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欧盟:5G面临的挑战及解决方案(集成式5G网络架构)

欧盟在于2016223日发布的5G empowering vertical industries白皮书中分析了5G(第五代移动通信)网络所面临的挑战,并提出了解决方案——集成式5G网络架构。笔者研究后发现,该架构的主要特点在于以相同/统一的物理基础设施来同时提供移动互联网服务及垂直行业物联网服务,而且自下而上细分为基础设施层、网络功能层、多业务控制层、业务功能层、业务服务层。白皮书还详细介绍了每一层的功能,在业内属首次较系统的阐述,具有较大参考价值,下文进行介绍。

 

1、欧盟评估5G需求及所面临的挑战,并由此提出集成式5G网络架构

 

15G面临的挑战

 

欧盟认为,在未来的5G时代,将有几十亿部移动互联网/移动宽带终端及来自各个垂直行业的IoT(终端)接入至Internet,从而将产生巨大的网络流量,给5G网络的处理及信息传输能力带来巨大挑战。

 

5G信息处理面临的挑战

 

在信息处理方面,需要在5G网络中分布式地部署巨量的计算与存储基础设施以对包括温湿度监测、距离测量、能耗测量、大数据分析等在内的所有信息进行处理。而且,NFV(网络功能虚拟化)、SDN(软件定义网络)、MEC(移动边缘云计算)及C-RAN(云无线接入网)等新兴技术对于EPC(分组核心网络)、防火墙、本地高速缓存设备、虚拟基站等的计算性能/能力具有很高的需求。然而,截至目前,上述各项功能均被部署于专用、定制化的硬件设备之中。因此,5G网络就需要具备动态地分配计算与存储资源的能力,以按需、灵活地将上述功能部署于分布式的云基础设施之中。

 

5G信息传输面临的挑战

 

在信息传输方面,5G网络可把所需的端到端控制与数据平面连接内嵌入软件对等实体与设备/终端之间,以期获得所期望的端到端服务性能。

 

挑战来自于同时提供移动互联网服务及垂直行业物联网服务

 

5G应具备能应用于各个垂直行业的大量应用场景(其对于网络安全、延迟/时延、弹性、带宽等有着不同的需求)的网络架构。那么,5G网络如何能同时满足提供移动宽带服务及垂直行业物联网服务的需求?

 

从而,欧盟认为,5G所面临的另一大主要挑战在于:最终建成多个平行的、高度灵活的、端到端的垂直行业专用网络,并在相同的物理网络基础设施上部署多个云基础设施切片。

 

2)解决方案:集成式5G网络架构

 

为此,欧洲移动通信业界提出一种能满足上述所有需求、解决上述挑战性问题的集成式5G网络架构(笔者注:之所以称为集成式,是因为该架构既能提供移动互联网服务,也能同时提供垂直行业物联网服务),其中共分为五层,自上而下分别为基础设施层、网络功能层、多业务控制层、业务功能层、业务服务层。

 

2、集成式5G网络架构的业务服务层

 

业务服务层定义并实施各垂直行业特定价值链的业务流程,从而就使得对于更多类型业务应用(比如某项产品的制造、汽车自动驾驶、能源生产及传输)的支撑成为可能。而且,这些流程一般都组合了各垂直行业特定活动集——其中的诸项活动以与应用相关的服务序列的形式来进行,相关序列由业务服务层之下的业务功能层进行定义(编排/协调功能。后者为前者提供服务)。此外,每项活动均受到与具体应用相关的功能约束(比如截止日期、能耗、精确度、质量需求、安全要求、其他KPIs)。这些约束信息就形成了对于集成式5G网络架构中以下各层的QoS(服务质量)需求。例如,实施钻孔功能的不同资源将可为某项产品制造活动提供钻孔服务。对于给定的物理材料及给定的表面粗糙程度,那些满足相关需求的服务才能入选。

 

3、集成式5G网络架构的业务功能层

 

业务功能层包含一组由功能仓库(Function Repositories)来组织的与应用相关的功能。而且一般地,这些功能是根据特定垂直行业的应用需求来定义的。相关示例包括:传感器与执行器功能、闭环控制、电气传动控制、钻孔、焊接/熔接、HMI(人机界面)、距离测量、能源消耗测量、定位等。此外还可能存在一组与各垂直行业无关的功能,比如数据保存、日志记录等。

 

上述功能一般被定义于一个抽象及与实施无关的层级,而且或可向上层的业务服务层的编排/协调流程开放业务接口。另外,每项功能均定义了其激活、运行及相关结果的规则与策略,还定义了可用于适配业务服务层需求的相关能力。

 

上述功能可在以下三个阶段部署至相关资源:在资源(比如具备固定测距功能的无线传感器)生产期间;在工程实施(比如下载至嵌入式设备)期间;在运行(比如将相关功能灵活部署至智能设备或者云端)期间。而且,相关能力会由于部署情况而受到影响。由于上述功能一般被部署至一组特定的网络资源,其就会对底层通信进行延迟/时延、吞吐量、抖动、可用性、安全性等QoS的定义。

 

4、集成式5G网络架构的多业务控制层

 

多业务控制层的总体目标在于:使能工作于底层统一基础设施之上的多个专用通信网络的建立、运行以及控制。这些专用通信网的配置可满足由各个网络租户所定义的特定能力需求。

 

总体而言,多业务控制层所扮演的角色是以垂直行业为中心(vertical-centric)的业务层与以网络为中心(network-centric)的业务层之间的中介。其中的高效控制框架可实现对于可控资源及功能的虚拟化,并在不同的架构层面开放统一的控制APIs(应用编程接口)。业务中心层(business-centric layers)提供北向APIs。而在南向上,业务中心层则使用由网络中心功能层(networkcentric

function layers)所提供的北向接口。对于某项网络服务的启动,多业务控制层提供业务服务需求及网络服务拓扑与配置之间的映射——其选择适当的业务功能链,然后将其分解成物理网络资源及虚拟网络资源,并就这些功能在现有基础设施之中的部署位置进行决策。从而,专用网络服务就得到了实例化,而且,生命周期管理与运行优化也得到了执行。

 

上述模式下,由于管理域的分散程度急剧增大,租户隔离管理(tenant isolation management)与共享功能控制(shared function control)这两大因素就成为原生多租户支撑(native multi-tenancy support的关键使能。其可保证所需的隔离程度,并可根据预先签订的SLA(服务等级协议)来执行QoS

 

5、集成式5G网络架构的网络功能层

 

网络功能层采取软件网络技术(尤其是SDNNFV)进行所有5G网络功能的抽象——独立于其本质(网络、计算、存储)及物理实体资源(光纤截止、无线介质、卫星、云端等)。基于上述抽象,网络功能层面向移动互联网用户及广大垂直行业集客用户以服务的形式提供相应的网络功能(笔者注:网络功能即服务)。

 

网络功能层的核心元素包括管理与编排/协调机制,用以分配运行各网络功能所需的虚拟资源,并在运行时间内以服务的形式提供给其上层(多业务控制层)。

 

6、集成式5G网络架构的基础设施层

 

基础设施层位于集成式5G网络架构的最底层,是端到端的异构多层网络及分布式的云平台。其组成具体包括:

 

1)触及各个5G网元的一张数据通信网络。其被用于提供端到端的连接服务,可覆盖大规模的异构多层网络接入系统(包括蜂窝网、固定网、卫星、Wi-Fi网、个域网)、光/无线回程/前传、城域分组聚合网络以及大容量光核心传输网。

 

2)大规模的分布式云计算与云存储中心。其中包括核心数据中心(用以实现高性能计算能力,但响应时间较长)、边缘侧数据中心(计算与存储性能较低,但响应快)、网络节点或者移动通信基站(具备云端能力,以提供超低延迟/时延性能)。

 

3)几十亿部异构智能设备与终端。其可提供的服务类型包括:移动宽带(面向智能手机,平板电脑等)、移动物联网(包括传感器,执行器等)、自动化的物联网服务(包括机器人,自动驾驶汽车,无人机等)。

 

该白皮书还指出,将来的5G基础设施可能属于不同的基础设施提供商(包括移动通信基础网络运营商、云服务提供商、传输网络运营商等),他们之间有着相互关联的复杂的业务关系。此外,5G基础设施也将可能集成/整合专有信息与ICT设施,而且这种集成既可能发生于物理层面,也可能发生于虚拟层面。

 

6、集成式5G网络架构的相关应用举例:未来的工厂(FACTORY OF THE FUTURE

 

以金属工件的生产为例。ERP(企业资源规划部)在收到客户的订单后,就进行产品交付日期、出货细节等需求的处理。MOM(制造运行管理部)将所有的客户订单融合成生产订单,包括交期、材料分配(比如特定合金)、质量需求等。生产流程本身就代表着一个服务序列,比如:从库存中选择原材料、运输、机器加工、质量测试等。处理服务可能再次成为其他业务服务的一个序列(比如切割、研磨、钻孔服务等)。其中的每项服务都有着相关的需求定义,比如加工速度、材料粗超程度等。上述业务服务的处理是基于相关的业务功能的。钻孔功能会分配包括直径、材料、质量、吞吐等在内的一组运行数据。一个专用的钻孔机的性能是由最大直径、最大钻速、粗超程度等决定的。这些能力都是需要在把相关服务部署至集成式5G网络架构的专用资源而进行编排/协调时需要考虑的。业务功能钻孔本身就涵括多个流程:安装、定位、以一定的速度钻孔、打孔装埋、在线质检。

 

上述各项功能被部署或实施于集成式5G网络架构中的相关网络资源(传感器、执行器、控制器),其对于网络通信服务的需求是变化的——取决于相应的具体功能。例如,对钻头定位的控制需要在毫秒级别的时间内完成数据传输。改变设定点(用于定位)的请求可能需要在分钟或秒钟级别内得到响应。质量数据日志会产生大量数据传送的需求。而同时,网络需要对控制闭环保证周期、低延迟/时延、低抖动。

 

由于不再需要单独建设一张张专用的定制化网络,单一的集成式5G网络即可提供所有的通信服务,将有望具备满足所有通信关系的特定需求的能力,从而就需要进行网络切片及具备灵活的网络运营能力。

 

 

参考文献

 

[1] EU. 5G empowering vertical industries.

https://5g-ppp.eu/wp-content/uploads/2016/02/BROCHURE_5PPP_BAT2_PL.pdf, 2016-02-23.

 


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