面向6G 的微服務化無線網(wǎng)架構研究

宗佳穎，劉洋，劉海濤，楊峰義

(中國電信研究院5G 研發(fā)中心，北京 102209)

0 引言

為實現(xiàn)網(wǎng)絡功能靈活快速部署和維護，適應不同場景的多種業(yè)務需求，5G 核心網(wǎng)已經(jīng)引入服務化架構(Service Based Architecture，SBA)，網(wǎng)絡功能(Network Function，NF)間采用輕量級服務化接口(Service Based Interface，SBI)，利用SBA 模塊化、無狀態(tài)、獨立化、扁平化、自主化的優(yōu)勢，推動網(wǎng)絡走向開放化、虛擬化[1]、軟件化和服務化。但目前無線接入網(wǎng)(Radio Access Network，RAN)依舊采用傳統(tǒng)的點對點結構，針對未來沉浸式云XR、全息通信、感官互聯(lián)、數(shù)字孿生、元宇宙等新型應用[2]，無法很好地支持6G 無線網(wǎng)絡的業(yè)務需求和技術演進。6G RAN 的微服務化技術研究是實現(xiàn)網(wǎng)絡高效彈性、內(nèi)生設計、開放生態(tài)的重要一環(huán)，受到學術界和產(chǎn)業(yè)界越來越多的重視。由奧盧大學科學基金會領導的6G Flagship 指出未來網(wǎng)絡向真正端到端基于服務的架構演進趨勢，后續(xù)可能會為RAN 開發(fā)類似于5G 核心網(wǎng)的SBA 框架[3]。歐盟5G 基礎設施協(xié)會認為借助6G，SBA 有望實現(xiàn)全網(wǎng)全平面、端到端的擴展，包括核心網(wǎng)、RAN和終端，提供更大的部署和操作靈活性，支持網(wǎng)絡的網(wǎng)絡和系統(tǒng)的系統(tǒng)概念，以便于子系統(tǒng)集成和可擴展性[4]。中國IMT-2030(6G)推進組則將基于服務化的體系結構、云原生實現(xiàn)的網(wǎng)絡虛擬化、微服務架構等作為可編程網(wǎng)絡的重要使能因素，構成面向6G 的控制面可編程和用戶面各網(wǎng)元端到端可編程網(wǎng)絡架構，增強敏捷性和靈活性，為消費者提供創(chuàng)新的通信服務[5]。因此，有必要深入研究面向6G 的微服務化RAN 架構及關鍵技術，綜合來看其必要性如下：

第一，移動通信網(wǎng)元軟件架構無法支持未來網(wǎng)絡異構化及服務多樣化。未來無線網(wǎng)絡需融合多種異構網(wǎng)絡，且公網(wǎng)、專網(wǎng)以及面向垂直行業(yè)的定制化網(wǎng)絡業(yè)務需求多樣化。但電信網(wǎng)元自身的軟件架構變革程度不高，未能充分利用緩存、消息隊列，數(shù)據(jù)庫、編排自動化等云中間件能力無法支持靈活快速部署、彈性伸縮和高效管理，限制了無線網(wǎng)絡提供差異化、高性能業(yè)務的能力。

第二，無線網(wǎng)絡內(nèi)生設計需求。無線網(wǎng)絡具有強大連接能力、控制面/用戶面網(wǎng)元功能、分布式計算架構等方面的特殊性，且未來對云原生、智能化、安全、編排管理等具備內(nèi)生設計需求。因此，接入網(wǎng)需要從煙囪式的協(xié)議棧架構轉為基于服務的架構，促進云網(wǎng)在部署、架構和服務上的深度融合，賦予6G 通信網(wǎng)絡在傳統(tǒng)通信連接之外的計算、感知、智能、安全等內(nèi)生能力。

第三，構建無線網(wǎng)絡開放生態(tài)的需求。無線網(wǎng)絡開放是未來發(fā)展的重要方向，目前5G To B 類應用還在初步探索，基于5G 的平臺(即服務能力)尚未完全服務各行各業(yè)數(shù)字化轉型升級[6]。因此，下一代無線網(wǎng)絡需做出變革，來滿足服務提供商、應用程序開發(fā)商、終端用戶(包括消費者和垂直用戶)對模塊化架構、開放系統(tǒng)和解決方案的需求。

從目前研究進展來看[7-9]，微服務化特別是無線接入網(wǎng)的微服務化將是未來有顯著應用價值的技術之一，但目前對于微服務化RAN 的研究還處于初步探索階段，對微服務化RAN 架構及技術方向尚未達成統(tǒng)一共識。本文首先介紹5G 服務化網(wǎng)絡，包括架構、網(wǎng)絡功能和服務化框架以及服務化接口，并指出短期可能的演進方向；進一步地提出面向6G 的微服務化RAN 參考邏輯架構和未來可能的技術演進方向。

1 5G 服務化網(wǎng)絡架構

在5G 系統(tǒng)定義階段，結合4G 網(wǎng)絡架構和業(yè)務發(fā)展，借鑒成熟的面向服務架構、微服務、云原生等技術理念，5G 核心網(wǎng)(5G Core，5GC)采用服務化架構重構了4G 核心網(wǎng)功能，從固定功能和連接轉向基于軟件和云的開放平臺。其通過靈活性、虛擬化和可編程等特性，希望能夠更好地支持各行各業(yè)多種服務。

1.1 5G 核心網(wǎng)服務化架構

圖1為3GPP 定義的5G 核心網(wǎng)服務化架構[10]。5GC將控制面和用戶面分離，用戶面功能(User plane function，UPF)負責連接外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，包括路由和轉發(fā)、用戶面服務質(zhì)量處理等。控制面采用SBA 提供一組互聯(lián)網(wǎng)絡功能實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡控制平面和公共數(shù)據(jù)存儲能力，互聯(lián)網(wǎng)絡功能包括接入和移動管理功能(Access and Mobility Management Function，AMF)、會話管理功能(Session Management Function，SMF)、網(wǎng)絡開放功能(Network Exposure Function，NEF)、網(wǎng)絡存儲功能(Network Repository Function，NRF)、策略控制功能(Policy Control Function，PCF)、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理(Unified Data Management，UDM)等。網(wǎng)絡功能間通過兩種方式交互：(1)服務化方式，即服務化接口，如Namf、Nsmf、Nnef、Nnrf 等；(2)參考點方式，即專用接口，例如AMF和SMF 可通過點對點的參考點接口N11 進行交互。

圖1 5G 核心網(wǎng)服務化架構

無線接入網(wǎng)通過點對點N2 接口與5GC 控制面網(wǎng)元AMF 交互，通過點對點N3 接口與5GC 用戶面網(wǎng)元UPF交互。

1.1.1 網(wǎng)絡功能和服務化框架

在服務化架構5GC 中，主要網(wǎng)絡功能描述如下。

AMF：負責網(wǎng)絡與設備之間的認證、連接、移動性、可達性管理。它接收來自終端的連接和會話相關信息等。

SMF：處理會話管理(建立、修改、釋放以及UPF 與AN 間隧道維護)、IP 地址分配和策略執(zhí)行控制等。

PCF：支持統(tǒng)一策略框架管理網(wǎng)絡行為，為控制面功能提供策略，訪問統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲庫(Unified Data Repository，UDR)中與策略決策相關的訂閱信息。

NEF：向第三方、應用功能、邊緣計算等安全開放NF功能和事件。

NRF：支持服務發(fā)現(xiàn)功能，維護可用的NF 實例及其支持服務的NF 配置文件等。

UDM：用戶識別處理、UE 服務的NF 注冊管理等，如為終端存儲服務AMF，為終端協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit，PDU)會話存儲服務SMF。

NF 服務是由NF(NF 服務生產(chǎn)者)通過基于服務的接口向其他授權NF(NF 服務消費者)開放的一種功能。NF包括多個NF 服務，通過服務化框架進行服務注冊/注銷、消費者鑒權、服務發(fā)現(xiàn)和服務間通信等。NF 服務可以直接在服務消費者和服務生產(chǎn)者之間進行通信，也可以通過服務通信代理(Service Communication Proxy，SCP)進行間接通信。

無論是直接通信還是間接通信，消費者和生產(chǎn)者之間的端到端交互遵循兩種機制。

(1)請求-響應機制：兩個網(wǎng)絡功能(消費者和生產(chǎn)者)之間的通信是一對一的，生產(chǎn)者應該在一定的時間范圍內(nèi)完成消費者請求的一次性響應。

(2)訂閱-通知機制：控制平面可以有多個服務消費者訂閱服務生產(chǎn)者提供的NF 服務。服務生產(chǎn)者將NF服務的結果通知已訂閱的服務消費者。訂閱請求應包括通知端點，即通知目標地址和服務消費者的通知關聯(lián)ID(如通知URL)。

NF 服務的管理和發(fā)現(xiàn)主要通過NRF 進行。NRF 中存儲各個NF 信息和NF 服務信息，其主要由兩個NF 服務組成：Nnrf_Discovery，用于向各個NF 提供服務發(fā)現(xiàn)功能；Nnrf_NFManagement，對各個NF 服務進行管理，包括服務注冊、更新、注銷、訂閱，保障NF 動態(tài)上線和下線。

1.1.2 服務化接口

圖2 給出了服務化接口協(xié)議棧在3GPP 中的定義[11]。服務化接口使用HTTP/2、TCP 等通用化協(xié)議，以JavaScript對象表示法(JavaScript Object Notation，JSON)作為序列化協(xié)議。3GPP 規(guī)定所有NF 都應支持TLS 以實現(xiàn)傳輸層安全[12]。SBI 接口摒棄了核心網(wǎng)之前使用的Diameter、GTP等協(xié)議，創(chuàng)新性應用HTTP/2、JSON 等互聯(lián)網(wǎng)技術，使得網(wǎng)元接口開發(fā)、維護、管理更加高效靈活[13]。

圖2 SBI 協(xié)議棧

1.2 5G 服務化網(wǎng)絡演進方向

5G 網(wǎng)絡只在核心網(wǎng)控制面引入服務化架構，其服務化架構目前并未向用戶面以及無線接入網(wǎng)擴展?；?G 網(wǎng)絡若考慮針對服務化架構的持續(xù)演進方向，并結合具體需求，可聚焦控制面接口的服務化，包括F1-C 接口(基站集中單元與分布單元控制面間接口)和N2 接口(基站集中單元與AMF 間接口)。如圖3 所示，將點對點的專用接口替換為通用的服務化接口，可靈活快速部署，實現(xiàn)彈性擴縮容。并基于無狀態(tài)化等特點，可進一步在網(wǎng)元故障時考慮如何快速恢復，保證用戶數(shù)據(jù)不中斷。

圖3 控制面接口服務化

2 6G 微服務化RAN 架構及關鍵技術

云原生、人工智能技術的發(fā)展推動云網(wǎng)融合、網(wǎng)絡智能化進程，促進6G 無線網(wǎng)絡基礎設施全面云化，將云的思維、架構、技術、特性融合到無線網(wǎng)絡體系架構中，實現(xiàn)彈性伸縮、敏捷運維和智能開放，滿足電信業(yè)務多樣性需求。而微服務化RAN 是實現(xiàn)這一愿景的關鍵環(huán)節(jié)，促進RAN 架構變革，支持云和人工智能(Artificial Intelligence，AI)等技術的融合演進。

2.1 面向6G 的微服務化RAN 架構

本文提出了一種6G 微服務化RAN 邏輯參考架構，如圖4 所示。最底層為終端接入層，包括多種類型的接入終端，如手機、傳感器、智能機器人、無人駕駛車輛、無人機、高鐵等。終端接入層之上為基礎資源層，包括計算、存儲、交換設備、驅(qū)動、操作系統(tǒng)以及RAN 側需要的加速器和時鐘資源。

圖4 面向6G 的微服務化RAN 架構

服務化RAN 在基礎資源層之上，包括服務化平臺、云中間件、多個網(wǎng)絡功能、管理編排模塊等。服務化平臺與云中間件(如緩存、消息、數(shù)據(jù)庫等)為RAN 側網(wǎng)絡功能服務提供基礎，管理編排則負責網(wǎng)絡功能管理及資源調(diào)度等。應用服務層包括多種應用，例如無線網(wǎng)絡能力開放、無線網(wǎng)絡定制化、無線網(wǎng)絡彈性擴縮容、內(nèi)生無線AI 等，應用可通過通用的應用程序接口(Application Programming Interface，API)快速調(diào)用RAN 側網(wǎng)絡功能或向RAN 側下發(fā)策略。核心網(wǎng)依舊沿用服務化架構，通過SBI 與服務化RAN 進行信令數(shù)據(jù)交互。

2.2 面向6G 的微服務化RAN 關鍵技術

結合當前應用需求及未來技術演進方向，本文列出了6G 微服務化RAN 可能的關鍵技術。

(1)在基于云原生的6G 微服務化RAN 整體架構方面的技術，包括：

①面向6G 的微服務化RAN 網(wǎng)絡架構設計、網(wǎng)絡功能重構及模塊化設計、內(nèi)部交互接口設計。需要考慮整體架構對目前協(xié)議棧有多大影響，對控制面/用戶面、物理層/高層如何進行服務化，內(nèi)部服務化接口是否沿用現(xiàn)有3GPP 定義的協(xié)議棧。

②微服務化RAN 網(wǎng)絡功能服務調(diào)用機制及流程設計研究，包括服務注冊、發(fā)現(xiàn)、鑒權等。在5GC 中，由NRF 提供服務發(fā)現(xiàn)、服務管理功能，需考慮RAN 側如何實現(xiàn)以及對目前信令交互流程有多大影響。

③微服務化RAN 網(wǎng)絡功能的靈活按需部署、彈性擴縮容機制設計和關鍵技術研究。例如，微服務化RAN天線模塊可靈活部署大規(guī)模多輸入多輸出等，并對基礎資源進行相應調(diào)整。

(2)在6G 端到端的微服務化無線網(wǎng)絡技術方面，包括：

①服務化RAN 與外部(核心網(wǎng)、基站)接口服務化架構設計、服務發(fā)現(xiàn)、注冊、調(diào)用機制研究。

②服務化RAN 基站內(nèi)部(E1、F1)接口服務化架構設計、服務發(fā)現(xiàn)、注冊、調(diào)用機制研究。

③端到端的服務化無線網(wǎng)絡框架融合設計及編排管理研究。需要考慮微服務化RAN 與服務化核心網(wǎng)如何統(tǒng)一框架。

(3)在面向6G 的云網(wǎng)服務融合應用技術方面，包括：

①基于微服務化的無線接入網(wǎng)絡能力開放架構和API 接口定義、鑒權和交互機制研究。例如針對網(wǎng)絡節(jié)能、定位等應用，開放無線網(wǎng)絡能力，并結合AI/機器學習（Machine Learning,ML）實現(xiàn)智能管理。

②面向特定業(yè)務的微服務化無線網(wǎng)絡定制化研究。依托微服務化RAN 定制面向特定行業(yè)、場景、業(yè)務的服務化無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡智能可編程。

3 結論

微服務化RAN 是滿足未來各種應用業(yè)務性能，實現(xiàn)云原生、智慧、智能、安全等內(nèi)生需求，構建開放無線網(wǎng)絡生態(tài)的重要技術之一。依托6G 研究浪潮，微服務化RAN 已日益受到學術界和產(chǎn)業(yè)界重視，但目前并未有統(tǒng)一的6G 微服務化RAN 架構及明確的技術研究方向。本文首先指出微服務化RAN 研究驅(qū)動力，其次介紹了現(xiàn)有5G 服務化架構，并指出基于5G 系統(tǒng)可能的演進方向。針對6G 微服務化RAN，本文提出了參考邏輯架構，并指出其關鍵技術。短期來看，可聚焦接口服務化以及控制面高層服務化研究，未來需要設計基于云原生的整體微服務化RAN 架構，并達到端到端融合貫通，實現(xiàn)網(wǎng)絡多種內(nèi)生能力，構建開放生態(tài)，賦能千行百業(yè)。