羅鑒 雷波 鄭秀麗 杜宗鵬 李晶林

(1. 中興通訊股份有限公司,南京 210012;2. 中國(guó)電信股份有限公司研究院,北京 102209;3. 華為技術(shù)有限公司,北京 100095;4. 中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院,北京 100053;5. 新華三技術(shù)有限公司,北京 100094)

0 引言

傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Internet Protocol,IP)發(fā)展了數(shù)十年,是一項(xiàng)非常成功的技術(shù)?；贗P技術(shù),人類(lèi)社會(huì)的各類(lèi)經(jīng)濟(jì)、服務(wù)形式得以快速發(fā)展。作為信息傳輸?shù)闹匾浇?IP技術(shù)提供了目前為止較好的解決方案。然而,IP網(wǎng)絡(luò)的巨大成功并不能掩蓋其深層次的隱患與問(wèn)題。這些問(wèn)題使得IP網(wǎng)絡(luò)難以支撐更為多樣、復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求。在IP發(fā)展過(guò)程中,以國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(The Internet Engineering Task Force,IETF)為代表的標(biāo)準(zhǔn)化組織工作更傾向于關(guān)注具體工程技術(shù)細(xì)節(jié),補(bǔ)丁式、自底向上、無(wú)限責(zé)任的發(fā)展思路和標(biāo)準(zhǔn)制定模式使得標(biāo)準(zhǔn)體系過(guò)于龐大,一定程度上給產(chǎn)業(yè)化帶來(lái)了不利影響。

在通信的發(fā)展演進(jìn)中,歷經(jīng)了模擬網(wǎng)絡(luò)、分時(shí)復(fù)用(Time-Division Multiplexing,TDM)、異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode,ATM)和傳統(tǒng)IP四代不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上,網(wǎng)絡(luò)5.0產(chǎn)業(yè)和技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟提出了分組網(wǎng)絡(luò)頂層設(shè)計(jì)、分代演進(jìn)的發(fā)展思路。網(wǎng)絡(luò)5.0基于新的業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求,旨在構(gòu)建智能社會(huì)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)的超連接網(wǎng)絡(luò),其本質(zhì)是在接入服務(wù)、傳輸能力、組網(wǎng)架構(gòu)、智能自組織等方面提供多態(tài)化能力,將網(wǎng)絡(luò)從泛在連接設(shè)施向傳輸能力設(shè)施演進(jìn)。

本文基于網(wǎng)絡(luò)5.0產(chǎn)業(yè)和技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的研究,分析了網(wǎng)絡(luò)5.0應(yīng)用場(chǎng)景并闡述了其總體技術(shù)要求。

1 網(wǎng)絡(luò)5.0應(yīng)用場(chǎng)景

隨著社會(huì)數(shù)字化發(fā)展和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,未來(lái)分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)面向的應(yīng)用場(chǎng)景眾多,網(wǎng)絡(luò)5.0的應(yīng)用場(chǎng)景主要聚焦信息與通信技術(shù)(Information and Communications Technology,ICT)基礎(chǔ)設(shè)施化、移動(dòng)業(yè)務(wù)承載、產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、新媒體通信服務(wù)四大類(lèi)別,如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)5.0目標(biāo)場(chǎng)景類(lèi)別

1.1 ICT基礎(chǔ)設(shè)施化

交通設(shè)施、水電設(shè)施甚至ICT業(yè)已成為支撐社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施,但當(dāng)前信息技術(shù)(Information Technology,IT)資源與信息元設(shè)備的物理載體一體化仍然是普遍現(xiàn)象,這也造成了信息系統(tǒng)的碎片化問(wèn)題。IT資源與信息元設(shè)備的物理載體分離將是必然趨勢(shì),IT資源的整合是信息社會(huì)發(fā)展所必需的,IT資源也要成為基礎(chǔ)設(shè)施。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization,NFV)、云數(shù)據(jù)中心等技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一定階段。同時(shí),算力與網(wǎng)絡(luò)也在逐步融合并最終發(fā)展為算網(wǎng)一體并形成算力網(wǎng)絡(luò)。這些技術(shù)的發(fā)展將促使ICT成為基礎(chǔ)設(shè)施,從而很好地解決信息系統(tǒng)的碎片化問(wèn)題。算力網(wǎng)絡(luò)成為ICT基礎(chǔ)設(shè)施化的重要推動(dòng)技術(shù)。

人類(lèi)將步入智能社會(huì),智能是知識(shí)和智力的總和,映射到數(shù)字世界就是“數(shù)據(jù)+算力+算法”,其中算法需要通過(guò)科學(xué)家研究來(lái)實(shí)現(xiàn),海量數(shù)據(jù)來(lái)自于各行各業(yè)的人和物,數(shù)據(jù)的處理需要大量算力。隨著網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的發(fā)展,全球數(shù)據(jù)總量仍在持續(xù)增長(zhǎng),傳統(tǒng)集約化的數(shù)據(jù)中心算力和智能終端算力在可增長(zhǎng)空間方面面臨極大挑戰(zhàn)。在未來(lái)數(shù)據(jù)持續(xù)增長(zhǎng)的機(jī)器智能時(shí)代,只有“終端+數(shù)據(jù)中心”的兩級(jí)處理無(wú)法滿(mǎn)足要求,算力必然會(huì)從云和端向網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行擴(kuò)散。數(shù)據(jù)處理會(huì)出現(xiàn)三級(jí)架構(gòu):終端、邊緣和數(shù)據(jù)中心,邊緣處理能力未來(lái)幾年將高速增長(zhǎng),尤其是隨著5G網(wǎng)絡(luò)的全面建設(shè),其大帶寬和低時(shí)延的特征,將加速算力需求從云和端向邊緣擴(kuò)散。

為充分利用和靈活調(diào)度端、邊、云的算力資源,未來(lái)網(wǎng)絡(luò)可將計(jì)算能力狀況和網(wǎng)絡(luò)狀況作為路由信息發(fā)布到網(wǎng)絡(luò),即將算力信息作為路由的一個(gè)重要要素。由此,網(wǎng)絡(luò)可結(jié)合其鏈路及其所連接的計(jì)算資源的實(shí)時(shí)狀況,將具備不同需求的業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)地導(dǎo)入到最合適的計(jì)算節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行計(jì)算任務(wù),從而實(shí)現(xiàn)用戶(hù)體驗(yàn)、計(jì)算資源利用率和網(wǎng)絡(luò)效率的最優(yōu)。進(jìn)一步地,通過(guò)動(dòng)態(tài)優(yōu)化連接的特性,如帶寬、時(shí)延等特性,可為計(jì)算資源的動(dòng)態(tài)利用提供更好的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)保證,即通過(guò)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)的融合,可以充分調(diào)度網(wǎng)絡(luò)中的各種計(jì)算能力為相應(yīng)的應(yīng)用提供服務(wù)。

ICT基礎(chǔ)設(shè)施化對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求體現(xiàn)在如下3個(gè)方面。

(1)網(wǎng)絡(luò)通用功能需求:超高帶寬、高QoS保證(比如低丟包率、低延遲、低抖動(dòng));確定性時(shí)延保證,轉(zhuǎn)發(fā)路徑的時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)可控,時(shí)延抖動(dòng)不隨轉(zhuǎn)發(fā)路徑節(jié)點(diǎn)跳數(shù)累加,即業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)文端到端轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延和抖動(dòng)都有嚴(yán)格上限,每條業(yè)務(wù)的時(shí)延、抖動(dòng)可以測(cè)量;網(wǎng)絡(luò)可信,因涉及數(shù)據(jù)的處理,企業(yè)對(duì)算力的處理有可信性、價(jià)值可量化、可交易;接入方式多樣化,如實(shí)現(xiàn)包括混合現(xiàn)實(shí)(Mixed Reality,MR)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,AR)攝像頭/機(jī)器人等多種靈活的無(wú)線(xiàn)接入方式。

(2)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需求:為適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)支持集中式、分布式、混合模式等多種部署模式。

(3)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議需求:在控制層面,控制協(xié)議對(duì)算力資源信息及狀態(tài)信息進(jìn)行通告和同步,以供算網(wǎng)路由表的創(chuàng)建,以及算網(wǎng)路由策略的生成;在轉(zhuǎn)發(fā)層面,SRv6/SFC等通過(guò)節(jié)點(diǎn)功能和封裝擴(kuò)展,納入算力功能實(shí)例的封裝、識(shí)別和轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2 移動(dòng)業(yè)務(wù)承載

從3G、4G到5G,移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)范疇的擴(kuò)展進(jìn)一步豐富了電信網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)環(huán)境。制造、交通、能源、醫(yī)療、政務(wù)系統(tǒng)等很多傳統(tǒng)行業(yè)都將參與到電信生態(tài)環(huán)境的建設(shè)中。5G是人類(lèi)將數(shù)字化從個(gè)人娛樂(lè)為主,推向全連接社會(huì)的起點(diǎn)。5G技術(shù)的應(yīng)用將從多個(gè)層面對(duì)人們的生活和生產(chǎn)產(chǎn)生影響。國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)在其規(guī)范中定義了如下3種5G典型應(yīng)用場(chǎng)景。

增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(Enhanced Mobile Broadband,eMBB):eMBB實(shí)現(xiàn)了廣域和局部熱點(diǎn)大容量覆蓋,可滿(mǎn)足各類(lèi)新興業(yè)務(wù)的移動(dòng)性、連續(xù)性、高速率和高密度需求。比如高速移動(dòng)上網(wǎng)、隨時(shí)隨地云存取、隨時(shí)隨地高清視頻直播和分享、虛擬現(xiàn)實(shí)等。

海量物聯(lián)網(wǎng)通信(Massive Machine-Type Communication,mMTC):mMTC定位于以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用,具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、低成本、海量連接的特點(diǎn),要求支持百萬(wàn)/平方千米連接數(shù)密度,比如環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能抄表、智能農(nóng)業(yè)等。

高可靠低時(shí)延通信(Ultra-Relaible and Low Latency Communication,uRLLC):uRLLC定位于用戶(hù)提供毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證,主要面向車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、智能制造、智能交通物流等各類(lèi)垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用。

5G承載網(wǎng)絡(luò)提供了5G核心網(wǎng)網(wǎng)元的連接服務(wù)。為滿(mǎn)足其關(guān)鍵的應(yīng)用場(chǎng)景,5G移動(dòng)業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)需求主要包括大帶寬、低時(shí)延、大連接以及移動(dòng)性管理共4個(gè)方面,具體如下所述。

大帶寬:移動(dòng)業(yè)務(wù)類(lèi)型繁多,帶寬需求特別是視頻類(lèi)業(yè)務(wù)的帶寬需求持續(xù)增加,移動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)需支持移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)高帶寬需求。

低時(shí)延:未來(lái)網(wǎng)絡(luò)所需支持的業(yè)務(wù),如遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)控制等,對(duì)端到端低時(shí)延有著明確的需求,同時(shí)還需要在穩(wěn)定性、可預(yù)期性上提供新能力。例如,根據(jù)3GPP相關(guān)數(shù)據(jù),其要求uRLLC業(yè)務(wù)用戶(hù)面時(shí)延小于0.5 ms,控制面時(shí)延小于10 ms;對(duì)于eMBB業(yè)務(wù),則要求其用戶(hù)面時(shí)延小于4 ms,控制面時(shí)延小于10 ms。移動(dòng)承載網(wǎng)技術(shù)需要提供可靠穩(wěn)定的服務(wù)能力,做到端到端的超低時(shí)延、超低抖動(dòng),能夠解決因突發(fā)流量匯聚導(dǎo)致的排隊(duì)時(shí)延增大問(wèn)題,向用戶(hù)提供可承諾的網(wǎng)絡(luò)承載能力,支撐業(yè)務(wù)發(fā)展。

大連接:海量設(shè)備接入(其中每個(gè)連接所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量可能會(huì)很小)會(huì)對(duì)控制面信令過(guò)程以及用戶(hù)面?zhèn)鬏旈_(kāi)銷(xiāo)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。例如,在5G網(wǎng)絡(luò)中,連接密度可能達(dá)到百萬(wàn)/平方千米。因此,需要在5G網(wǎng)絡(luò)中降低信令過(guò)程開(kāi)銷(xiāo)以及用戶(hù)面?zhèn)鬏數(shù)馁Y源開(kāi)銷(xiāo)。

移動(dòng)性管理:5G及后續(xù)的移動(dòng)代際網(wǎng)絡(luò)面臨的業(yè)務(wù)種類(lèi)復(fù)雜多樣,很多業(yè)務(wù)需要在高速移動(dòng)的終端設(shè)備上展開(kāi)。例如,車(chē)聯(lián)網(wǎng)需要保證高速移動(dòng)下的車(chē)載業(yè)務(wù)不中斷,以保證車(chē)輛安全駕駛及用戶(hù)體驗(yàn)。傳統(tǒng)IP的移動(dòng)性管理依靠錨點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的終端和網(wǎng)絡(luò)連接,移動(dòng)用戶(hù)與錨點(diǎn)間通過(guò)隧道連接,復(fù)雜性較高。因此為適應(yīng)更多類(lèi)型的業(yè)務(wù)需求,移動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)支持更靈活高效的按需和泛在移動(dòng)性,保證在移動(dòng)高頻切換情況下的會(huì)話(huà)連續(xù),從而確保超低時(shí)延情況下的業(yè)務(wù)連續(xù)。

進(jìn)一步地,5G網(wǎng)絡(luò)不僅需要提供園區(qū)范圍內(nèi)的端到端(End-to-End,E2E)服務(wù),而且有希望能夠提供跨廣域網(wǎng)絡(luò)的端到端高質(zhì)量服務(wù)。因此,作為5G E2E業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的一部分,其承載網(wǎng)絡(luò)也需要能夠支持大帶寬、高可靠、低時(shí)延、確定性等高品質(zhì)網(wǎng)絡(luò)連接。

1.3 產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)就是利用現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)把產(chǎn)業(yè)各要素、各環(huán)節(jié)全部數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化,從而將互聯(lián)網(wǎng)從消費(fèi)端帶入生產(chǎn)端,促進(jìn)各種垂直行業(yè)整體轉(zhuǎn)型升級(jí)。產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將促使組織重構(gòu)以及業(yè)務(wù)流程生產(chǎn)方式重組變革,進(jìn)而形成新的產(chǎn)業(yè)協(xié)作、資源配置和價(jià)值創(chuàng)造體系。從垂直行業(yè)維度來(lái)看,智慧醫(yī)療、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等均可視作產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的范圍(如圖2所示)。

圖2 產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)示意圖

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展,5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)深度融入經(jīng)濟(jì)社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域,包括工業(yè)、能源、交通、醫(yī)療、教育等各行各業(yè),為整個(gè)社會(huì)帶來(lái)全方位深層次的影響。網(wǎng)絡(luò)5.0基于新應(yīng)用與新業(yè)務(wù)的接入和承載需求,在繼承既有IP網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化管理面、控制面和數(shù)據(jù)面,連接分散的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)等資源,構(gòu)建一體化的新型ICT基礎(chǔ)設(shè)施,向各相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供網(wǎng)絡(luò)能力、計(jì)算能力及數(shù)據(jù)能力服務(wù),并使其更加有效地滿(mǎn)足萬(wàn)物互聯(lián)、萬(wàn)物智能、萬(wàn)物感知的需求。本文將簡(jiǎn)單介紹工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)以及智慧醫(yī)療這4種典型產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需求。

(1)支持海量工業(yè)終端接入:智能制造工廠(chǎng)需要接入海量的工控設(shè)備和傳感器等,需要支持高效、可靠的網(wǎng)絡(luò)連接和通信,并支持節(jié)能降耗。

(2)支持設(shè)備終端可信接入:工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)需要支持工業(yè)終端設(shè)備接入的識(shí)別和可信性,防止終端非法接入、非法訪(fǎng)問(wèn)、越權(quán)操作以及破壞工業(yè)控制等。

(3)路由可信:工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)需要支持分支機(jī)構(gòu)互聯(lián)、外部系統(tǒng)接入的可信性,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可信路由。

(4)滿(mǎn)足工業(yè)控制連接的網(wǎng)絡(luò)確定性:支持云端控制器系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制工業(yè)終端設(shè)備,支持網(wǎng)絡(luò)從云端控制系統(tǒng)到終端之間網(wǎng)絡(luò)的確定性,包括帶寬、低時(shí)延和低抖動(dòng)、零丟包等質(zhì)量保障;支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不同分支系統(tǒng)以及外部連接的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求,包括網(wǎng)絡(luò)的帶寬保障、可靠性保障等。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需求。

(1)支持車(chē)網(wǎng)之間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的確定性:支持車(chē)輛定位、感知和控制系統(tǒng)與云服務(wù)平臺(tái)以及車(chē)車(chē)之間互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)確定性;提供端到端的高帶寬、低時(shí)延、低抖動(dòng)和低丟包的服務(wù)質(zhì)量保障。

(2)支持車(chē)載的數(shù)據(jù)網(wǎng)連接、音視頻的高帶寬服務(wù):支持車(chē)載無(wú)線(xiàn)、音視頻系統(tǒng)的高帶寬接入,并提供相應(yīng)的QoS保障。

(3)車(chē)輛終端的可信接入和訪(fǎng)問(wèn):網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性使得車(chē)輛通信終端容易被仿冒,高動(dòng)態(tài)性的連接不容易追蹤,需要提供終端的可信身份認(rèn)證,并提供防護(hù)能力,避免車(chē)輛遭受分布式拒絕服務(wù)(Distributed Denial of Service,DDoS)攻擊導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞,無(wú)法保障網(wǎng)絡(luò)確定性,擴(kuò)大安全風(fēng)險(xiǎn)。

(4)車(chē)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的可信傳輸:車(chē)機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)需要提供可信傳輸能力,保障數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中不被截取。

能源互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需求。

(5)泛在連接:海量電力物聯(lián)網(wǎng)的終端接入,需要保證終端的高性能、高可靠接入,提供服務(wù)質(zhì)量保障。

(6)控制系統(tǒng)通信的網(wǎng)絡(luò)確定性:針對(duì)控制類(lèi)終端提供低時(shí)延、低抖動(dòng)以及零丟包的確定性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。

(7)終端接入可信安全:需要提供接入終端的身份可信驗(yàn)證,防止終端仿冒和非法訪(fǎng)問(wèn)。

(8)網(wǎng)絡(luò)的可信路由:能源互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)需要提供安全可信的互聯(lián)和路由轉(zhuǎn)發(fā)。

智慧醫(yī)療場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需求。

(1)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程連接的確定性:高帶寬、低時(shí)延、低抖動(dòng)以及可靠性滿(mǎn)足遠(yuǎn)程診斷、檢查的需求。

(2)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生安全能力支持醫(yī)療終端接入和醫(yī)療系統(tǒng)互聯(lián)的安全性。

1.4 新媒體通信服務(wù)

基于目前對(duì)網(wǎng)絡(luò)5.0的研究,可以發(fā)現(xiàn)通信媒體從文本、圖像、語(yǔ)音、視頻向更多維度的VR/AR和全息通信發(fā)展。實(shí)際上,新媒體通信是在圍繞人的五官感受(“五覺(jué)”)持續(xù)演進(jìn)(見(jiàn)圖3),從而為用戶(hù)提供越來(lái)越身臨其境的溝通體驗(yàn)。

圖3 通信媒體發(fā)展示意圖

二維平面視頻通信當(dāng)前已成為網(wǎng)絡(luò)主要流量,但其發(fā)展已接近人眼生理極限。人眼的視覺(jué)系統(tǒng)是一種復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng),對(duì)圖像的認(rèn)知與光線(xiàn)波長(zhǎng)、亮度、瞳孔直徑等因素有關(guān)。根據(jù)視敏函數(shù),選取對(duì)人類(lèi)視覺(jué)最敏感的555 nm的光線(xiàn),按照5 mm的平均瞳孔直徑,依據(jù)瑞麗判據(jù)(Rayleigh criterion),人眼的極限角分辨率約為130 PPD[1]。

視頻向三維空間上的躍進(jìn)將觸發(fā)抽象二維信息向直觀三維信息的轉(zhuǎn)變,三維沉浸視頻成為視頻技術(shù)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)趨勢(shì),全息通信是三維沉浸視頻通信的主要體現(xiàn)形式之一。全息通信是指利用全息顯示技術(shù)獲取處于遠(yuǎn)程位置的人和周?chē)矬w的圖像,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸全息數(shù)據(jù),在終端處使用激光束投射,以全息圖的方式投影出實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)立體影像,并能夠與之交互的新型通信方式。

全息通信信息媒體的全息圖特別是動(dòng)態(tài)全息圖包含了大量復(fù)雜的多維新興數(shù)據(jù)。在信息傳輸中只有所有維度的信息嚴(yán)格同步,用戶(hù)才能感受到交互的真實(shí)感和沉浸感。相較于二維動(dòng)態(tài)圖像,動(dòng)態(tài)全息對(duì)帶寬的需求擴(kuò)大了幾百倍甚至幾千倍,達(dá)到約Tbit/s級(jí)別。同時(shí),動(dòng)態(tài)全息圖刷新頻率底線(xiàn)為人眼感知連續(xù)動(dòng)畫(huà)的底線(xiàn),即24 FPS(實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景一般設(shè)為30 FPS),實(shí)際的良好視覺(jué)體驗(yàn)需要60 FPS或以上[1],所以連續(xù)幀間時(shí)延達(dá)到毫秒級(jí)別。因此,全息通信不僅需要超高通量的傳輸能力,還需要確定性的超低時(shí)延與抖動(dòng)。為滿(mǎn)足全息通信遠(yuǎn)距離、多數(shù)據(jù)源的協(xié)同傳輸需求,在未來(lái)可能需要新的傳輸協(xié)議。

全息通信類(lèi)服務(wù)應(yīng)用廣泛,可應(yīng)用于游戲娛樂(lè)、遠(yuǎn)程視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程醫(yī)療、在線(xiàn)教育等領(lǐng)域。遠(yuǎn)程全息視頻會(huì)議可將遠(yuǎn)程參與者作為全息圖投射到本地會(huì)議室,而全息遠(yuǎn)程培訓(xùn)和在線(xiàn)教育則可以為用戶(hù)提供從遠(yuǎn)程位置與超現(xiàn)實(shí)全息物體進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互的能力,增強(qiáng)教學(xué)的現(xiàn)場(chǎng)感和沉浸感,提升教學(xué)效果。全息圖的實(shí)時(shí)處理通常選擇在靠近用戶(hù)側(cè)的地方進(jìn)行,這樣可以充分利用近端的計(jì)算能力并節(jié)省對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。需要關(guān)注的是,相較于對(duì)二維圖像的處理,全息圖的處理需要耗費(fèi)較高的計(jì)算資源,同時(shí),其對(duì)邊緣計(jì)算有著更嚴(yán)格的時(shí)延要求。此外,由于全息通信類(lèi)服務(wù)涉及大量的包括人臉生物識(shí)別特征在內(nèi)的用戶(hù)隱私數(shù)據(jù),在通信過(guò)程中如何保護(hù)用戶(hù)的隱私數(shù)據(jù)、進(jìn)行身份驗(yàn)證和審計(jì)也成為需要解決的重要問(wèn)題。

新媒體通信服務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)需求主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)性能、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、安全性和可靠性這4個(gè)方面。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的需求主要包括超大帶寬和低時(shí)延。就超大帶寬而言,全息圖的傳輸通常需要比現(xiàn)有任何媒體技術(shù)大很多的網(wǎng)絡(luò)帶寬,真人大小的單流圖像甚至需要Tbit/s級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)帶寬。在媒體技術(shù)向全息裸眼三維的演進(jìn)過(guò)程中,也許有其他的中間類(lèi)全息技術(shù)對(duì)應(yīng)相對(duì)低的帶寬需求,但是真全息網(wǎng)絡(luò)帶寬需求,可以作為遠(yuǎn)期場(chǎng)景被關(guān)注。就低時(shí)延而言,類(lèi)似于極致的二維圖像游戲或者VR/AR游戲體驗(yàn),良好的用戶(hù)體驗(yàn)對(duì)全息圖的刷新頻率需求是非?？量痰?其帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延需求通常要求達(dá)到毫秒級(jí)別。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求主要體現(xiàn)在超大帶寬帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變革和對(duì)邊緣計(jì)算的架構(gòu)需求。就超大帶寬帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變革而言,全息流的傳輸速率在幾十Gbit/s到Tbit/s的級(jí)別[2],考慮到未來(lái)多流多用戶(hù)使用的場(chǎng)景,例如,如何滿(mǎn)足10萬(wàn)個(gè)10 Gbit/s的用戶(hù)數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)應(yīng)用,如何滿(mǎn)足50人的遠(yuǎn)程真人全息會(huì)議且保證用戶(hù)顯示體驗(yàn),此類(lèi)應(yīng)用必然對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出變革性挑戰(zhàn)。就對(duì)邊緣計(jì)算的架構(gòu)需求而言,全息圖的實(shí)時(shí)計(jì)算通常需要在靠近用戶(hù)側(cè)進(jìn)行,這樣可以用計(jì)算能力換取網(wǎng)絡(luò)帶寬需求,但是全息圖的計(jì)算相比二維圖像的各種操作要耗費(fèi)大量的計(jì)算資源,其對(duì)邊緣計(jì)算的需求,結(jié)合時(shí)延限制,必然會(huì)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。

就對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的需求而言,在3D全息通信中,根據(jù)本文研究,單個(gè)全息數(shù)據(jù)塊大小約為50 MB,且其在顯示端不能亂序,雖然文中采用了應(yīng)用層結(jié)合傳統(tǒng)TCP技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地有線(xiàn)傳輸,但是為滿(mǎn)足其遠(yuǎn)距離、多數(shù)據(jù)源的協(xié)同傳輸需求,在未來(lái)可能需要新的傳輸協(xié)議。

就對(duì)安全性和可靠性的需求而言,裸眼三維全息圖像的傳輸技術(shù),在未來(lái)成熟以后,可能作為一種新媒體平臺(tái)技術(shù),使能或者內(nèi)嵌在各種垂直行業(yè)的應(yīng)用中,如社交、游戲、遠(yuǎn)程工業(yè)診斷、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程機(jī)器操控等應(yīng)用。對(duì)應(yīng)一些敏感業(yè)務(wù)應(yīng)用,相應(yīng)的高安全性網(wǎng)絡(luò)需求成為必然。

2 總體技術(shù)要求

網(wǎng)絡(luò)5.0聚焦于ICT基礎(chǔ)設(shè)施化、產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)業(yè)務(wù)承載、新媒體通信服務(wù)四大類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景,除了對(duì)網(wǎng)絡(luò)有高帶寬、大連接、低時(shí)延等通用性要求外,還對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出更高的技術(shù)需求,可概括總結(jié)為內(nèi)生安全可信、確定性網(wǎng)絡(luò)、資源感知和管控、算力感知和路由能力、語(yǔ)義可定義的新標(biāo)識(shí)、可運(yùn)營(yíng)新組播和網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性這幾個(gè)方面。

2.1 內(nèi)生安全可信需求

網(wǎng)絡(luò)的安全可信是保證網(wǎng)絡(luò)可靠運(yùn)行及業(yè)務(wù)開(kāi)展的基本保證。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)重點(diǎn)關(guān)注邊界的安全防護(hù),一般是在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上疊加安全防護(hù)功能,其安全防護(hù)效果已經(jīng)不能適應(yīng)飛速變化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求。由于IP網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)之初只重點(diǎn)關(guān)注連通性而忽視安全性,致使現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)一直以來(lái)只能通過(guò)增加防火墻等安全設(shè)備給予補(bǔ)丁式修補(bǔ)進(jìn)行被動(dòng)防御,以及通過(guò)用戶(hù)認(rèn)證通道加密等手段進(jìn)行基本底線(xiàn)防御來(lái)完成安全防護(hù)。然而,在網(wǎng)絡(luò)中,IP地址偽造、隱私泄露、中間人攻擊、DDoS攻擊、基于系統(tǒng)漏洞的攻擊、未知威脅攻擊等頑固安全問(wèn)題依然層出不窮,依靠基于外部系統(tǒng)和疊加技術(shù)實(shí)現(xiàn)的加密、隧道、感知等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)功能難以為繼,持續(xù)產(chǎn)生的安全問(wèn)題難以根治。為從根本上提升網(wǎng)絡(luò)的安全能力,內(nèi)生安全可信成為網(wǎng)絡(luò)5.0的關(guān)鍵需求。

內(nèi)生安全可信網(wǎng)絡(luò)是以信任為基礎(chǔ),以可信標(biāo)識(shí)為錨點(diǎn),具有去中心化共識(shí)機(jī)制,具備內(nèi)在自免疫可進(jìn)化安全能力的網(wǎng)絡(luò)安全體系。基于對(duì)用戶(hù)及其流量、設(shè)備、管控方不完全信任的假設(shè),內(nèi)生安全網(wǎng)絡(luò)從整體、系統(tǒng)層次(包括但又不限于在路由轉(zhuǎn)發(fā)層)全面建立網(wǎng)絡(luò)的安全免疫、防御保護(hù)和審計(jì)等內(nèi)生安全可信機(jī)制。

2.2 確定性網(wǎng)絡(luò)需求

確定性網(wǎng)絡(luò)是指為確定性業(yè)務(wù)流提供確定性服務(wù)的網(wǎng)絡(luò),包括滿(mǎn)足報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)延上下界、有界抖動(dòng)、低丟包率等要求。與此同時(shí),業(yè)務(wù)的時(shí)延和抖動(dòng)的上限是可控和可測(cè)量的。確定性網(wǎng)絡(luò)可為特定的業(yè)務(wù)流提供端到端的可預(yù)期、可保證、可度量的精準(zhǔn)傳輸。確定性網(wǎng)絡(luò)需要滿(mǎn)足資源確定性、路由確定性和時(shí)間確定性需求。

資源確定性需求。網(wǎng)絡(luò)資源包括節(jié)點(diǎn)、鏈路、端口、帶寬、隊(duì)列資源等,資源確定性需求要求對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行確定性資源規(guī)劃和編排,包括資源建模、資源重構(gòu)、資源洪泛及上報(bào)、資源分配及預(yù)留、資源獨(dú)占及共享、資源隔離、資源調(diào)度等。為了滿(mǎn)足確定性業(yè)務(wù)需求,需要對(duì)資源進(jìn)行分類(lèi),包括超低時(shí)延資源、低時(shí)延資源、低抖動(dòng)資源等。資源確定性通過(guò)為業(yè)務(wù)流預(yù)留資源,保障確定性業(yè)務(wù)的時(shí)延、抖動(dòng)等需求。如果網(wǎng)絡(luò)資源足夠,則可以消除擁塞、丟包等,達(dá)到低時(shí)延、低抖動(dòng)的需求;如果網(wǎng)絡(luò)資源不足,則需要對(duì)確定性流進(jìn)行擁塞控制、隊(duì)列調(diào)度等,或者利用L1層資源提供直通式通道、靈活以太網(wǎng)管道等進(jìn)一步對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行重構(gòu)。

路由確定性需求。路由確定性需求是指需要選定確定性業(yè)務(wù)流的網(wǎng)絡(luò)路徑,確保至少在業(yè)務(wù)駐留期間路由的穩(wěn)定性,路徑不隨網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶?shí)時(shí)變化而發(fā)生改變。這一技術(shù)確保了確定性流的傳輸路徑相對(duì)固定,是保證時(shí)延和抖動(dòng)的重要技術(shù)支持。路由確定性是基于資源確定性的增強(qiáng),需要進(jìn)一步提供攜帶服務(wù)等級(jí)協(xié)議(Service-Level Agreement,SLA)能力的預(yù)路由,生成自身具有確定性能力的內(nèi)生確定性路由,該路由同時(shí)具備路徑轉(zhuǎn)發(fā)及QoS保障功能。路由的類(lèi)型可以按照確定性需求劃分為超低時(shí)延路由、低時(shí)延路由、低抖動(dòng)路由、復(fù)制消除路由、聚合路由等。內(nèi)生確定性路由包括顯式的嚴(yán)格路由和松散路由等,路徑建立的方式包括流量工程技術(shù)(MPLS-TE、SR-TE、靜態(tài)配置等)、內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(Interior Gateway Protocol,IGP)技術(shù)等。顯式的嚴(yán)格路由可以保障業(yè)務(wù)的時(shí)延抖動(dòng)等需求,松散路由只生成部分內(nèi)生確定性路由,其他路由仍需要轉(zhuǎn)發(fā)和調(diào)度,如動(dòng)態(tài)資源感知路由及隊(duì)列調(diào)度等。

時(shí)間確定性需求。時(shí)間確定性需求是在提供資源和路由確定性基礎(chǔ)上,對(duì)業(yè)務(wù)流進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃及選路,保證每條流的時(shí)延抖動(dòng)控制,滿(mǎn)足確定性業(yè)務(wù)時(shí)延抖動(dòng)等確定性需求。時(shí)間確定性要求對(duì)確定性流進(jìn)行規(guī)劃,包括對(duì)確定性業(yè)務(wù)進(jìn)行分級(jí)調(diào)度,限制并發(fā)流數(shù),減少微突發(fā);在邊界節(jié)點(diǎn)進(jìn)行整形;在聚合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流聚合等,減少流狀態(tài)維護(hù);在復(fù)制消除節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流復(fù)制或消除等,保障可靠性等。在資源及路由確定性基礎(chǔ)上,時(shí)間確定性要求對(duì)確定性流進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)延預(yù)算及選路,保證每條流滿(mǎn)足確定性業(yè)務(wù)需求。

網(wǎng)絡(luò)5.0的應(yīng)用場(chǎng)景及用戶(hù)具有多樣化確定性業(yè)務(wù)承載需求,不同業(yè)務(wù)對(duì)確定性SLA指標(biāo)的需求不一致,網(wǎng)絡(luò)5.0需要根據(jù)確定性需求對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行確定性分級(jí)分類(lèi)。

2.3 資源感知和管控需求

網(wǎng)絡(luò)將面臨一體化的資源感知和管控需求,這里的資源不僅包括要及時(shí)、準(zhǔn)確了解資源使用方的需求,還包括感知資源供給方的資源動(dòng)態(tài)提供能力。同時(shí),網(wǎng)絡(luò)提供的高質(zhì)量傳輸能力也需要納入一體化資源感知和管控體系。因此,網(wǎng)絡(luò)5.0需要對(duì)網(wǎng)內(nèi)的各種資源的需求和供給都能夠清晰感知并開(kāi)展管控。

網(wǎng)絡(luò)資源的感知需求包括資源感知的能力要求、資源感知的實(shí)現(xiàn)手段以及資源感知的部署。網(wǎng)絡(luò)將逐步建立網(wǎng)內(nèi)資源的感知體系,實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)、應(yīng)用的更高效支持。同時(shí),網(wǎng)絡(luò)5.0也將立足感知能力,逐步具備對(duì)網(wǎng)內(nèi)資源的管控能力。作為網(wǎng)絡(luò)5.0管理中的重要構(gòu)成部分,網(wǎng)絡(luò)資源的管控需求包括管理需求、控制需求、分析需求以及數(shù)字孿生需求。

基于網(wǎng)絡(luò)資源感知,網(wǎng)絡(luò)5.0支持網(wǎng)絡(luò)資源的智能管控,包括管理、控制、分析以及數(shù)字孿生。

2.4 算力感知和路由能力

算網(wǎng)融合系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)對(duì)算力的感知需求、網(wǎng)絡(luò)對(duì)算力的編排和路由需求、算力度量和標(biāo)識(shí)的需求、算網(wǎng)融合需求4部分。

網(wǎng)絡(luò)對(duì)算力的感知需求包括:感知多種顆粒度算力資源,包括鎖定、釋放、調(diào)度算力資源以及規(guī)避故障算力資源;針對(duì)算力資源建立資源供給者算力注冊(cè)和調(diào)度平臺(tái),包括供給方資質(zhì)和資源可信認(rèn)證,基于信用體系開(kāi)展商業(yè)模式創(chuàng)新;針對(duì)層次化算力資源顆粒度,構(gòu)建層次化的算力感知體系,比如基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Infrastructure as a Service,IaaS)、平臺(tái)即服務(wù)(Platform as a Service,PaaS)、函數(shù)即服務(wù)(Function-as-a-Service,FaaS)等;算力的呈現(xiàn)形式可以是虛機(jī)、容器、功能、算法等,異構(gòu)計(jì)算資源建議通過(guò)前述系統(tǒng)進(jìn)行納管。

網(wǎng)絡(luò)對(duì)算力的編排和路由需求包括:構(gòu)建基于算力感知的算力路由表,包括算力基礎(chǔ)信息及算力動(dòng)態(tài)信息,如算力節(jié)點(diǎn)地址、端口、算力實(shí)例地址及狀態(tài)等;網(wǎng)絡(luò)需要準(zhǔn)確感知應(yīng)用的算力SLA;網(wǎng)絡(luò)能夠針對(duì)算力轉(zhuǎn)發(fā)做出SLA承諾;網(wǎng)絡(luò)基于算力路由表執(zhí)行算力路由策略。

算力度量和標(biāo)識(shí)的需求包括:建立層次化算力資源和服務(wù)顆粒度的算力度量體系;建立全局語(yǔ)義的層次化算力標(biāo)識(shí)體系。

算網(wǎng)融合需求包括:算力和網(wǎng)絡(luò)全局資源視圖的統(tǒng)一創(chuàng)建;執(zhí)行基于算力、網(wǎng)絡(luò)SLA的雙重融合優(yōu)化路由策略;算網(wǎng)融合路由機(jī)制與現(xiàn)有IP路由架構(gòu)平滑兼容,中間IP骨干節(jié)點(diǎn)算力無(wú)狀態(tài)。

2.5 語(yǔ)義可定義的新標(biāo)識(shí)需求

網(wǎng)絡(luò)5.0的目的是在統(tǒng)一的框架下連接多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)萬(wàn)網(wǎng)互聯(lián)。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)5.0將進(jìn)一步與SDN架構(gòu)無(wú)縫融合,網(wǎng)絡(luò)將具備更多的可編程、可編排特性。因此,網(wǎng)絡(luò)5.0技術(shù)可能將針對(duì)IP協(xié)議的可編程可編排特性的需求,增加新的語(yǔ)義可定義的標(biāo)識(shí)以及基于新型標(biāo)識(shí)進(jìn)行路由的能力,從而滿(mǎn)足異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的需求。

2.6 可運(yùn)營(yíng)新組播需求

當(dāng)今視頻流量已成為互聯(lián)網(wǎng)流量主體。以視頻會(huì)議和在線(xiàn)教育為代表的網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用出現(xiàn)井噴式的發(fā)展,但傳統(tǒng)組播技術(shù)無(wú)法在互聯(lián)網(wǎng)中得到有效應(yīng)用,大量的視頻流量通過(guò)內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行傳輸,這種依賴(lài)于流媒體服務(wù)器的應(yīng)用層組播方式在傳輸時(shí)延、丟包、性能上存在無(wú)法解決的“瓶頸”,抑制了基于AR/VR、AI等需要大規(guī)模、大帶寬、可靠低時(shí)延、有確定性SLA的傳輸保障的新型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用。

面向垂直行業(yè),產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)也帶來(lái)了新的組播需求場(chǎng)景。4K/8K超高清視頻已在不斷推廣,而傳統(tǒng)的串行數(shù)字接口設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足大規(guī)模超高清視頻的制作和傳輸需求,傳統(tǒng)的制播網(wǎng)絡(luò)需要高可靠、可規(guī)劃的IP組播技術(shù)來(lái)進(jìn)行媒體資源調(diào)度。

2.7 網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性需求

網(wǎng)絡(luò)5.0在滿(mǎn)足新業(yè)務(wù)需求的情況下,需要網(wǎng)絡(luò)的高可擴(kuò)展性以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通?？蓴U(kuò)展性主要包括網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)的可擴(kuò)展性、地址的可擴(kuò)展性以及網(wǎng)絡(luò)路由的可擴(kuò)展性。

3 結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)5.0是第5代數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)稱(chēng),秉承“以網(wǎng)絡(luò)為中心、能力內(nèi)生”的設(shè)計(jì)理念,在現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基礎(chǔ)上,提供確定性、內(nèi)生安全可信、服務(wù)可知可控等多方面網(wǎng)絡(luò)能力。網(wǎng)絡(luò)5.0通過(guò)做強(qiáng)網(wǎng)絡(luò),主動(dòng)向各類(lèi)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)能力、計(jì)算能力以及數(shù)據(jù)能力服務(wù),降低端側(cè)應(yīng)用復(fù)雜度,提升服務(wù)質(zhì)量與網(wǎng)絡(luò)效率,降低能耗開(kāi)銷(xiāo),保障可信安全,形成以網(wǎng)絡(luò)為能力主體與責(zé)任主體的全新網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)生態(tài)與治理體系。