无线云网络进展和演进思考

作者:中国移动研究院 李男 张凯 孙奇 张晓华 李响 责任编辑:朱文凤 2021.11.11 17:44 来源:通信世界全媒体

通信世界网消息(CWW)随着国家“新基建”战略的推进,5G技术日益成熟,产业蓬勃发展。作为国家战略中的重大命题,“新基建”无法依靠某一项单一技术完成,跨技术边界的融合将成为未来技术发展的新趋势。5G、人工智能、云计算、边缘计算、工业互联网等技术将成为“新基建”的技术基石和数字底座。

5G产业的目标是使能千行百业,行业用户的定制化需求远远高于个人用户。面向垂直行业市场,传统的无线建网方式通常面临复杂的业务开通和昂贵的网络维护成本,成为无线网络建设和规模化应用过程中的难点。更加智能的、可敏捷定制的5G无线网络已成为产业的现实诉求。

为满足5G垂直行业需求,无线接入网络需要向云化、开放、智能、泛在、安全等方向演进。无线云网络是以云原生无线接入网络平台为基础,内生动态编排AI能力为核心,实现无线网络、云计算、人工智能、算力网络的价值融合,从而形成的新一代无线网络架构。无线云网络架构提出了“开放”和“智能”两大核心愿景,建立了全新IT、CT、DT多领域融合的设计和研发理念。无线云网络将充分发挥无线云网融合优势,深度挖掘网络和业务的协同价值,并进一步向算网一体创新演进,加速运营商DICT服务转型,推进产业数字化升级,无线云网络总览如图1所示。

面向5G网络与DICT技术深度交融的趋势,本文将重点介绍无线云网络在“云-网-智-算”融合研究方面的探索,围绕云、网、业三者关联,以云网融合、网业协同、算网一体三层视角展开阐述,分享中国移动在无线云网络方向的进展与思考。

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图1无线云网络总览

无线云网络的云网融合实践

随着移动边缘计算产业的不断发展和日趋成熟,移动边缘计算业务的需求和技术创新并行驱动无线网络架构的深刻变革,云网融合已成为ICT的发展趋势。无线云网融合从云的角度看,是云的进一步下沉,下沉到无线网络用户面的最末端,实现极低时延、极低带宽成本,以及实时无线网络定制和无线网络感知能力,促进业务体验提升。从网的角度看,是将无线网元功能承载在云上,在更好为网络提供业务感知、智能计算、敏捷迭代等能力的同时,还为业务提供计算能力,从单纯网络管道拓展为网络连接和业务底座。无线云网融合能力需要以无线网络虚拟化、统一的资源和业务编排技术作为基础支撑,实现RAN、MEP、轻量5GC等异构系统的统一部署、统一运维、统一运营,打造面向无线云网络的统一平台。

对于无线应用场景的云平台,我们称之为“无线云底座”,它通过虚拟化、容器化和业务资源编排等技术,以软件定义的方式在通用物理设备之上实现无线网络功能所需要的算力、网络和存储等基础设施的抽象、集中和解耦,从而对无线网络功能进行融合和重构。传统的无线网络网元多以单独的专用设备呈现,硬件和软件高度集成,通过采用虚拟化(虚拟机或者容器)技术,遵循RAN的功能切分原则,把原有的集成式的RAN功能模块转换为不同的虚拟机或者容器。利用虚拟化技术的灵活性,把网元对应的容器或虚拟机部署在相同或不同的通用服务器上,还可以对网元进行灵活的扩缩容,进而实现网络资源的按需供给。

无线云网络可依托无线云底座构建的无线云网融合服务框架,集成无线智控组件(Radio intelligent controller,RIC),为无线云网络引入无线AI能力,提升无线网络性能、资源利用效率,以及向行业提供定制的无线SLA(Service Level Agreement)保障能力和服务,形成智能云网融合解决方案。

无线云网融合服务框架主要包括3个逻辑层次:一是基础设施层,包含通用服务器、物理层加速器和射频单元RU;二是无线云底座,包含基于虚拟化技术的云平台以及针对无线业务的性能增强功能;三是云化无线网络功能层,包含无线智能控制器、CU、DU,也可以包括5GC、MEP等,按照不同的部署场景和需求,可以灵活敏捷地选择。例如针对行业应用,可以部署行业SaaS。

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图2无线边缘云部署结构

无线云网融合技术将催生提供无线功能的无线边缘云,其部署结构如图2所示。无线边缘云可基于广泛应用的开源技术方案(例如OpenStack或Kubernetes管理模块),方便快捷地与编排器对接,与中心云形成统一的资源池。无线边缘云可灵活部署无线基站网络功能,并根据行业需求敏捷拓展行业应用,有利于实现无线网络和行业应用的资源灵活复用,提供无线网络和行业业务一体化服务。云化技术方案中成熟的CI/CD和DevOps的工具和流程,将加速运营商云网服务开发和上线速度,敏捷响应业务定制需求。此外,云化将加速网络自动化部署和运维,降低人工开销和网络部署运维成本。

目前,美国、日本及欧洲等地的多家运营商已经开始逐步部署云化无线网络,一些云服务厂商(如亚马逊、微软)也开始积极布局运营商网络市场,希望发挥其已规模部署的边缘机房优势,开发面向to C和to B的云网一体解决方案。国内ICT厂商(如联想、H3C、浪潮)也在研发布局云化无线网络方案,目前已初步具备商用能力,支持小时级网络站点开通,分钟级业务上线。

无线云网络的网业协同探索

云网融合赋予无线云网络敏捷开通、按需定制的基础能力,网业协同技术将进一步提升无线云网络面向垂直行业和高价值业务场景下的智能化、自服务、高可靠等定制化能力,助力实现无线网络即服务(RAN as a Service,RaaS),加速无线网络价值的挖掘和转化。

5G垂直行业业务场景和需求千差万别,无线网络难以通过静态配置满足灵活的业务接入需求并保障用户SLA。无线网络需要灵活适配业务特征及需求,提升“网随业动”的无线网络服务能力,为行业用户提供确定性的业务保障。为此,无线网络需要具备业务状态、用户状态和网络状态的多维智能感知能力,并通过智能协同,分析和挖掘不同业务、用户、网络规律特征及三者之间的关联性,以业务需求和特性为基础,感知并预测用户行为和无线网络状态趋势,构建面向行业意图的无线网络优化模型,实现实时的无线资源精细化调整和优化。基于无线智控组件(RIC)的网业协同总体技术框架如图3所示。RIC将作为网业协同锚点,面向多样化业务场景,实现敏捷定制无线网络的能力,提供安全、可靠、具有确定性SLA的无线网络服务。

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图3 网业协同总体技术框架

无线智控组件RIC可通过北向接口从边缘计算平台(或核心网、网管、本地门户)获取业务需求和特征信息,同时感知终端上报或业务服务器提供的用户业务体验信息,并进一步基于南向接口从基站获取无线网络实时数据。通过对业务特征、业务体验和实时无线网络状态数据的分析,动态优化无线网络控制策略,提供确定性无线网络保障能力。此外,无线智控组件还可进一步基于北向接口通过能力开放单元(如Local NEF、UPF或核心网能力开放平台),向边缘云或中心云业务平台提供百毫秒至秒级的近实时无线网络信息,使得业务更好地感知网络变化,为业务平台动态优化业务配置参数提供网络状态参考。通过网络和业务的双向协同,实现本地化业务级或用户级网络与业务协同优化,保障业务体验。

无线智控组件RIC在业务、网络多维感知和智能决策能力包括(但不限于)以下4个方面。

第一,业务特性和需求感知分析。业务特征感知和分析,例如视频类业务的帧率、分辨率、码率等;工业视觉类业务的包大小和周期;业务需求的感知包括带宽、时延、时延抖动等。

第二,用户状态感知和预测。通过终端上报或网络主动预测方式获知终端位置、移动速度、终端续航能力、信道质量及用户行为特征等;用户业务体验预测,例如基于网络实时状态和业务特性,预测业务QoE或SLA满足情况。

第三,网络状态感知和预测。包括网络流量负载、干扰状态、无线覆盖状态、无线位置/虚拟栅格等信息。

第四,智能决策。基于上述业务、用户和网络状态感知和预测分析,RIC可面向行业意图,动态优化网络调度和预调度策略、干扰协调/抑制控制策略、用户频点切换和驻留策略等。

无线智控平台RIC主要考虑面向园区场景进行本地化、定制化部署,RIC可与基站共平台部署,也可与边缘UPF和/或边缘计算平台共平台部署,或根据实际环境独立部署。同时,无线智控组件RIC可基于云原生、微服务化架构设计,基于平台基础组件和平台开放API能力构建无线网络面向行业无线能力的开放生态。平台基础功能为实现智能化建模及面向行业需求定制和适配的无线智能应用提供支撑,无线智能应用提供智能化无线服务增强,例如上述无线智控组件的核心能力可由不同的无线智能应用分别实现,并根据行业的定制化和差异化需求灵活裁剪并拓展新的能力。

下面以工业远程实时视频操控业务为例,说明基于RIC的无线网络和业务双向协同方案流程和优势。为保障远程实时操控的精准度,上行视频回传的质量是关键。上行视频回传的质量与视频的分辨率、帧率以及网络的时延、抖动、传输速率等因素密切相关,为保障视频的体验质量,可基于无线网络状态实时预测视频卡顿情况,并基于视频卡顿结果,动态提升QoS保障速率或用户调度优先级,以保障用户体验。当网络重度拥塞时,还可根据业务的优先级及网络状态上报应用可保障的最大速率和最低时延,业务服务器根据远程实时操控可满足需求的最低速率来优化业务的帧率等配置,保障业务操作的流畅和可控性。

面向5G行业市场,无线云网络将以服务化方式构建无线网络接入服务,基于无线智控组件实现网随业动、网络即服务,为行业用户提供满足其业务环境定制需求的“云-网-业”一体化服务。

无线云网络的算网一体创新

随着云化5G网络和分布式计算等技术的日益成熟,算力的泛在化已成为趋势。未来可构成混合云的算力资源将得到进一步扩展和丰富,资源和数据处理将加速由云端向边侧、端侧扩散,构筑泛在计算的基础。从网络服务能力的演进上看,网络正在经历从最开始单纯提供“端到端”的通信服务,到“云到端”的内容服务,再到“端-边-云”协同的智能服务的转变。传统通信服务以电话、短信等业务为主,内容服务主要以视频业务为主,未来智能服务将构建万物智联,例如机器视觉、全息等业务,将对上行流量、网络实时性和边缘处理提出极高的要求。面向智能服务演进,网络将连接云、边、端,边缘算力将成为支撑智能服务的重要环节。相对于传统边缘云平台,以运营商无线网络为依托的无线分布式云,在节点规模、单节点算力、传输承载能力、全网统一编排能力等方面优势突出,是极佳的边缘算力节点。结合无线接入网的电信级回传网络,传递泛在计算服务,可实现无线网络和泛在计算一体化架构。

为了实现网络与计算的高度协同感知,中国移动提出基于分布式系统的计算网络融合技术方案——算力感知网络(CAN, Computing-aware Networking),实现ICT系统的联合优化调度,提供端到端ICT系统的SLA体验保证。算力感知网络延伸到无线侧,可基于无处不在的无线网络连接,将动态分布在无线网络内部的计算与存储资源互联,通过网络、存储、算力等多维度资源的统一协同调度,使无线业务、边缘计算业务、云计算业务能够按需、实时调用泛在分布的无线边缘计算资源,实现连接和算力在网络的全局优化,向行业客户提供一致的用户体验。无线算力网络总体技术架构如图4所示。

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图4无线算力网络总体技术框架

人工智能、大数据等技术将进一步促进无线算力网络智能化发展,形成无线智慧算力网络。无线算力网络也将进一步促进其他前沿技术的发展与成熟,例如,人工智能可以助力自动化最优算力路由寻址、算力服务预测,加速无线算力网络的智能化演进。同时,无线算力网络也为人工智能技术演进提供了环境,无线分布式特征可以承载人工智能分布式学习架构、承载大数据处理分布式存储框架。无线算力网络与人工智能、大数据等前沿技术将相互加持、相互促进,实现“云-网-算”一体化智慧无线网络。

无线云网络演进展望

无线云网络作为5G云网融合重要解决方案,将助力传统产业升级,推动新模式、新业态发展。为进一步实现“云-网-智-算”一体化无线云网服务体系的愿景,无线云网络仍需持续演进。

首先,需要推进无线网络云化升级,优先考虑从行业场景的小站切入,通过灵活定制、快速建网满足行业需求,积累无线云网融合方案的建设和运维经验。形成一张资源可全局调度、容量可弹性伸缩、架构可灵活调整、能力可开放、运营与运维可全自动化的敏捷无线云网络。

其次,需要推进网业协同研究和方案落地应用,进一步挖掘场景价值,如XR、工业视觉、远程操控等,研究无线网络内生智能、信息开放和敏捷定制等关键技术,实现面向重点行业业务特征需求的自动转译和网络业务双向协同优化,提升面向行业的确定性SLA保障能力,实现无线网络从连接价值向融合价值的转变。

最后,在无线云网络向无线算力网络演进过程中,需进一步研究无线算力网络场景与需求、无线算力模型、感知、分发与路由、部署和无线算力编排等关键技术。依托遍布全国的数百万基站算力节点及回传网络,预期无线通信网络将升级为极具市场竞争力的分布式云服务网络,具备在百米级区域内向用户就近提供定制化云服务能力。

伴随产业数字化转型,无线“云-网-智-算”融合已成为产业和技术趋势。无线云网络依托无线云化、无线智能化等核心技术,实现无线云网融合、网业协同并逐步向无线算网一体演进,构建面向行业服务的新能力、新价值体系,促进行业和经济社会的转型升级。


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