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

8摘要（yào）:5G采用面向服务（wù）的架构概念，取代互联网中（zhōng）网络效率的优先原则，以满（mǎn）足工业互联（lián）网（wǎng）和（hé）智能城市的高可靠性和低延迟等要求。另一（yī）方面（miàn），为了适应未来业务的不确定性，5G不同于传统（tǒng）电信网（wǎng）络的封闭性，它具有服务和网络协议的开放性。尽（jìn）管5G试（shì）图兼具互联网（wǎng）和（hé）电信网络（luò）的优（yōu）势，但它的实现仍（réng）然（rán）面（miàn）临许多挑战。本文讨论了5G网络和（hé）服务提供（gòng）的10个主要问题。SDNNFV；网络切片；小型企业管理局（jú）；MEC从2019年开始5G的（de）商业应用除了（le）中国（guó），其他已经开始（shǐ）5G业务的国家的运营商已经开始基于非独（dú）立网络(NSA)，即使用4G核心网（wǎng）络，只增加5G基站。5G终端因此可以获得比4G更高（gāo）的（de）宽带能力（lì）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（quán）局没有的高可靠性、低（dī）延（yán）迟、宽覆盖范围和大连接性，并（bìng）且在增强移动宽（kuān）带能（néng）力方面也（yě）比国家安全局（jú）更有效。因此，可（kě）以（yǐ）说2020年是5G真正的第（dì）一年为了满足多业务、低延（yán）迟和高可靠（kào）性的要求，5G核心网与（yǔ）4G相比，采用基（jī）于服（fú）务的架构（gòu）(SBA)[2]，从（cóng）而实现了服（fú）务开放（fàng）和切片、网络功（gōng）能（néng）虚拟化(NFV)[3)、边际计算能力、协议互（hù）联等特（tè）点。从50年（nián）前互联网诞生（shēng）至今（jīn），传输控制协议/互联网互（hù）连（lián）协议（yì）(TCP/IP)等（děng）互联网协议都（dōu）是基于无连（lián）接模式逐（zhú）包转发的。然而，5G核心网络现在是面向连（lián）接（jiē）的模（mó）式（shì），第3层（céng）的IP数据包不再是唯一的转（zhuǎn）发单元。如上所（suǒ）述，网络系统的转型是互（hù）联（lián）网诞生以（yǐ）来前所未有的（de），5G大规模应用将面临许（xǔ）多挑战，以实现（xiàn）预期（qī）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（de）分（fèn）离，使用网络（luò）操作系统（tǒng）集中管理网络，基于大数据和人工智能计算每个（gè）流量（liàng）流的端（duān）到（dào）端路由（yóu），将路由（yóu）信息嵌入源节点IPv6扩展（zhǎn）报（bào）头的标签栈，并（bìng）沿路径传输到每（měi）个节点，实（shí）现源路由(SRv6)[4]中间（jiān）节点只需（xū）转发而（ér）无需路由，这减（jiǎn）少（shǎo）或节省了排队时（shí）间，并确保了面（miàn）向连接模式（shì）下（xià）的低延迟转发（fā）

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（mó）网络中（zhōng）低延迟响（xiǎng）应的多（duō）目标优（yōu）化是一（yī）个难题——路由可能冲突，也可能不收敛解决这个问题（tí）有两（liǎng）种（zhǒng）方法（fǎ）:一是在不（bú）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（liú）和网络资源数据，增加了实现的复杂性；另一（yī）种方法是以面向连接的方（fāng）式（shì）仅转发一些（xiē）业务流（liú），而其他业务流（liú）仍将以（yǐ）无连（lián）接的方（fāng）式（shì）进行处理，以降低对SDN处理能力的压（yā）力。

(2)5G颠覆（fù）了传统的网元结构通过硬件泛化(白盒（hé）)和软（ruǎn）件定义的网（wǎng）元功能，NFV可以根据流（liú）量（liàng）的需（xū）要灵活采用第1.5层、第2层或第3层转发，从（cóng）而提高转发效率，显著（zhe）降低时延对于不同的服（fú）务（wù），NFV要（yào）求网元同时呈现不（bú）同的功（gōng）能（néng），这些（xiē）功（gōng）能随服（fú）务变化而（ér）变化这要求NFV准确获取全球服务流（liú）和网络资源（yuán）数据（jù）NFV通过虚拟化（huà）实（shí）现软硬件解耦，并（bìng）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（wú）法实现开放性和（hé）互操作性（xìng）的初衷。此外，SDN和NFV同（tóng）时运（yùn）行很难避免网络资源的冲突。此外，与（yǔ）特殊设备相比，白盒转发延（yán）迟可能更大。更大的问题是，当白（bái）盒网元（yuán）与（yǔ）原网元（yuán）共存（cún）于一个网络中时，NFV效应将难（nán）以体现。

(3)网络切片是5G网络和（hé）服务（wù）的主要特征网络层（céng）[5]根据业务流的带宽、时延、可靠（kào）性等要求，在（zài）集（jí）中式网络运维系统的管理（lǐ）下组织网络资源，提（tí）供与每个业务流的业务属（shǔ）性相对（duì）应的虚（xū）拟专用网络通道（dào），支持个（gè）性（xìng）化（huà）服务，特别适合不（bú）同垂直（zhí）行业的需求（qiú）虽然虚拟专用网服务（wù）在电信网（wǎng）络中已经存在了很长时（shí）间，但（dàn）是它过去是通（tōng）过预约建立的，而不是实时提供的，并（bìng）且它只对少数业务流开放。目前，5G网络切片面（miàn）临着虚拟专用网的大规模、实时性和端（duān）到端（duān）通道组（zǔ）织等特点。把交通（tōng）流（liú）一个接一个分割开来（lái）太理想化了。例如，30年前的异步（bù）传输模式就是一个警告（gào）。如果网络切（qiē）片从核心网络扩展（zhǎn）到接入网络，端到端切片将随着用户的移动而变（biàn）化，这增加了切片管理的（de）复杂（zá）性。向客户开放虚拟专用（yòng）网以按需发（fā）现、选择、生成、管理和提（tí）供实时动态调整权限是一项前所未有的（de）挑战。

在运营商网络之间（jiān）建立虚拟专用网连接更加（jiā）难以想象，这需要（yào）运营商相互（hù）开放网络（luò）资（zī）源和服务数据，但这（zhè）基本上（shàng）没有可操作（zuò）性首选方法是只为具有严格要求(如延迟、丢（diū）包率和（hé）可靠性)的流量流（liú）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（háo）无保留（liú）地实时（shí）生成虚拟专用网。此外，在流量计（jì）费模（mó）式下，能够保证服（fú）务质量(QoS)的虚拟专（zhuān）用网服务只提供（gòng）给高端用户，但对普通用户（hù）不公平（píng），因（yīn）此有必要考虑（lǜ）采用以用户（hù）价值为（wéi）中心、考虑（lǜ）服务（wù）质量（liàng）的计费模式（shì）。

(4)小（xiǎo）型企业管理局是5G的一个重要创（chuàng）新中（zhōng）小企业管理（lǐ）局建立（lì）了（le）一（yī）个商业开放平台，接（jiē）受各种商业智能单（dān）元，可以按需添加（jiā），如（rú）手机上的应（yīng）用程（chéng）序(APP)。智能单（dān）元的组合可以产生相应的智能，通过业务解（jiě）耦（ǒu）和模（mó）块化可以实现网络（luò）业务的灵活调用，以适应（yīng）5G新格（gé）式的不可预测性（xìng）。小型企（qǐ）业管理（lǐ）局类（lèi）似于电话（huà）网络（luò）中（zhōng）的智能网络。在用户数量大（dà）、网络资源有限的环境下，还会出（chū）现（xiàn）智（zhì）能网中业务（wù）智能单元组（zǔ）合可（kě）能发生（shēng）冲突的问题。

不同于（yú）智（zhì）能网，因为中小企业通锐是一个（gè）开放平台，大大丰（fēng）富了商业智能应用的来源（yuán）。然而，与传统运营商（shāng）封闭的服务能力相（xiàng）比，中（zhōng）小企业（yè）管理局的服务平台（tái）存在安全风（fēng）险5G移动通（tōng）信协议（yì）与中（zhōng）小企业管理局（jú）合作，完全基（jī）于（yú）互（hù）联网（wǎng），使互（hù）联网上的应用可以直接（jiē）移植（zhí）到（dào）5G，增强服务能力（lì）。然而，与过去在移动通信中使用（yòng）的特殊协议相比（bǐ），5G移（yí）动通（tōng）信协议互联网（wǎng）为互（hù）联网上的病毒和特洛伊木马留下了方（fāng）便之门。因此，5G在保护网络安全和信息安全方面需要（yào）比4G付出更多的努力。

(5)移动边（biān）缘计（jì）算(MEC)与5G一致MEC部分降低了云计算（suàn）能力，包括存储和（hé）内容分发能力，以适应对延迟（chí）敏感的（de）服务（wù）的快速处理（lǐ）。如何在工程中合理设置（zhì）MEC粒度是一个有待实（shí）践（jiàn）探索的问题。移（yí）动终（zhōng）端、机器人和互联网连接车辆（liàng）等（děng）应用（yòng）需要在MECs之间切换（huàn），这涉及到MECs之间（jiān）的协调以及MEC和中央云之间功能的合（hé）理分（fèn）配。它不仅会（huì）在MECs之（zhī）间产（chǎn）生（shēng）大量开销，在MEC和（hé）中（zhōng）心云之间产生大量交互，还会引入延迟MEC特别适合面（miàn）向垂直行业的（de）应用（yòng），这些行业希望运营（yíng）商开放其在（zài）MEC的能力。因此，需要为（wéi）MEC配置轻量（liàng）级（jí）云（yún）技术，如开（kāi）源平台和容器，以支持第三方边（biān）缘（yuán）应用（yòng）此外（wài），开放MEC能力对（duì）运营商网（wǎng）络管理（lǐ）和（hé）信（xìn）息安全的影响也（yě）难以（yǐ）衡量。

(6)5G对同步（bù）设置了严格的要求SDN/NFV都需要（yào）获得所有网元（yuán）的流量和网络资源的大数（shù）据，所有网元的（de）数据（jù）都需要同（tóng）步和绝对时间对齐。如果每（měi）个网元报告的（de）数（shù）据时间不够（gòu）准确，就不可能（néng）获得全局视野（yě）。因此，基（jī）于（yú）不太准确的数据（jù）做出网络调度决（jué）策可能会更（gèng）糟现有的（de）电气和电子工（gōng）程师（shī）协会（huì）标准(IEEE 1588)的同步机制也难以保证所需（xū）的（de）精度（dù），并且难以满足IEEE 1588假设双向信（xìn）道的传输延迟在实（shí）际应用中相（xiàng）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（wù）切片的（de）组织（zhī）和生命周（zhōu）期（qī）。5G运（yùn）营支撑系统（tǒng）(OSS)需要基于业务和网络资源大（dà）数（shù）据的统计和智能分（fèn）析，自动（dòng）生成通信设备（bèi）和服（fú）务（wù）的调度方（fāng）案。为了实时（shí）响应（yīng），不可（kě）能采取手动网（wǎng）络管理操作，必（bì）须依（yī）靠信令（lìng）控制。整个网络中的（de）一个操作（zuò）系统（tǒng）有利于整体控制，但处理能力和处理（lǐ）延（yán）迟不能满（mǎn）足要求。如果开放源（yuán）码软件是按地区（qū）建立的，每个开放源码（mǎ）软件都需要交（jiāo）换数据，也需要上级中央开放源（yuán）码软件的合（hé）作。

(8)汽车联网是5G全新（xīn）的应用场景因此，5G特（tè）别考虑（lǜ）确保无（wú）线接（jiē）入和核心（xīn）网络低延迟（chí）的措施（shī）。然而，个人（rén）通信与汽（qì）车网（wǎng）络（luò）有很大不同:前者平均通过（guò）十多个节点；然而，后者可能只有一两跳。NFV、网络（luò）切片和（hé）SRv6对（duì）多（duō）跳环境（jìng）中的延迟控制（zhì）有显（xiǎn）著影响，但在车辆联网场（chǎng）景中没（méi）有（yǒu）明显优势。汽车（chē）联网通常是短数据包，而（ér）传统的TCP/IP协议对（duì）短（duǎn）数据（jù）包的传输效率（lǜ）较低传（chuán）统的个（gè）人通信在接入部分通常是点对点的（de），而（ér）车辆联网在（zài）车（chē）辆对（duì）车辆（liàng）(V2V)的（de）情况下是点（diǎn）对多点（diǎn）和多点对多点，甚至是（shì）广播（bō）。

这将（jiāng）增（zēng）加（jiā）频率安排的（de）难（nán）度，因为很难（nán）将设（shè）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（shì）延迟会（huì）稍（shāo）微（wēi）增加。对（duì）于个人通信，中（zhōng）国许多省份目前共享一个直接连接点来实现运（yùn）营商之间（jiān）的通信。然而（ér），汽车联网（wǎng）对时间延迟特别敏（mǐn）感（gǎn）。属（shǔ）于不同运（yùn）营商的汽（qì）车（chē）之间的（de）通信需要在（zài）附（fù）近直接相互连接（jiē），至（zhì）少不（bú）要超出城市界限（xiàn）。换句话说，有必要在城市内（nèi）部专门设立网络间直接连接（jiē）点，用于汽（qì）车联网（wǎng）。

(9)大连接是5G应用程（chéng）序的一个（gè）重要特性5G每平方公里（lǐ）可连接数百万（wàn）个连（lián）接，传输延迟（chí）小（xiǎo）于10秒，丢包率小于1%大（dà）规模物联网终（zhōng）端需要群组认（rèn）证，否则会触发信令风暴（bào）。安全算法（fǎ）和协（xié）议也应该考虑（lǜ）轻量级，以避免引入不必（bì）要的延迟和增加物（wù）联网终（zhōng）端（duān）的能耗。鉴于物联网终（zhōng）端的种类繁（fán）多，5G用户身份管理（lǐ）应适应全球（qiú）用户身份（fèn）证(USIM)向（xiàng）灵活多样方式的转变。

(10)工业互联网推广5G专用（yòng）网行（háng）业数字化首（shǒu）先要求（qiú）企业生产设备网（wǎng）络（luò）化为了（le）在生（shēng）产线（xiàn）上（shàng）实现机器人、物料（liào）小车和工件之（zhī）间的联（lián）网，需要（yào）无线（xiàn）技术（shù）。然而，现有无线技术的可靠性、可扩展性和抗（kàng）干扰能力不符合工业互联网的要求。5G视工业（yè）互联网应用为自己的命运。企业（yè）可（kě）以使（shǐ）用5G作（zuò）为企业（yè）内部网或广域网的传输手（shǒu）段。5G运营商（shāng）可以为企业（yè）提供网络切片（piàn），但运（yùn）营商的5G网络（luò）主要是为（wéi）公众用户设计的。

考虑到公共通（tōng）信下行数据流的规模，特别（bié）是视频业务，远高于（yú）上行数据流的规模，在时（shí）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（jiào）少，在下行链路中较多；然（rán）而，工业互（hù）联网中的传（chuán）感器通常报告更多的数据，接收更少的网络指（zhǐ）令。相应（yīng）的时分双工上行链路和（hé）下行链路时隙是更（gèng）多（duō）的上行（háng）链（liàn）路和更少的下行链路如果时分（fèn）双（shuāng）工上行链路（lù）和下行链路时隙的两种不同（tóng）分（fèn）配方案共存于同一个运营商基站（zhàn）中，则需要将它们设置在不同的载波（bō）频率以避（bì）免相互干扰，但这限制了载波（bō）频率配置的灵活性（xìng）和（hé）有（yǒu）效性。此外，从管（guǎn）理和（hé）安全的（de）角度来看，大型企业（yè）要（yào）建（jiàn）设（shè）5G专用网，频率管理部门需要为企业预留专用频（pín）率来建设5G专用网。

综上所述，构建服（fú）务协议网络和开发服务协议应用可以说是5G新一（yī）轮创新的起点。如果中（zhōng）国率先走上（shàng）自我封闭（bì）的道路，将面临反复试验的（de）风（fēng）险。还有许多（duō）问题值得思考。5G在创新方面（miàn）还有很长的路要走。

参考文献（xiàn）

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作（zuò）者简介（jiè）

吴何权，中国工程院（yuàn）院士（shì），曾任中国工程院副院（yuàn）长。现任国家（jiā）信息技术专家咨询委员会副（fù）主任、国家标准化专家委员会主任、国家（jiā）互（hù）联网加专家委员会主任、国家物联网专（zhuān）家组主任（rèn）、国家新一（yī）代宽带无线移（yí）动通（tōng）信网络重大科技项目总（zǒng）工程师（shī）、中国（guó）互联网学会咨询（xún）委员会主任、IEEE高（gāo）级会员。长期从事数字（zì）和光纤（xiān）通信（xìn）系统的研发，并负责中国下（xià）一（yī）代互联网示（shì）范项目和3G/4G/5G等研（yán）发项目（mù）的技术管理，以及（jí）近十（shí）年重要工程科技咨询项目（mù）的研究。他获（huò）得（dé）过（guò）全国科学大（dà）会奖、国家科技（jì）进（jìn）步二（èr）等奖（jiǎng）、邮电（diàn）科技进步（bù）一等奖等多项奖项（xiàng）。出版了1部专著

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