关键词:5G；软（ruǎn）件定义网络；网络功（gōng）能虚拟化(NFV)；网络切片；基于服务的（de）架（jià）构；移（yí）动边（biān）缘计算（suàn）(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（de）优先原则，以满足工（gōng）业互联网（wǎng）和智能城市的（de）高可（kě）靠性和低延迟等要求。另一方面，为了适应（yīng）未来业务的不确定（dìng）性，5G不（bú）同于传（chuán）统电信网（wǎng）络的封闭性，它具有服务和网（wǎng）络协议的开（kāi）放性。尽管5G试（shì）图兼具互联网和（hé）电信（xìn）网络（luò）的（de）优势，但它的实现（xiàn）仍然面临许多挑战。本文（wén）讨论了5G网络和服（fú）务提（tí）供的10个主（zhǔ）要问题。SDNNFV；网络（luò）切片（piàn）；小型企业管（guǎn）理局；MEC从2019年（nián）开（kāi）始5G的商（shāng）业应用除了中国，其他已（yǐ）经开（kāi）始（shǐ）5G业务的国家的运（yùn）营商已经开（kāi）始基（jī）于非独立（lì）网络(NSA)，即使用4G核心（xīn）网络，只增加5G基站。5G终端因此可以获得比4G更高的（de）宽（kuān）带能力（lì）中国（guó）决定在2020年通过独立网（wǎng）络直接建（jiàn）立5G核心网络[1]服务协议可以提供国家安（ān）全局没有的高可靠性、低延迟、宽覆盖（gài）范围和大连接性，并（bìng）且（qiě）在增强移动宽（kuān）带（dài）能力方面（miàn）也比国家安（ān）全局更有（yǒu）效。因（yīn）此（cǐ），可以说2020年是5G真正的第一年为了（le）满足多业（yè）务、低延迟和高可靠性的要求，5G核心网与4G相比，采（cǎi）用基于服务的架构（gòu）(SBA)[2]，从而实现了服务开放（fàng）和（hé）切片、网络功能虚拟化(NFV)[3)、边（biān）际计算能力、协议（yì）互联等（děng）特点。从50年前互联网（wǎng）诞（dàn）生至今，传（chuán）输控制协议/互联（lián）网互连（lián）协议(TCP/IP)等互（hù）联网（wǎng）协议都是基于无（wú）连接模式逐包转发的。然而，5G核心网（wǎng）络现在是面向（xiàng）连接的（de）模式，第3层的IP数据包不再（zài）是唯一的转发单元。如上（shàng）所述，网络（luò）系统的（de）转型（xíng）是互联网（wǎng）诞生以来前（qián）所未有的，5G大规模应用（yòng）将面临许多（duō）挑战，以实现预期的性能。

(1)5G将大（dà）规模使用软（ruǎn）件定义网络SDN实现（xiàn）传输和（hé）控制的分离，使用网络操（cāo）作（zuò）系统（tǒng）集中管理网络，基于大（dà）数据（jù）和人工（gōng）智（zhì）能计算每个（gè）流量流的端到端路由，将路由信息（xī）嵌入源节点IPv6扩展报头（tóu）的（de）标签栈，并沿路径传输（shū）到每个节点，实现（xiàn）源路由(SRv6)[4]中（zhōng）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（shì）下（xià）的低延迟转发

尽管我们希望能够通过SDN实时优化（huà）所有流量（liàng）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（lù）由可能冲突，也可能（néng）不收敛（liǎn）解决这个问题有两种方法:一是在（zài）不同区（qū）域建立SDN，但是（shì）跨（kuà）区域（yù）路由组织需要（yào）在SDN之间交换（huàn）服（fú）务流（liú）和网络资源（yuán）数据，增加了实现的复杂性；另一种方法是（shì）以（yǐ）面向连（lián）接的方式仅转发一些业务（wù）流，而其他业务流仍（réng）将以无连（lián）接的方式进行处（chù）理，以降低对SDN处理能力的压力。

(2)5G颠覆了传统的（de）网元结（jié）构通（tōng）过硬件泛化(白盒)和软件定义（yì）的（de）网元功能，NFV可（kě）以根据（jù）流量的需要灵活采用第（dì）1.5层、第2层或第3层转发，从而提（tí）高转发效率，显著降低（dī）时延对于（yú）不同的服务（wù），NFV要求网元（yuán）同时呈现不同的功能，这（zhè）些功能（néng）随服务变化而变化这要求NFV准（zhǔn）确获取全球服务（wù）流和网络（luò）资源数据NFV通（tōng）过虚拟（nǐ）化实现软（ruǎn）硬件解耦，并（bìng）向（xiàng）硬件资（zī）源池和软件微服务重构（gòu）发展。然而，微服（fú）务架构缺乏标（biāo）准，无法实（shí）现开放性（xìng）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（chí）可（kě）能更大。更（gèng）大（dà）的问题是，当（dāng）白盒网元（yuán）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（luò）和服务（wù）的主要特（tè）征网络层[5]根据业务流的带宽、时（shí）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（shǔ）性相对应（yīng）的（de）虚拟专用（yòng）网络通道，支持个性（xìng）化（huà）服务（wù），特别适合（hé）不同（tóng）垂直行业的（de）需（xū）求虽（suī）然（rán）虚拟专用网（wǎng）服务（wù）在电信（xìn）网络中已（yǐ）经存在了很长时间，但是（shì）它过去是通过预约建立的（de），而不（bú）是实时提供（gòng）的，并且它只对少数业务流开放（fàng）。目前，5G网络切片面临着（zhe）虚（xū）拟（nǐ）专用网（wǎng）的（de）大规模、实时（shí）性和端到（dào）端通道组织等特点。把交通流（liú）一个接一个分割开来太（tài）理（lǐ）想化了。例如（rú），30年前的（de）异步传输模（mó）式就是一个（gè）警（jǐng）告。如果（guǒ）网络切片从核心网络扩展到接（jiē）入网络，端到端切片将随着用户的移动而变化，这增加了（le）切（qiē）片管理的（de）复杂性（xìng）。向客（kè）户开放虚拟专用网以按需发现、选择、生成、管理和提（tí）供实时（shí）动态调（diào）整权（quán）限是一项前所未有（yǒu）的挑战（zhàn）。

在（zài）运营商网络之（zhī）间建立虚拟专用（yòng）网连接更加难以想（xiǎng）象，这需（xū）要运营商相互开放网（wǎng）络资源和服务（wù）数据，但（dàn）这基本上（shàng）没（méi）有（yǒu）可操（cāo）作性（xìng）首选方法是只为（wéi）具（jù）有（yǒu）严格要求(如（rú）延迟、丢（diū）包率和可靠（kào）性（xìng）)的流（liú）量流提供网络（luò）切片。与现有4G网络的虚拟专用网相比，上述方法（fǎ）可（kě）以毫（háo）无保留地实时生（shēng）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（nǐ）专用网服务只提（tí）供给高（gāo）端用户，但对普通用（yòng）户不公平，因此有必（bì）要考（kǎo）虑采用以用（yòng）户价值为中心、考虑服务质量的（de）计费模式。

(4)小型企业管理局是5G的一个重（chóng）要创新中小企业管理局建（jiàn）立了（le）一（yī）个商（shāng）业开放平（píng）台，接（jiē）受各种商业智能单元（yuán），可以按需添加，如（rú）手（shǒu）机上的应用程序(APP)。智能单元的组（zǔ）合可（kě）以（yǐ）产生相（xiàng）应的智能，通过业务解（jiě）耦和模块化可以实现网络（luò）业务的灵活调（diào）用，以适应（yīng）5G新格式的不可预测性。小型企业管理（lǐ）局类似（sì）于电话网（wǎng）络中的智能网络。在用户（hù）数量大、网络资源有限的环境下，还会出现智能网（wǎng）中业务智能单元组合可（kě）能发（fā）生冲突的问题。

不同于智能网（wǎng），因为中（zhōng）小企业（yè）通锐是一个开放平台，大大丰富（fù）了商业智能应（yīng）用的来源。然而（ér），与传（chuán）统运营商封闭的服务（wù）能（néng）力相比（bǐ），中小企业管理（lǐ）局的服务平台存在安全风险5G移动通信协议与中小企（qǐ）业管理局合（hé）作，完（wán）全基于互联网，使互联网（wǎng）上的应用可以（yǐ）直接移植到5G，增强服务能力。然而，与（yǔ）过去（qù）在（zài）移动通信中使用的特（tè）殊协（xié）议（yì）相比，5G移动通（tōng）信协议互联网为互联（lián）网上的病毒（dú）和特洛伊木马留下了方便之门。因此，5G在保护（hù）网络安（ān）全和信（xìn）息安全（quán）方面需（xū）要比4G付（fù）出更多的努力（lì）。

(5)移动边缘计算(MEC)与5G一（yī）致MEC部分降低了云计（jì）算能力，包括存（cún）储和内容分发能力（lì），以适应对延迟敏感的服务（wù）的快速处（chù）理。如何在工（gōng）程中合理设置MEC粒度是一（yī）个有待（dài）实践探索的（de）问题。移动终端、机器人和互联（lián）网连接车（chē）辆（liàng）等（děng）应用需要在MECs之间切换，这（zhè）涉及到MECs之间的协调以及MEC和中央云（yún）之间功能的合理分配。它不仅会（huì）在MECs之间（jiān）产生大量开销，在MEC和中心（xīn）云（yún）之间（jiān）产（chǎn）生大量交互（hù），还会引（yǐn）入延（yán）迟MEC特别适（shì）合面向垂直（zhí）行业的应用（yòng），这（zhè）些（xiē）行（háng）业希（xī）望运营商开放其在MEC的能力。因（yīn）此，需要（yào）为MEC配置轻量（liàng）级云技术，如开（kāi）源平台和容器，以支持第三方边缘（yuán）应用此（cǐ）外，开（kāi）放MEC能力对（duì）运（yùn）营商（shāng）网络管理和信息安全的影响（xiǎng）也难以衡量。

(6)5G对（duì）同步设置了严格的要求SDN/NFV都需要获得所有网元（yuán）的流量和网络（luò）资源的大数据，所有网元的数（shù）据都需要同步（bù）和绝对时间对齐。如果（guǒ）每个网（wǎng）元报告的数据时间（jiān）不够准确，就不可能（néng）获得全局（jú）视野。因此，基于不太准确的数据做出网络调度决策可能（néng）会更糟现有的电气和电（diàn）子工程师（shī）协会标准(IEEE 1588)的同步机制也难以保证（zhèng）所（suǒ）需（xū）的精度，并且难以（yǐ）满（mǎn）足（zú）IEEE 1588假设双（shuāng）向信道的（de）传输（shū）延迟在实际应用（yòng）中相同的前提

(7)5G促进作战保障体系转型5G需（xū）要将（jiāng）NFV函数实（shí）时（shí）分配给网（wǎng）络元素（sù），并管理服务切片的组织（zhī）和生命周期。5G运营支撑系统(OSS)需要（yào）基于业务和（hé）网络（luò）资源大（dà）数据的（de）统（tǒng）计和智（zhì）能分析（xī），自动（dòng）生成通信（xìn）设备和（hé）服务的调度方案（àn）。为了实（shí）时响应，不可能采取（qǔ）手动网络管理操作，必须（xū）依靠信（xìn）令控制。整（zhěng）个（gè）网络中的一个操作系统有利于整体（tǐ）控制，但处（chù）理能力（lì）和处理延迟（chí）不能满足（zú）要求。如（rú）果开放源（yuán）码软件是按（àn）地区建立的，每个开放（fàng）源码软件（jiàn）都需要（yào）交换数据，也（yě）需要上级中央开放（fàng）源码软件（jiàn）的（de）合作。

(8)汽车联网是5G全新的应用场（chǎng）景（jǐng）因此（cǐ），5G特别考（kǎo）虑确（què）保无线接入和核心网（wǎng）络低延迟的措（cuò）施。然而，个人（rén）通信与汽车网络有很大（dà）不同（tóng）:前（qián）者平均通过十多个节点（diǎn）；然而，后者可（kě）能只（zhī）有一两跳。NFV、网络切片和SRv6对多跳环境（jìng）中（zhōng）的延迟控（kòng）制有显著影响，但（dàn）在车辆联网场景（jǐng）中没有明显优势。汽车联（lián）网通常是（shì）短数据包，而（ér）传统的（de）TCP/IP协议对短（duǎn）数据包（bāo）的传输效率较低传统的个人通信在接入（rù）部分通常是（shì）点（diǎn）对点的，而车辆联网（wǎng）在车辆对车辆(V2V)的情况下是（shì）点对多点（diǎn）和多点对多点，甚至是广播。

这将增加频率安排的难度（dù），因为很难将设备连接到设备(D2D)，并且需要网（wǎng）络切（qiē）换，即车辆到网络到（dào）车辆(V2N2V)，但是延迟会稍微增加。对于个人通信，中国许多（duō）省份目前共享一个（gè）直接连（lián）接（jiē）点来实现运营（yíng）商之间的（de）通信。然而，汽车联网对时间（jiān）延迟特别敏感。属于（yú）不同（tóng）运营商的汽车之（zhī）间的通信需要在附近直接相（xiàng）互连接，至少不要超出城市界限。换句（jù）话说，有必（bì）要在城市内部专门设立（lì）网络（luò）间直接连接点（diǎn），用于汽车联（lián）网。

(9)大连接是5G应用程（chéng）序（xù）的一个重要特性5G每平方公里可（kě）连接数百万个连接，传输（shū）延（yán）迟小于10秒，丢包（bāo）率（lǜ）小于1%大规模物联（lián）网终端需要群组认证，否则会触（chù）发信令风暴。安全算法和协议也应该考虑（lǜ）轻量级，以避免引入不必要的延迟和（hé）增加物联（lián）网终端的能耗。鉴于物联网终（zhōng）端的（de）种类繁多，5G用户身份管理（lǐ）应适应全球用户身份（fèn）证(USIM)向灵活（huó）多样方（fāng）式（shì）的转变（biàn）。

(10)工业互联网（wǎng）推广5G专用网（wǎng）行业数字化（huà）首先（xiān）要（yào）求企业生产（chǎn）设备网络化为了在生产线上实现机（jī）器人、物（wù）料小车和工件之间的联网，需要无线技术（shù）。然而，现有无线（xiàn）技（jì）术的可（kě）靠性、可扩展性和抗干（gàn）扰（rǎo）能力不符合工业互联（lián）网的（de）要求。5G视工业互联网应用为自己的命运。企（qǐ）业可以使用5G作为企业内部网或广域网的（de）传输手段。5G运营商可以为企业（yè）提供网络切片，但运营商的（de）5G网（wǎng）络主要是为公众（zhòng）用户（hù）设计（jì）的。

考虑到公共通信下行数据流的规模（mó），特别是视频业务，远高于上行数据流的规模，在（zài）时分双（shuāng）工(TDD)模式下，相同载（zǎi）频下时隙数的分配在上行（háng）链路中较少，在（zài）下行链路（lù）中较多；然（rán）而，工业互联（lián）网中的传感器通常（cháng）报告（gào）更多的数据，接收更（gèng）少（shǎo）的网络指令（lìng）。相应（yīng）的时分双工上行链路（lù）和下行链路时（shí）隙是（shì）更多的上行链路和更少的下行（háng）链路如（rú）果时分（fèn）双工上行链路和下（xià）行链路时隙的两种不同（tóng）分（fèn）配方案共存（cún）于同一个（gè）运营（yíng）商基站中，则需要将（jiāng）它们设置在不同的载（zǎi）波频率以避免相互干扰，但这限制了载波频率配置的（de）灵活（huó）性和有（yǒu）效性（xìng）。此外，从管理和安全的（de）角度来看，大（dà）型企（qǐ）业（yè）要建设5G专用网，频率管理部（bù）门需要为企（qǐ）业预（yù）留专用（yòng）频率来建设5G专（zhuān）用网。

综上（shàng）所述，构建服务（wù）协议网络和开发（fā）服务协议应（yīng）用可以说（shuō）是5G新一轮（lún）创新（xīn）的起点。如果中国率先走上（shàng）自我封闭的道路，将面临反（fǎn）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（de）路要走。

参考文（wén）献

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

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

作者简介

吴何权，中国工（gōng）程院院（yuàn）士，曾任中国工程院副院长。现任国家信息（xī）技术专家咨询委员（yuán）会副主任、国家标准化专家委员（yuán）会主任（rèn）、国家（jiā）互联网（wǎng）加专家委员会（huì）主任、国家物联网专（zhuān）家组主（zhǔ）任、国家新一代宽（kuān）带（dài）无线（xiàn）移动通信网络重大（dà）科（kē）技（jì）项目总工程师、中国互（hù）联网学会咨询委员会主（zhǔ）任、IEEE高级会员。长（zhǎng）期从事数字和（hé）光（guāng）纤通信系统的研发，并负责中国下一代（dài）互联网示范项目和3G/4G/5G等研（yán）发项目的技术管理，以及近十年（nián）重要工程科技咨询项目（mù）的研究。他获得过全国科学大（dà）会奖、国（guó）家科技进步（bù）二等奖、邮（yóu）电科技（jì）进步一等奖（jiǎng）等多（duō）项奖（jiǎng）项。出版了1部专著

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