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1、下一代协议栈 5.0WHITE PAPER V9.0C2023.03Executive Summary摘 要Based on the previous study of RAN in white paper,this white paper facing 6G gives a potential solution for the architecture of RAN and framework of the protocol stack.In this solution,the technology of digital twin is introduced to support AI to
2、 embed into functionalities of RAN,and the native-AI computing power for native-AI RAN is scheduled on demand.The white paper hopes to arouse the continuous attention and thinking from the the academic and industrial on the research of the architecture of RAN and the framework of protocol stack for
3、6G,so that the deep integration of ICDT and promote the comprehensive development of 6G are achieved.本白皮书在前期白皮书的基础上面向未来 6G 无线网络和协议栈演进方向,提出了一种智慧内生的无线网络架构,该架构通过数字孪生技术,把对AI算法相关的支撑融合到无线网络功能中,从而实现了按需的智慧算力,为“内生智慧无线网络”提供了解决思路。本白皮书希望引起学术界和产业界对 6G 通信协议栈架构与功能增强方向研究的持续关注和思考,真正能够做到 ICDT 深度融合,促进 6G 全面发展。-01-Intr
4、oduction智慧内生无线网络架构“云”和“端”移动网络柔性架构 内生智慧的 ICDT RAN 功能Summary意图驱动的协议管理控制架构网络管控协议发展意图驱动下一代无线网络管控架构关键技术意图的全生命周期管理Summary01 01 03 0303 08325Table of ContentsExecutive Summary 摘要 1 22.1 2.22.333.13.23.33.43.5Reference AbbreviationAcknowledgement2627 281.IntroductionThe white paper proposes 6G pr
5、otocol stack views and thinking for 2030+,based on the published versions such as The Next-generation Protocol Stack over Air Interface 4.0 and The Next-generation Protocol Stack over Air Interface 3.0.We hope to provide reference to study the 6G-oriented protocol stack architecture and functions fo
6、r the industry.5G 的 CU-DU 分离架构为基站的分布式部署提供了灵活性。基于 CU-DU 分离架构实现 6G 无线网络的按需功能配置,从而实现“云”和“端”的柔性架构,为内生智慧和数字孪生提供架构支撑。通过定义核心网和分离模式的基站的功能在“云”上,把余下部分基站的功能部署在“端”上。“云”和“端”通过无线连接方式,“端”侧进行空口无线覆盖。通过“云”侧的控制,“端”侧实现无线覆盖、无线关断、干扰协调、负载均衡等。下一代无线网络依靠意图驱动网络提供的应用意图深度挖掘能力、网络状态全局感知能力、网络配置实时优化能力,提出了意图驱动下一代无线网络管控协议架构,包括意图转译、策略
7、配置、资源编排等模块,并通过实时的状态监控,实现用户意图的全生命周期管理,为下一代无线网络管理协议提供一种新的可行性思路。2.智慧内生无线网络架构2.1 “云”和“端”移动网络柔性架构在“云”端的统一控制下,各个“端”侧或者服务接入的点,或者作为终端。核“云”端通过 AI 建模,数字孪生,实现对物理空间的全方位数字化控制,从而实现精准的动态组网和覆盖扩展,从而实现“柔性”组网。“云”端通过对网络覆盖的物理空间进行全方位数字化建模,建立数字孪生的数字化镜像大数据仓库,通过引入 AI 工具,对“端”侧的覆盖进行控制,实现“云”侧统一控制下的“端”侧自组织的无线覆盖,实现按需、按场景、按业务的柔性网
8、络覆盖。1、“云”侧的功能实体;通信网络功能:包括核心网(CN:Core Network)的功能和部分无线接入(RAN:Radio Access Network)-03-下一代协议栈 5.0的功能。这些功能实体是软件定义的功能实体,主要包括面向数据包处理功能,信令控制部分。核心网部分包括核心网所有的功能实体。部分 RAN 的功能包括层 3 的控制面和用户面功能实体,层 2 的数据包处理部分。比如核心网的 UPF、AMF、SMF 等功能实体,RAN 的 RRC,SDAP,PDCP 等信令和数据面功能实体。另外还有与“端”侧连接的接口功能,包括接口连接的初始建立、修改和删除等功能。AI 和大数据功
9、能(AI&BD:Big Data):整个网络覆盖空间的数字化建模信息,诸如覆盖的范围、覆盖的建筑特征、覆盖的空间高度、覆盖范围内用户的业务和行为特征,覆盖空间的三维坐标信息等。整个网络运行的状态参数,网络功能运行过程中产生的各种与网络本身、业务、以及用户相关的状态参数。针对上述数据的存储功能、计算功能、AI 模型的训练功能。基于上述数据构建物理覆盖环境的数字孪生(数字镜像:通过对物理环境特征参数的采样,实现了物理环境的数字化描述)环境,基于该数字孪生环境,进行针对网络新功能新特性的功能测试、运行验证、试错测试、新特性的部署等使用 AI 工具以实现网络的自演进、自生成、自维护。“云”侧的 AI
10、和大数据功能为“端”侧的网络覆盖进行建模、预测和控制,当需要把一个和若干个“端”侧的无线设备(可以是各种终端,也可以是专门用来覆盖增强的无线接入点)按照终端或者无线覆盖设备进行开启时,提供该区域的“端”侧设备的组网方案,包括各个终端或者无线覆盖设备之间的连接关系,功率,干扰协调策略,最大承载的业务量,“端”侧设备是终端或者无线覆盖设备的功能决策,每个终端和无线覆盖设备的连接关系等无线空口组网策略。2、“端”侧的功能实体;主要包括 RAN 的面向空口的低层处理部分。比如 MAC 层功能实体,物理层(PHY)功能实体,空口射频部分。另外还有与“云”侧连接的接口功能,包括接口连接的初始建立、修改和删
11、除等功能。两部分之间可以为有线连接,也可以为无线连接。如果为无线连接,则“端”侧设备具有两类无线接口,一类是与“云”侧设备互联的无线频点和相应频点搜索的功能,一类是能够接收终端接入的无线空口覆盖的无线频点功能。“端”侧功能设备具有搜索“云”侧功能设备的功能;“端”侧功能设备上电后,主动搜索“云”侧功能设备并发起连接建立过程。-04-下一代协议栈 5.0Figure 1“云”和“端”移动网络柔性架构图 1 中,“云”侧设备运行在云平台上,“端”侧设备分别部署在远端的位置,实现空口覆盖。初始接入过程:图 2 给出了“端”侧设备初始接入“云”侧设备的流程。-05-下一代协议栈 5.0-06-步骤1、
12、“端”侧设备上电后,只做“云”侧设备初始接入过程,不对外发射信号接纳终端接入。如果为无线连接,通过接收“云”侧设备发送的广播,得到“云”侧设备空口接入的基本信息。步骤2、开始搜索“云”端设备。如果为有线连接(比如“端”侧设备检测到网口或者其它cable连接接口已经连接),则“端”侧设备在有线端口发起连接建立请求。如果为无线连接,则“端”侧设备搜索“云”侧设备信号,完成锁频后,在选定的频点发起连接建立请求。“端”侧设备具有基站的空口覆盖能力和通过有线或者无线方式连接“云”侧设备的能力。“端”侧设备同时具有连接“云”侧设备的无线频点和空口覆盖的无线频点及能力。连接“云”侧设备的无线频点可以和空口覆
13、盖的无线频点是同一个系统带宽不同的频域(3G、4G或者5G的频点),也可以是完全独立的不同频点(3G、4G 或者 5G 的频点),甚至可以使微波或者 Wifi。步骤 3、通过随机接入过程完成空口同步和无线系统时钟同步。空口同步为上行信道的同步。“端”侧设备通过接收“云”侧设备的广播完成下行同步,通过随机接入过程,完成上行信道同步。同时,在随机接过程中,图 2“云”和“端”初始接入过程下一代协议栈 5.0-07-得到系统时钟,需要在“云”侧设备发送给“端”侧设备的随机接入响应消息总携带“云”侧设备的时钟。完成随机接入过程后,发送“端”侧设备和“云”侧设备接口的连接建立请求消息。在连接建立请求消息
14、中,携带了“端”侧设备接口协议(Functionalities of Interface)的端口、承载等相关信息。步骤 4、“云”侧设备接收到“端”侧设备连接建立请求消息后,发送连接建立消息。该消息中携带了“云”侧设备接口协议(Functionalities of Interface)的与“端”侧设备的端口、承载等相对应的信息。步骤 5、“端”侧设备成功建立连接后,回复连接建立完成消息。步骤 6、“端”侧设备上报“端”侧设备的能力。包括“端”侧设备能够支持的最大用户数;用户业务的 QoS服务水平;空口覆盖的最大范围;支撑的所有空口覆盖的频点列表;支持的基站协议的版本;支持无线接入层协议的功能;
15、包括层 1、层 2、层 3 中的哪一个或者几个协议层功能;所支持的协议层的功能参数,比如 RLC层只支持 UM 模式,PHY 只支持 16 Ports 能力等等;能支撑的可配置的无线接入层功能(柔性网络中无线功能可以动态配置)等。步骤7、接收到“端”侧设备上报的能力后,“云”侧设备根据“端”侧设备的位置,得到在该位置已经存在的小区,并把这些邻区的配置配置给“端”侧设备,邻区配置包括每个邻区的频点、最大发送功率、最大覆盖半径,平均覆盖半径等参数。步骤 8、接收到“云”侧设备配置的邻区列表,“端”侧设备发起邻区测量。得到列表中的每个小区在“端”侧设备位置上信号强度,“端”侧设备接收干扰水平等小区测
16、量参数。步骤 9、把测量得到的邻区的功率、干扰,其它标识信号强度的参数上报给“云”侧设备。步骤 10、“云”侧设备接收到测量后,计算该“端”侧设备周围的信号强度,然后根据信号情况和小区当前的负载情况,决策该“端”设备是否作为基站设备允许终端接入。如果允许,则配置该“端”设备的发射功率,信号覆盖的范围,甚至包括允许接纳的系统负载(用户数、数据吞吐量等)、接入层协议功能等;如果不允许,则配置该“端”设备静默。步骤 11、“端”侧设备在接收到“云”侧设备配置后,执行“云”侧配置,并保持测量上报给“云”侧设备。下一代协议栈 5.0步骤 12、“云”侧设备周期性的或者事件触发式的给“端”侧设备进行时钟同
17、步,也可以有“端”侧设备根据自身运行的情况发起时钟同步请求。步骤 13、“云”侧设备根据“端”侧设备的数字环境大数据信息,得到该“端”侧设备与已有“端”侧设备的互联互通组网方案,并配置给相关的“端”设备,触发“端”侧设备的互联关系的更新,从而实现无线网络覆盖的柔性更新。通过以上步骤,通过“云”侧设备的统一控制,避免了“端”侧设备的相互干扰。一种应用场景是:在办公的笔记本上安装了支持“端”侧设备的 SoC。当大家在一个会议室开会时,每个笔记本既可以是终端,也可以是基站接入点 AP。每个笔记本自动连接到“云”侧设备,通过“云”侧设备的控制,决定哪个笔记本可以为基站,哪个笔记本为终端。即增强了室内的
18、覆盖,又避免了干扰。业务过程:当终端通过“端”侧设备进行业务时,“云”侧设备和“端”侧设备的连接接口的传输能力成为用户业务能力的瓶颈。此时,在该连接接口上引入流控功能。“端”侧设备给“云”侧设备发送业流量申请,“云”侧设备按照申请提高带宽利用率。2.2 内生智慧的 ICDT RAN 功能4G/5G 网络中的 AI 为外挂式 AI,即通过网络侧(基站、核心网)和终端侧给 AI 功能节点上报 AI 所需要的各种信息(比如目前 3GPP R17 正在研究和推进的 MDT 测量增强),在网元外部运行 AI 相关的处理,AI 功能节点进行数据收集、处理、AI 模型训练,并把 AI 运行的结果或者产生的策
19、略(Policy)再发送到网络中。在 6G 网络研究中,内生智慧和数字孪生成为了 6G 网络的核心特征。-08-下一代协议栈 5.0内生智慧(Native AI)的 6G 网络中,AI 不再是仅仅对无线网络的无线资源优化,而是与核心网、传输网和无线接入融合一体的智慧体系(AI System)。6G 数字孪生体系为 6G 内生智慧提供了运行基础环境,即为 AI 相关的处理和计算提供了基础支撑,又简化了物理网络运行负载和复杂度。也就说,6G的数字孪生体系和内生智慧体系共同组成针对物理网络的操作、维护、面向应用的控制计算等一系列在线操作,成为物理网络的大脑,指挥物理网络的每个部分完成协议或者运营商要
20、求的服务能力。目前 4G/5G 网络中的 AI 为外挂式 AI,存在两个无法克服的挑战:1.为了使 AI 运行结果更准确或者更具有有效性,需要把大量的、实时的、细颗粒度的测量信息上报给外部的 AI 中心,这种方法带来的代价(Cost)还是互操作性(异厂家互联互通)都是无法在商用网络中商用;2.AI 对网络的有效性依靠测量数据的准确性,导致 AI 运行的结果或者产生的策略无法匹配网络的需要,无法体现 AI 给网络带来的增益,从而无法实现智慧网络的愿景。内生智慧和数字孪生的 ICDT RAN 方案(NAS:Non Access Stratum:非接入层,相对于 AS:Access Stratum,
21、接入层;在终端侧按照 NAS 和 AS 进行层间划分,在网络侧则按照核心网:CN 和接入网:RAN 进行划分)。ICDT 即为智能(Intelligence)、通信(Communication)、大数据(Data)技术(Technology)的缩写。在该方案中,通过在 RAN 的不同功能部分引入在线数字孪生功能和分布式 AI 功能体支撑 RAN 的多级控制,从而实现内生智慧和数字孪生的 ICDT RAN 方案。通过在 RAN 的云节点(Cloud Unit)和边缘(Edge)接入点(AP:Access Point)分别引入在线数字孪生功能和分布式 AI 功能体实现云和边缘灵活控制。图 2 给出
22、了内生智慧的 ICDT RAN 方案。对于Online DT和Offline DT,“离线(Offline)”和“在线(Online)”与传统的“高/低实时性”“快速/慢速”无关,体现的是与对应的功能体之间的同步关系。比如 Offline DT 可以通过录播的方式获取一段时间内的高实时性的数据,然后处理该数据得到仿真的结果。分布式 AI(Distributed AI)是运行于网络内各个功能体之间的 AI 算法或者 AI 功能之间的存在的逻辑约束关系。分布式逻辑约束关系定义了不同的 AI 算法和 AI 功能的作为一个整体完成不同的网络相关的任务,同时定义了在整体完成网络功能的统一要求下,各个分离
23、的 AI 算法或者 AI 功能体需要独立承担的任务,包括直接输出到网络功能中的运算结果、输出到其它 AI 算法或者 AI 功能体的运算结果、接受其它 AI 算法或者 AI 功能体的运-09-下一代协议栈 5.0算结果。该逻辑约束关系可以紧逻辑约束关系,也可以是松散逻辑约束关系。通过该逻辑约束关系实现 AI 算法或者 AI 功能之间协同(Collaboration)完成具体的一项或者多项任务,并且,通过该逻辑约束关系,不同的 AI 算法或者 AI 功能直接进行消息、测量或者数据信息的交互。1.对于 AS 各个功能体的输入,也同步输入到 DTL 中对应的在线仿真功能体。为了降低运行 DTL 的开销
24、,可以把关键的信息输入到 DTL 中,非必要信息可以舍弃掉,比如数据包(PUD 包),可以把有效的 PUD 头输入到 DTL 中,数据包的净负荷(Payload)可以不输入。输入的信息包括信令、数据包、测量信息、操作维护指令等。2.AS 各功能体在运行过程中,把各自运行过程中的关键信息上报给 DTL。比如每个 PUD 接收、发送的错误率、时延等。还比如各个功能体运行时自身信令控制信息,诸如 UE 的状态变化,链路好坏的测量信息等。3.DTL 根据输入的信息,在线仿真各个 AS 功能体的运行,在 AI 算法的驱动下,产生针对不同 AS 功能体的信令(Signaling)、策略(Policy)或者
25、命令(Command)等。4.DTL 产生的信令(Signaling)、策略(Policy)或者命令(Command)作为反馈输入到 AS 功能体中;各NAS 功能体根据输入,进行低代价或者低开销的快速处理。5.AS 各功能体把结果输出。6.输出的结果同时反馈 DTL 中,针对每次的结果输出进行校验或者修正等。RAN 侧通过 RRC 信令或者 MAC CE(MAC Control Element)或者 MAC PDU 携带针对 UE 侧的分布式 AI(AIL)和在线 DT(DTL)的配置、更新等改变。Figur2 内生智慧的 ICDT RAN 方案-10-下一代协议栈 5.0UE 侧通过 RR
26、C 的测量或者 MAC CE 或者 MAC PDU 携带布式 AI(AIL)和在线 DT(DTL)的运行状态参数、测量或者建立或者更新请求给 RAN 侧。UE 侧的 AIL 和 DTL 完全在 RAN 侧的控制下进行建立、更改、或者删除。OAM 对 UE 侧的 AIL 和 DTL 的控制是通过 RAN 的上述方式进行。在 CU(Cloud Unit)上,运行着 RRC、RRM、L3UP 和 C-MAC(Cloud MAC:云 MAC)。在 EU(Edge Unit)上,运行着 D-MAC(Dedicated MAC:专用 MAC,专用于小区 Cell 内的 MAC 功能)和 PHY。SDAP/
27、PDCP/RLC 三个协议功能可以分别自由选择在 CU 和 EU 上运行(如果将来还存在这三个协议功能层的话)。对于 RRC 和 RRM,按照 UE 级别或者相关的功能(UE-level)和 Cell 级别或者相关的功能(Cell-level)进行分类为两大功能。UE 级别或者相关的功能指针对接入到该 RAN 的 UE 的上下文信息、链路状态、业务状态等的管理、控制、维护等。Cell 级别或者相关的功能指针对该 RAN 建立的所有小区(Cell)相关的内容的管理、控制、维护等,比如小区可容纳的最大用户数、小区的空口带宽、小区最大发射功率、小区最大吞吐量、小区的覆盖范围、小区的身份信息、该小区的
28、相邻小区的信息等等。L3UP 分成两大类功能:1.L3UP PDU 数据的处理;2.处理的每个 PDU 对应的随路信息采集和处理。比如对接收的上层数据进行塑形(即根据已知的业务特征,恢复接收的上层数据规律,以便在空口更准确的发送),对发送给低层的数据进行流量控制,每个数据包在低层发送或者接受的状态信息,接收或者发送的数据包的统计信息(大小规律、间隔规律、发送时延的规律)等。C-MAC 分成两大类功能:1.对 D-MAC 的控制功能;2.CU-EU 接口控制;对 D-MAC 的控制主要包括:发送到每个 D-MAC 上的数据的塑形(SDU Shaping):按照业务的 QoS 要求和每个 D-MA
29、C 数据发送的状态,对发送到每个 D-MAC 上的数据进行流量控制、数据包传输抖动消除、携带随路控制信息的数据包调度、重要或者关键数据包的发送重构、数据包的乱序恢复的发送;-11-下一代协议栈 5.0接收到每个 D-MAC 上的数据的塑形(SDU Shaping):除去传统的排序外,重复数据包的剔除、重要或者关键数据包的解重构、流量控制、数据接收状态的感知等。不同 D-MAC 之间的协作控制:包括重复覆盖内的 PRB(Physical Resource Block:物理资源块)协调、功率分配或者控制;D-MAC 功能的编排(Orchestration):根据需要传输的数据(业务,Traffic
30、)特征,定制具体的 MAC 功能,包括调度的功能、资源分配的测量、HARQ 的模式选择、HARQ 进程的模式的选择、HARQ 进程的选择、码率或者调制方式或者 TB(Transport Block)的选择等;用户级别的 D-MAC 选择:针对属于某一个 UE 的一个或者多个 D-MAC 功能体,也即 C-MAC 和 D-MAC 之间的链路,进行按需的动态选择或者调度。根据 UE 的每个 D-MAC 上数据接收和发送的质量监控,给 UE选择适合数据接收和发送的一个或者若干个D-MAC链路,包括激活新的D-MAC链路,去激活不适用的D-MAC链路,提升或者降低某一个或者几个 D-MAC 的服务能力
31、或者质量等。用户级别的 D-MAC 链路切换:根据 UE 的每个 D-MAC 链路的接收和发送质量,以及 UE 可能的移动趋势,实现 D-MAC 链路的灵活选择;CU-EU 之间的即插即用控制:CU-EU 之间的即插即用分成两个层面:1.CU-EU 之间传输连接的即插即用;2.无线协议栈之间的即插即用。本发明主要写 2,即主要是无线协议栈之间的即插即用。1.在 C-MAC 和 D-MAC 直接引入公共承载(common bearer)的概念:Common Bearer(公共承载,即为 CB):为 C-MAC 和 D-MAC 之间的连接承载,完成 C-MAC 和建立的每个 D-MAC 之间连接和
32、识别。C-MAC 为小区级 MAC,D-MAC 为用户级 MAC。当小区(Cell)被建立时,C-MAC 建立。一个 Cell 可以有一个或者多个 C-MAC。一个 UE 的 D-MAC 只能同时连接一个 C-MAC,即在相同时间刻上,C-MAC 管理的 UE 是正交的。当小区(Cell)被释放时,D-MAC 释放。-12-下一代协议栈 5.0当 UE 被建立时,D-MAC 建立,当 UE 在建立 SRB1 时建立 D-MAC,后继的 SRB2/3 和 DRB 对 D-MAC 进行重配置。一个 UE 可以有一个或者多个 D-MAC,但是各个 D-MAC 直接对应的空口是无重叠的,或者说是正交的
33、。当 UE 被删除时,D-MAC 删除。CB ID 为 Cell ID,与小区的 ID 相同。当 C-MAC 建立时,建立 CB,CB 至少包括:CB ID,CB 连接的 D-MAC 名单(初始建立时为空),CB 连接的每个 D-MAC 的路由信息(基于该 CB,可以找到与该 C-MAC 连接的每个 D-MAC);CB 上承载的信息之一:(1)C-MAC 需要通过每个 D-MAC 在空口发送的小区级的信息(比如 MIB,SIB,本小区的上下行时隙方向配置等);(2)C-MAC 配置 D-MAC 的控制信息(D-MAC 下行最大发送功率,D-MAC 上行功率控制的目标功率,D-MAC需要对其发送
34、的业务的 QoS 保障要求【数据包发送的时延、错误率、重传次数、重传率、码率等】,D-MAC多数据包复用到一次发送的数据类型指示,进行多路数据并发发送的数据类型指示,D-MAC 发送数据时的最高或者最低码率,D-MAC 传输的数据特征,发送模式的时间周期,DRX 配置,DTX 配置等);(3)D-MAC给C-MAC上报的数据接收和发送状态信息(包括实际传输中的错误率,重传的次数,残留错误率,分段或者级联发送的概率,数据缓存的空置率,数据缓存的溢出率等);(4)D-MAC 上报的心跳信息等等其它信息。图 3 给出了 C-MAC 和 D-MAC 公共承载的连接示意图。D-MAC 后继建立的 SRB
35、2,DRB 等无线承载都属于CB 包含的一个承载,即一个 CB 中包含多个 UE,每个 UE 包含多个 SRB 或者 DRB。当通过 SRB1 建立完成 D-MAC 后,D-MAC 根据 CB ID,主动给 C-MAC 发送接入请求(Request),接入请求中携带了该 D-MAC 的身份识别信息,C-MAC 根据该 D-MAC 身份识别信息获得该 D-MAC 的路由信息,并记录该 D-MAC 为激活状态,然后 C-MAC 给该 D-MAC 回复建立确认信息(Response),并携带配置信息(黄色底色中 C-MAC 配置的信息(1)或者(2)中的全部或者部分信息)。-13-下一代协议栈 5.
36、0如果 UE 仍然采用传统的 SRB 和 DRB 进行数据传输,则在后继该 UE 建立的 SRB 或者 DRB,基于该 C-MAC的 CB 进行建立。2.3 Summary面向 6G 的智慧内生的无线网络,基于云平台提供的算力和柔性扩展能力,实现按需算力可调度。通过网络需要感知终端的信息,包括位置、业务、终端本身运行状态、控制需求、移动状态、潜在的行为等等,并通过网络侧对信息的处理能力,实现网络的内生智慧。这样,当建立完 SRB1 时,D-MAC 已经激活,实现了以 UE 为单位的即插即用。后继可以在基于 CB 的基础上,给 UE 在 C-MAC 和 D-MAC 之间引入默认承载(Defaul
37、t Bearer),甚至面向 QoS 的无承载连接,如此,即可实现数据面的即插即用。Figur3 内生智慧的 ICDT RAN 方案-14-下一代协议栈 5.03.意图驱动的协议管理控制架构2030 年的智能信息社会将高度数字化、智能启发和全球数据驱动,由近乎即时和无限的全无线连接实现。6G将是一个具由人工智能和意识的自治生态系统。它将从以人为中心发展为以机器为中心,并提供多种方式,例如通过手指、语音、眼睛和脑电波(或神经信号)与智能终端进行通信和交互。随着移动通信网络迅速发展,一方面,终端类型、数量以及服务类型剧增,现有的网络架构很难拓展新的功能和服务,且网络性能的要求越来越高,超出了当前
38、5G 架构的能力。另一方面,基于当前 5G 网络架构,网络管理协议难以适应未来 6G 网络高度弹性动态的业务需求,主要问题和困难如下:(1)传统网络管理协议难以实时获取全网络资源的动态数据,无法对通信系统全面监控。(2)现有网络协议拓展性差,服务能力受到限制,难以面对复杂的多场景管理对象。(3)大规模的手动配置和决策使得网络容易出现错误,出现问题后需要人为对错误原因进行判断,纠错过程复杂,因此网络恢复速度慢。因此,在第六代移动通信技术时代,迫切需要一种针对全覆盖,全频谱,全场景服务的全域网络资源管控技术,能够实现运维自动化,突破传输成本与个性化服务之间的矛盾,给予用户简洁的网络架构,为垂直行业
39、提供业务定制化、运维自动化、接口标准化、管控智简化的通信网络服务,有效解决运营商和用户的服务体验问题。意图驱动网络(Intent-Driven Network,IDN)的出现为用户个性化的业务需求提供了新思路。同时,意图驱动网络可以应用于互联网、数据中心网络等多种网络场景中的自主管理、自我优化、自动配置,减少网络管理中的人工干预,为普通用户提供更高的参与度。它是一种集应用意图深度挖掘能力、网络状态全局感知能力、网络配置实时优化能力为一身的,可编程可定制的自动化网络。意图是系统状态的声明性描述。它从需求的角度抽象出网络的对象和能力,并可以转化为高级策略。在意图驱动网络中,可以根据运营商的意图自动
40、转译,验证,部署,配置和优化,实现目标网络状态。同时,依托网络全息感知和反馈优化闭环实现自动解决异常事件,保证网络的可靠性。意图驱动网络应用于网络管理协议,主要强调使用高级用户意图来指定网络行为,而不是低级别配置。通过意图驱动的网络管理协议,用户可以指定他们希望网络做什么,网络管理系统将该意图转换为网络可以理解的低级配置。总的来说,IDN 作为目前最前沿的网络技术代表,它主要通过意图转译和策略配置技术,剥离了普通用户与网络底层技术的关联,用户仅需要提出服务需求,网络自动进行意图转译为策略、策略配置形成服务的自动化网络管理新模式。IDN 包含意图获取、意图转译、策略下发、实时监控、闭环反馈几个关
41、键步骤,首先是获取用户意图,将接收到的意图转译成网络策略,基于当前网络的状态验证策略的可行性;接下来,将通过验证的策-15-下一代协议栈 5.0略下发到底层基础设施中;最后,系统还要实时地监控网络状态,确保用户意图正确实施,并将结果反馈给用户。IDN 能够使得网络管理的效率得到极大的提升。意图驱动网络 IDN 能够提高网络管理效率,网络系统智能化运行降低了网络管理的人力成本,因此意图驱动是未来网络实现网络自治的关键。3.1 网络管控协议发展随着网络管理协议的发展,出现了不同的协议。如图 1 所示为网络管理协议的发展阶段,分别是 TMN、PBNM和 IDNM,下面的内容进行详细介绍。1TMNTM
42、N(Telecommunication Management Network)是一个有组织的网络,可以提供一系列管理功能,并能使各种类型的操作系统之间通过标准接口进行通信联络。3G 系统的网络管理主要基于 TMN 的框架。TMN 为电信网及电信业务提供性能管理(Performance Management)、配置管理(Configuration Management)、计费管理(Accounting Management)、故障管理(Fault Management)、安全管理(Security Management)等五种管理功能域。TMN 管理业务基本可以归纳为三类:(1)通信网日常业务和
43、网络运行管理业务;(2)通信网的监测、测试和故障处理等网络维护业务;(3)网路控制和异常业务处理等网络控制业务。但在规模日趋庞大且业务不断增加的移动通信网络情况下,一方面,基于 TMN 网络管理模式会加重管理员的负担,难以支撑日益繁杂的网络业务的管理任务。另一方面,对设备大量的细微配置和查询等命令使得人工出错率居高不下,网络管理整体效率降低。2PBNM为了克服 TMN 的不足,国际互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force,IETF)对 PBNM(Policy-based Network Management)进行了标准化并将其应用到大规模网络的管理控制当
44、中。PBNM 的基本思想是使网络管理员不再关注网络设备的细微配置和管理操作,将更多精力放在网络管理的目标和针对这些目标所需要的网络抽象行为。管理员的操作能更加直观地体现决策性和目标性,仅仅负责策略的制定。数据采集、网络监测、数据分析、设备控制等各种管理任务通过预定的管理策略自动实现,并能动态适应各种复杂的环境变化。在 PBNM 中,管理员以策略的形式定义和表征用户的管理目标或业务需求,控制系统通过查询有关的策略并计算判断策略的可行性,将策略转化为设备可以识别的指令,实时具体的配置和操作。-16-下一代协议栈 5.0在PBNM中,针对网络不同层次和阶段,策略有高层、中层、底层的不同表现形式,网络
45、策略层次和用途上的不同,很大程度上意味着策略的描述和表达形式也多种多样,这使得基于策略的网络管理体系复杂,缺乏细化统一的标准化表达方式,为了统一策略的表达,对策略进行进一步聚合和抽象,形成了支持网络策略的意图模型。3IDNMIDNM(Intent-driven Networks Management)是 PBNM 的进一步扩展,采用近似自然语言且高级别抽象的标准化表达方式,即意图,输入到网络中,然后通过意图转译、策略生成等步骤将意图转换为低抽象级别的策略,最后将策略转化为设备可以识别的配置命令,进行具体的网络操作。IDNM 通过结合 PBNM,避免底层网络复杂且多样的技术细节,达到网络自动管理
46、的目的。针对 PBNM 的不足,IDNM 采用高级别抽象的语言输入意图,然后通过将意图转换成可实施的策略,并结合基于策略的网络管理,达到网络自动管理的目的。如图 1 为意图、策略和配置,以及 IDNM、PBNM、TMN 的关系,自上而下看,在意图的精化过程中,可以分为以下三个层次,由较高抽象级别(Intent)较低抽象级别(Policy)可配置策略(Configuration)。自下而上看,随着网络规模和技术细节的扩大,对抽象程度的提升可以不断屏蔽繁杂的技术细节,以最高级抽象的意图对网络进行管理,形成“业务意图”到“系统策略”再到最终的“细节配置”的映射,完成网络的灵活管理。其中,策略是网络控
47、制系统可理解、可运行的形式。策略可以分为三种类型,命令型策略指的是明确特定目标的状态,使用 intent-action-state 以正确的顺序执行一组业务。声明型策略表达策略的目标,而不是如图 1 网络管理协议的关系-17-下一代协议栈 5.0何实现。意图型策略指的是高级抽象的表达策略的目标。更进一步,意图可以理解为意图型策略,意图是用户可表达、可理解的语言形式。配置则是底层设备可配置、可操作的形式,可以理解为命令型策略。意图的使用可以使网络管理员不必制定详细策略,不需要了解网络整体情况如拓扑结构、链路信息等,只需要表达业务的目标,通过转译就可以得到实现该目标的多个网络策略,网络策略再通过现
48、有的网络管理架构转变为对设备进行配置和操作的指令。总体来说,IDNM 意味着网络管理和运维模式从以网络和设备为中心逐渐向以用户和业务为中心的模式转变,概括来看,IDN 用作网络管理具有以下优势:(1)高兼容性和高利用率:IDN 在物理层面上不依赖于不同厂商设备的各种各样的接口,对于运维和管理,IDN 可以解决异构环境下网络管理问题并使得用户能够以基于策略的形式实现集中控制。(2)静态参数降维、动态网络优化:IDN 可以减少人工配置工作量,自动简化参数的配置,并提高网络服务的可靠性。在 IDN 中,网络故障可以被迅速且准确的定位。此外,IDN 实现了网络自优化和自恢复。(3)网络多方共赢:对于网
49、络管理员,可以更加关注网络服务而不是具体细微的网络配置,使得网络交付更加贴近业务。对于用户来说,网络可以提供各式各样的服务并提供更好的用户体验。对于网络服务提供商,网络配置和运维工作更加简约高效,且成本更低。3.2 意图驱动下一代无线网络管控架构6G 网络要求进一步增强感知能力,包括对行为、业务和意图的感知,并根据用户的业务需求分配网络资源,提供体验保障,按需服务。IDN 提供了满足上述要求的有效途径。声明性意图可以自动翻译、验证、发布、配置和保证达到用户期望的网络状态。最后,实现了网络服务的自动化和闭环优化。6G 中的网络管理需要实现集成管理和智能连接,终端业务场景驱动网络资源调度和管理。因
50、此,提出了意图驱动下一代无线网络管控架构,包括应用层、编排与控制层和基础设施层,如图 2 所示。-18-下一代协议栈 5.0图 2 所示的协议管控架构图,由三层两口组成,分别为应用层、编排控制层和基础设施层。其中,应用层为了成功实现这些新兴服务,允许用户以各种方式按需声明意图,提供一种可识别、可转译和可重复使用的规范语言。此外,意图可以从外部输入,也就是说,用户可以以文本、语音等形式输入意图。另一种方式的意图可以是内部意图,也就是说,当网络运行中出现故障时,底层会反馈给用户界面,需要重新翻译意图以生成符合当前网络状态的新策略。接下来,不同的服务要求被绘制成具体的通信指标(QoS指标,如延迟和带
51、宽)。然后,各种基础资源被协调和控制,如无线资源、计算资源和存储资源。最后,动态地构建网络切片,并建立一个确定性的网络,为用户提供差异化的业务体验。编排与控制层包含资源控制模块、意图管理模块和服务编排模块。用户的服务意图从北向接口发送至意图管理模块,将用户在应用层表述的近似“自然语言”的意图转译为由“对象”、“操作”和“结果”构成的意图。之后转译后的意图发送至服务编排模块,针对转译出的具体的通信指标进行协同编排和分配资源。最后,资源控制模块针对编排的结果,对底层虚拟的资源进行管理控制,同时,实时监控底层资源,将意图执行结果反馈至编排模块。其中虚拟资源采用 DTN 技术,利用 AI/ML 算法、
52、大数据分析等构建统一数据模型,以便网络信息高效采集,通过存储到统一数据仓库,进行高效管理。图 2 意图驱动下一代无线网络管控架构-19-下一代协议栈 5.0为了实现 6G 网络全覆盖、巨容量、巨连接、超低时延和高自组织等性能目标,基础设施层应实现空天海地一体化的全球无线接入.基于卫星通信的空间网络通过密集部署轨道卫星为无服务和未被地面网络覆盖的地区提供无线覆盖。空中网络低空平台可以更快地部署,更灵活地重新配置以最适合通信环境,并在短距离通信中表现出更好的性能。空中网络高空平台可以作为长距离通信中的中继节点,以促进地面和非地面网络的融合。地面网络将支持太赫兹频段,其极小网络覆盖范围将达到系统容量
53、提高的极限,“去蜂窝”和以用户为中心的超密集网络的网络架构将应运而生。水下网络将为军事或商业应用的广海和深海活动提供覆盖和互联网服务,但关于水下网络是否能够成为未来 6G 网络的一部分,存在争议。所以目前设计的意图驱动 6G网络中的基础设施层暂采用空-天-地网络。3.3 关键技术1.意图转译在意图转译模块中,管理系统将会把租户的高级、抽象的切片意图转换为相应的切片策略。将意图转译模块分为 3 个部分以更好解释意图转译过程有:1)意图管理器前端;2)意图管理器后端和数据库;3)RAN 侧控制器 FlexRAN 和核心网侧编排器 OSM 的北向接口。如图 3 所示。图 3 意图转译流程-20-下一
54、代协议栈 5.0如图 3 所示,意图层的意图转译和意图交互过程存在于应用程序(包括 Intent 管理器前端 GUI,Intent 管理器后端模块和数据库)和 FlexRAN/OSM 开放的 NBI 之间,主要涉及业务场景切片使用意图,基于业务场景的 QoS(时延,吞吐量),客制需求定制化。(1)租户在 GUI 上提供自己所需租赁的业务场景(视频流服务;VR 等),(2)后端根据这一信息在策略库中调取满足此业务场景的标准的 QoS 需求,它是与端到端网络有关的 QoS,它包含所提供服务需求的网络标准 QoS 信息:时延,吞吐量。(3)后端将获取到的信息传递给策略配置器,在这一配置器中有着用于与
55、 FlexRAN/OSM 的 NBI 交互的切片模板,RAN/核心网侧策略配置器负责初始化这一 JSON 文件,并通过 FlexRAN/OSM 的单元配置 API 的切片 API 下发初步静态配置。切片 API 的 JSON 请求报文示例如:dl:“algorithm:Static,slices:id:0,static:posLow:4,posHigh:12。(4)控制器获取了所需信息后,通过 FlexRAN 代理将初始静态参数部署给底层资源,对单一基站的 MAC 层进行逻辑切片,以完成初始切片创建。2.智能策略映射智能策略映射模块是意图实现的过程,由策略库、模糊决策树和深度 Q 网络(DQN
56、)组成。策略库中存储了大量根据历史策略和管理员运维经验建立起来的原子策略。原子策略指可以被执行且不可再拆分的最小策略。如可以实现一些功能节点的配置策略(路由选择、服务商节点选择等)。模糊决策树的功能是为策略库生成新的原子策略或调整策略库中现有的原子策略。DQN 是神经网络和强化学习的结合,用于将原子策略重组为满足当前意图需求的新策略。神经网络的功能是计算状态-动作对的相应配置分数,并输出所有动作。然后,根据 Q-learning 原则选择配置得分最高的动作作为配置动作。当意图从意图翻译模块输入到智能策略映射模块时,其工作机制如下所述。1)首先,查询策略库中是否有满足当前意图需求的原子策略组合。
57、若存在,则进行下一步;否则,则利用模糊决策树生成新的原子策略或调整现有的原子策略去扩展策略库;2)网络状态作为神经网络的输入 S,DQN 通过神经网络分析得到组合策略的配置奖励。Then,根据 Q学习原理,输出拥有最大值的动作当作下一步要做的动作3)对组合策略进行策略验证。如果所选策略在意图约束下可以成功执行,则修改网络环境状态,代理收到奖励 R;若无法成功执行,则状态 S 维持其阶段,重复步骤 2,直到奖励收敛。4)网络对动作做出反馈,并得到下一个状态 s。-21-下一代协议栈 5.0图 3 意图转译流程上述过程不断迭代,最终得到实现目标的最优策略。结合策略库模型,将此策略补充到策略库中,使
58、策略库更加完善。综上,机器驱动的智能策略生成的优势是使管理员不必在大量的参数和状态空间里进行手动测试,并提高了网络管理效率。3.意图验证技术IDN 在收集网络状态的条件下为网络元素提供全生命周期管理。常规网络依靠人工输入特定的命令行,与传统网络不同,在意图的驱动下,人们不必直接输入策略命令,而只是输入所需的业务意图,即,“我希望网络达到某种情况或希望获得优质的服务”。网络管理员不关注网络细节或实施技术,仅表达其要求。IDN 可以自动翻译意图并完成后续操作。然后,IDN 会实时验证网络状态是否符合业务意图的预期。因此验证是意图驱动网络中的核心技术之一。意图经过转译得到相应的网络策略不能直接下发到
59、控制器执行,为了保障网络的持续运行,必须在策略下发之前验证策略的正确性。网络的复杂性、策略保障执行要求意图驱动网络具备验证的功能,而且每一次意图语言形式的转换都需要验证技术保障。意图验证模块将检验解析意图的准确性、完备性,并持续监测解析意图可能存在的冲突。例如,网络无法满足同时下发的多个意图的资源需求,解析意图出现错误端点组、时间要求等逻辑错误。进一步,意图验证完成转译结果是否能够完整匹配用户原始意图的验证,并将验证结果反馈至用户。验证不是一个一步到位的过程,在不同阶段意图有着不同的表达方式,如图 5 所示,高级策略到较低级策略经历了多次的转换,每次转换都存在意图验证问题。-22-下一代协议栈
60、 5.0应用层的意图应用发起请求后,形式化的意图通过意图北向接口(Intent NBI)下发给控制器,意图验证模块同样通过 Intent NBI 实现对意图的采集,形成由历史意图组成的意图表 I;控制器接收到意图后进行策略制定,策略一方面要根据意图生成,另一方面要结合意图验证模块给出的反馈进行策略的修正;生成的策略通过南向接口(SBI)下发到底层交换机中,本次策略下发过程所下发的策略和当前网络的状态也通过 SBI采集到意图验证模块中,分别形成策略表 和资源表;交换机可以分为交换机软件层(OpenFlow 代理)和交换机硬件层(OpenFlow 管道),在 OpenFlow 管道中增加流量采集模
61、块,当策略下发后,采集网络流量的实际流转发行为,实时上报给意图验证模块形成行为表。在意图验证模块中,通过上述过程中的各种采集行为,形成了记录意图请求的意图表 I、记录网络状态的资源表、记录每次下发策略的策略表 和记录网络实际包转发行为的行为表。则根据所提出的验证方法:(1)可行性验证:对 和 的验证保证了意图转译的正确性,对 和 的验证保证了下发的策略满足网络底层约束,对 自身的验证保证了策略的无冲突;(2)有效性验证:对 和、和 的验证保障了网络实际流量转发行为符合所指定策略,保障了意图的有效性。在验证过程中,如果发生验证失败,则均通过策略反馈对策略进行修正并重新下发。3.4 意图的全生命周
62、期管理如图 6 为意图的全生命周期管理,图中包含两个循环,双环共同实现了了用户意图的创建到删除,以及在遇到故障时,利用意图保障实现用户意图的持续性。该双环结构通过意图转译能力来将用户的自然语言转译为底层可识别的配置语言,通过状态管理能力实时的监控服务意图的运行情况,最后再根据监控的结果来对意图进行变更和保障。通过持续闭环,意图完整生命周期的管理,实现了有效性策略的生成和可靠性意图的保障。图 5 意图驱动网络的标准流程-23-下一代协议栈 5.0-24-图 6 意图的全生命周期管理在上面的循环中,策略配置用于确定系统应如何响应与意图相关的用户输入。例如,策略配置可以指定如何检索和呈现与用户请求相
63、关的信息。然后,可以将策略下发到基础设施层上进行实例化,之后实现意图。状态监视用于确保意图按预期执行,并且策略向用户提供准确且有用的信息。在下面的循环中,这些相同的模块用于根据用户反馈和性能指标更新和改进意图。策略配置模块针对底层状态信息的变化,用于调整用户意图。分发与实例化用于将对意图的任何更改或更新到基础设施层中。状态监视用于跟踪这些更改的影响,并确保意图仍满足用户的需求。意图的全生命周期管理(双环方法)具有以下几个优点:1.增强用户体验:通过监控用户反馈并相应地更新策略和逻辑,可以优化意图生命周期,以提供更量身定制和更有效的用户体验。2.高效的意图维护:双循环方法允许持续监控和维护意图,
64、降低出错的可能性并确保意图继续满足用户需求。例如,如果意图中存在错误,则可以通过持续监视快速识别和修复。3.提高意图准确性:双循环方法可实现持续反馈和更新,以提高意图准确性和相关性。这可以导致对用户输入的更准确和相关响应,从而可以改善整体用户体验。下一代协议栈 5.0-25-4.更好的资源分配:通过跟踪意图性能,可以优化资源分配,以专注于最常用的意图或影响最大的意图。总体而言,意图双环全生命周期管理有助于确保意图针对用户需求进行优化,并提供更好的整体用户体验。3.5 Summary面向下一代无线网络,意图驱动网络提供的应用意图深度挖掘能力、网络状态全局感知能力、网络配置实时优化能力,实现可编程
65、可定制的自动化网络。通过提出意图驱动下一代无线网络管控协议架构,包括意图转译、策略配置、资源编排等模块,并通过实时的状态监控,实现用户意图的全生命周期管理,为下一代无线网络管理协议提供一种新的可行性思路。下一代协议栈 5.0Reference1 NGMN White Paper,6G Drivers and Vision.2 3GPP TS 36.300:NR and NG-RAN Overall Description 3 3GPP TS 38.300:Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)and Evolved Universa
66、l Terrestrial Radio Access Network 4 3GPP TS 38.300:System architecture for the 5G System(5GS)5 TS 38.455,NG-RAN;NR Positioning Protocol A(NRPPa),3GPP6 IEEE 802.11bf:Toward Ubiquitous Wi-Fi Sensing7 Open Networking Foundation,Intent NBI:Definition and Principles.8 IEEE Wireless Communications,Vision
67、,requirements,and technology trend of 6G:How to tackle the challenges of system coverage,capacity,user data-rate and movement speed.9 3GPP TR 28.812,Telecommunication management;Study on scenarios for Intent driven management services for mobile networks.10 Internet research task force,draft-irtf-nm
68、rg-ibn-concepts-definitions.-26-下一代协议栈 5.0Abbreviation 3G 5G 6G AI BWP CU GoS HTC IoT IP ISLs MAC MCG ML NRSP NAS OSFC PHY PDCP PDU RB RLC SCG PCell SDN UE UDN IDN TMN PBNM IDNM IETF QoS DTN NBI SBI DQN the Third-Generation Mobile Communicationsthe Fifth-Generation Mobile Communications the Sixth-Ge
69、neration Mobile Communications Artificial intelligence Bandwidth Part Central Unit Grade of servic Holographic-type communication Internet-of-things Internet Protocol Inter-satellite links Medium Access Control Master Cell Group Machine learning NR sensing protocol Non-access layer Orchestratable St
70、ack-Free Component-based packet forwarding protocol Physical Packet Data Convergence Protocol Protocol Data UnitRadio Bearer Radio link control Secondary Cell Group Primary CellSoft Definition Network User Equipment Ultra-Dense Network Intent-driven Netwok Telecommunication Management Network Policy
71、-based Network ManagementIntent-driven Networks Management Internet Engineering Task Force Quality of Service Digital Twins NetworkNorthBound Interface SouthBound Interface Deep Q-Network -27-下一代协议栈 5.0AbbreviationGrateful thanks to the following contributors for their wonderful work on this whitepa
72、per:Editors:CMCC CSCN XDU Contributors:Chih-Lin I,Qixing WangSun JunshuaiChungang Yang-28-下一代协议栈 5.0FuTURE FORUM is committed to cutting edge technologies study and applications.Controversies on some technical road-maps and methodologies may arise from time to time.FuTURE FORUM encourages open discu
73、ssion and exchange of ideas at all levels.The White Paper released by FuTURE FORUM represents the opinions which were agreed upon by all participating organizations and were supported by the majority of FuTURE FORUM members.The opinions contained in the White Paper does not necessarily represent a unanimous agreement of all FuTURE FORUM members.FuTURE FORUM welcomes all experts and scholars active participation in follow-on working group meetings and workshops.we also highly appreciate your valuable contribution to the FuTURE White Paper series.