此外，开放MEC能力对运营商网络管理和信息安全的影响也难以衡量。

(6)5G对同步设置了严格的要求SDN/NFV都需要获得所有网元的流量和网络资源的大数据，所有网元的数据都需要同步和绝对时间对齐。如果每个网元报告的数据时间不够准确，就不可能获得全局视野。因此，基于不太准确的数据做出网络调度决策可能会更糟现有的电气和电子工程师协会标准(IEEE 1588)的同步机制也难以保证所需的精度，并且难以满足IEEE 1588假设双向信道的传输延迟在实际应用中相同的前提

(7)5G促进作战保障体系转型5G需要将NFV函数实时分配给网络元素，并管理服务切片的组织和生命周期。5G运营支撑系统(OSS)需要基于业务和网络资源大数据的统计和智能分析，自动生成通信设备和服务的调度方案。为了实时响应，不可能采取手动网络管理操作，必须依靠信令控制。整个网络中的一个操作系统有利于整体控制，但处理能力和处理延迟不能满足要求。如果开放源码软件是按地区建立的，每个开放源码软件都需要交换数据，也需要上级中央开放源码软件的合作。

(8)汽车联网是5G全新的应用场景因此，5G特别考虑确保无线接入和核心网络低延迟的措施。然而，个人通信与汽车网络有很大不同:前者平均通过十多个节点；然而，后者可能只有一两跳。NFV、网络切片和SRv6对多跳环境中的延迟控制有显著影响，但在车辆联网场景中没有明显优势。汽车联网通常是短数据包，而传统的TCP/IP协议对短数据包的传输效率较低传统的个人通信在接入部分通常是点对点的，而车辆联网在车辆对车辆(V2V)的情况下是点对多点和多点对多点，甚至是广播。

这将增加频率安排的难度，因为很难将设备连接到设备(D2D)，并且需要网络切换，即车辆到网络到车辆(V2N2V)，但是延迟会稍微增加。对于个人通信，中国许多省份目前共享一个直接连接点来实现运营商之间的通信。然而，汽车联网对时间延迟特别敏感。属于不同运营商的汽车之间的通信需要在附近直接相互连接，至少不要超出城市界限。换句话说，有必要在城市内部专门设立网络间直接连接点，用于汽车联网。

(9)大连接是5G应用程序的一个重要特性5G每平方公里可连接数百万个连接，传输延迟小于10秒，丢包率小于1%大规模物联网终端需要群组认证，否则会触发信令风暴。安全算法和协议也应该考虑轻量级，以避免引入不必要的延迟和增加物联网终端的能耗。鉴于物联网终端的种类繁多，5G用户身份管理应适应全球用户身份证(USIM)向灵活多样方式的转变。

(10)工业互联网推广5G专用网行业数字化首先要求企业生产设备网络化为了在生产线上实现机器人、物料小车和工件之间的联网，需要无线技术。然而，现有无线技术的可靠性、可扩展性和抗干扰能力不符合工业互联网的要求。5G视工业互联网应用为自己的命运。企业可以使用5G作为企业内部网或广域网的传输手段。5G运营商可以为企业提供网络切片，但运营商的5G网络主要是为公众用户设计的。

考虑到公共通信下行数据流的规模，特别是视频业务，远高于上行数据流的规模，在时分双工(TDD)模式下，相同载频下时隙数的分配在上行链路中较少，在下行链路中较多；然而，工业互联网中的传感器通常报告更多的数据，接收更少的网络指令。相应的时分双工上行链路和下行链路时隙是更多的上行链路和更少的下行链路如果时分双工上行链路和下行链路时隙的两种不同分配方案共存于同一个运营商基站中，则需要将它们设置在不同的载波频率以避免相互干扰，但这限制了载波频率配置的灵活性和有效性。此外，从管理和安全的角度来看，大型企业要建设5G专用网，频率管理部门需要为企业预留专用频率来建设5G专用网。

综上所述，构建服务协议网络和开发服务协议应用可以说是5G新一轮创新的起点。如果中国率先走上自我封闭的道路，将面临反复试验的风险。还有许多问题值得思考。5G在创新方面还有很长的路要走。

参考文献

[1]中华人民共和国工业和信息化部。明年，中国将大规模建设独立的5G网络[在线。(2019-09-21) [2019-12-23]。http://www.cac.gov.cn/2019-09/21/ C _ 1570598110843638。HTM

[2]中华人民共和国工业和信息化部。5G移动通信网络核心网通用技术要求:YD/T 3615-2019[标准]。北京:人民邮电出版社，2019

[3] ETSI。网络功能虚拟化(NFV)；虚拟网络功能体系结构:NFV通用汽车公司-西南航空公司001v 1 . 1 . 1[通用汽车公司]。适用于移动用户平面[电子商务/醇的分段路由IPv6。(2019-11-04)[2019-12-23]。http://data tracker . IETF . org/doc/draft-IETF-DMM-SRV 6-mobile plane/

[5]33gpp。下一代网络(REL-15):3GPPTR 28.801v 15 . 1 . 0[标准)网络唇管理和编排研究。2018

作者简介

吴何权，中国工程院院士，曾任中国工程院副院长。现任国家信息技术专家咨询委员会副主任、国家标准化专家委员会主任、国家互联网加专家委员会主任、国家物联网专家组主任、国家新一代宽带无线移动通信网络重大科技项目总工程师、中国互联网学会咨询委员会主任、IEEE高级会员。长期从事数字和光纤通信系统的研发，并负责中国下一代互联网示范项目和3G/4G/5G等研发项目的技术管理，以及近十年重要工程科技咨询项目的研究。他获得过全国科学大会奖、国家科技进步二等奖、邮电科技进步一等奖等多项奖项。出版了1部专著

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