6G智简可编程网络

杨峰义 刘 洋 王晴天 刘海涛

中国电信研究院 北京 102209

引言

随着5G商用的推进，越来越多的5G基站在积极推进建设，5G网络的快捷便利也在逐步融入人们的生活当中。在5G快速发展的背景下，业界也在积极推进6G技术。6G相关的研究也在学术界和工业界积极开展，国际电信联盟(ITU)已经开启了6G愿景和技术趋势的研究，第三代合作伙伴计划(3GPP)预计在2023年开启6G的研究，相关的国际标准也将在2025年展开[1]。欧美等国家也相继开展了6G的相关研究，我国的IMT2030也针对6G内容进行了全面的研究。

6G的发展必定是基于5G的基础，但当前的5G仍然存在网络体系复杂、应用适配困难等问题，6G在研究过程需规避这些问题。预期6G在5G基础上，进一步拓展智能化互联，未来6G业务呈现出沉浸化、智能化的发展趋势，形成如全息通信、智能交互、通信感知等多方面业务应用，将极大丰富生活使用场景。5G已经在通信性能指标上达到较高水平，较多的如工业互联网等场景的应用，为产业界带来了更多的可能，未来 6G的发展，将会继续延续5G时期的优势，因此5G在垂直行业领域的应用能够为6G发展打下坚实基础。人工智能与通信技术的更深度融合问题、频谱资源紧张问题下6G的频谱规划问题、地面蜂窝网络与卫星和空中平台的通信关系问题等都是6G在发展中需要积极面对的挑战。随着产业界需求的提升，6G也将需要支撑更加多样和复杂的场景需求，6G网络也需要针对场景按需分配资源，实现定制化的服务。

6G网络结构的多样化和应用场景的定制化，为网络体系提出了新的挑战，因此需要出现一种新的网络框架去简化网络流程，智能化的元素提升网络自动化水平，同样也需要统一的接口适配多样化的场景，本文接下来将阐述6G网络的特点，然后给出6G智简网络方案。

1 6G网络特点

1.1 天地一体

目前，业界关注的6G天地一体化基本设想是空天地一体化网络(Space-Air-Ground Integrated Network，SAGIN)[2]，集成卫星系统、航空系统和地面通信系统。建设该网络需要深度结合天基网络、空基网络、地基网络，在不同空间维度上发挥自身优势，目标是突破网络体制的边界限制，进而实现广域的全覆盖和无线网络的互联互通，其应用领域设想包括地球观测测绘、智能交通、军事目的、灾害救援等。

空天网络的特点有以下几方面[3-6]。

1)空间传输条件受限。空间节点差异性大，链路传输时延高，且传播中断概率也较高。

2)空间节点组网的特殊性。空间节点受约束，节点的高度、分布和拓扑结构变化都需要在一些规则内调整。

3)系统组成与管理上的特殊性。系统由大量的专用系统和专网构成，缺乏统一标准，异构网络互联困难，节点间资源不能统一协同。

地面移动网络已经形成了全球统一的技术路径和标准体系，开放和互联互通是基本的要求，很难在现有地面移动网络的体系中嵌入空天部分的内容。空天地一体化的发展模式，网络间相互都会受到束缚，更可行的是形成统一的可相互简便接入的网络体系，智简网络是一种潜在的解决方案，空天地网络三者间的异构性，难以形成一体化的融合，若在三种网络内嵌入内生智能，然后利用智简的网络框架和接口交互，接着共用地面移动通信的技术基础和产业基础，使得地面用户可以在任何地方通信，空天用户也可以在城市环境享受高质量的业务应用。同时需要规划好频谱，避免相互干扰。

建议空天地一体化网络的发展应该设定可拆可合的目标，利用智简的网络框架，地面移动网络可以简便地使用任何一种卫星通信手段，为地面用户提供服务；空天网络也可以使用任何一套移动通信系统为用户提供服务，接口统一开放。

1.2 6G频谱

中国在发展5G过程中始终强调中低频段，实践证明这一主张的正确性。5G全球发展的困境除应用问题外，高段频谱的影响不可忽视。6G网络提出了远远超过5G的性能指标、应用种类，很显然频谱问题就变得十分关键。当前针对高频段的研究较多，尤其是太赫兹。但是我们需要认识到，移动通信总归是要移动起来的，6G必须要有适合移动的较低频谱，尤其是10GHz以下，才能形成一张有效的网络而不是热点。低频段必然是资源受限，因此更加需要考虑新的技术来提供更高的频谱效率、更高的频谱使用率，这才是6G的生命线。

高段频谱提供高吞吐率的需要也是十分重要的，但是不需要做完全覆盖，因此在网络上就要以中低频段为主来考虑构建全网，在需要高流量的特殊场景按需集成高频段、高低频段的集成和切换，可以在智简网络中通过可编程的方式，在应用场景规划初期，设计对应的高频段接口，并可以根据具体的需求嵌套智能化算法，在高流量的场景需求达到时，智能化算法使能对应的接口，下发相应指令，使能高频段。

在业务应用需要越来越丰富的情况下，很显然只靠一个频段满足所有需求是不现实的。需要在高中低频谱资源中，合理分工，形成一张协调的多频段网络。

1.3 网络与业务分离

网络与业务分离，核心是满足有价值的共性业务需求，网络重点做好连接和管理两大重要工作。6G智简网络中，业务的连接和管理则应更多由业务提供者去深度考虑，使业务适配网络，而避免网络过度智能化去适配业务使得网络极其沉重且无用。同时业务提供方也应避免脱离用户实际需求，提供占据资源却没有实际价值的业务，造成网络负担重以及资源浪费。智简网络能够实现适度让业务分离并适应网络的连接与管理，业务与网络间不存在强绑定关系，业务的分离能够很大程度缓解网络压力，并提高业务服务质量，最终让用户能同时拥有更好的网络质量与业务体验。

1.4 网络可编程

随着云化、虚拟化等技术在5G网络中的应用，以及上述6G特征的研究，可编程技术作为重要的手段也得到业界的关注。应用可编程的手段，能够在消除网络差异性的基础上，有助于实现网络资源的统一分配调度，满足按需定制化服务的方式，并通过网络数据、业务数据、用户数据等多维数据感知实现自治。同时，智能化的技术与可编程能够深度融合，为网络的可编排提供助力[7]。图1为可编程网络，可编程可以作为业务场景和网络智能间的桥梁，通过可编程下发网络人工智能(Artificial Intelligence，AI)的指令，调配网络资源按需定制满足业务场景需求，亦可反馈业务场景的请求，网络AI进行网络编排规划调整。同时根据业务场景的差异性，通过可编程框架实现网元功能的“排列组合”，支撑不同属性的业务。可编程的方式将是智简网络的重要实现手段。

图1 可编程网络

2 6G智简网络方案

本章节首先描述智简网络的设计原则——轻量化，然后介绍6G智简网络的框架，最后阐述6G智简网络定制化的特点。

2.1 智简网络设计原则

在智简网络结构的设计层面，构建基本架构满足用户核心需求即可，而不应试图满足所有需求。每一代移动通信都带来大量全新的用户需求构想，如果全部实现在基本架构层面，会使得网络架构过于繁琐沉重，不仅降低网络运行效率、提高网络设计难度以及运行维护成本，还不利于后续增加新功能时更新网络结构以适应全新的应用场景。智简网络结构是一种轻量化的架构，该架构作用于应用场景的需求驱动，若实现不同应用场景和技术的即插即用，即可更大程度为新技术的适配提供便捷的验证。当网络结构能够满足当下使用需求时，设计规划新的场景或功能时只需重点关注与总体网络结构的适配性，便能够在功能与性能成熟后便捷地融入网络中。轻量化的智简网络结构意味着对通信本源的回归，而不是继续盲目拓展需求，以通信的基本需求为载体，各种拓展应用为羽翼，不断丰富其中，构建出结构合理的轻量化智简网络结构。

构建智简网络的核心，便是网络内生智能和开放可编程的结合。虽目前较少有文献研究讨论这两者的结合，但是这两个方向是相辅相成，互相依存的，都会在未来6G网络中扮演重要角色。内生智能是6G网络与生俱来的特性，然而要很好地应用智能的内生性，数据是关键。如何做到数据的按需定制，AI模型的数据输出如何有效地作用到网络，以及AI的输出如何改变网络的行为，都需要AI逻辑模块和网络API(Application Programming Interface)去紧密配合，这是在网络设计初期需要考虑的问题，而开放可编程则作为未来6G网络的基本框架，对内提供逻辑，对外提供标准接口API和模块化软件，是内生智能的数据来源和作用对象。

2.2 6G智简网络框架

在移动通信发展中，智能化是最常被提及的未来愿景之一，在6G智简网络中，AI会在未来网络中占据主导地位，最后形成端到端的体系，主要涵盖智能核心网和智能边缘网络、智能终端，以及智能业务应用。6G智简网络的设想能使网络运营和运维模式发生根本性变革，网络将由当前以人驱动为主的人治模式，逐步向网络自我驱动为主的自治模式转变，通过网络数据、业务数据、用户数据等多维数据感知实现自治。然而智能化不仅对智能模型的精准度要求越来越高，还为信息处理、运算能力、软硬件协调等多个领域带来更多难题并体现在落地中，为避免“为智能而智能”的困扰，实现解放人力、高度智能化的目标。更现实的诉求是一种可编程、可根据用户需求定制化的网络。可编程是对网络功能和行为逻辑的高度抽象，将用户除基本需求以外的高端诉求进行个性化设计，摒弃对智能化和集成化的盲目追求，围绕诉求进行针对设计来达成目标。

6G智简网络是对网络架构层面的革新，当前僵化紧耦合的无线通信协议栈极大限制了网络能力。可编程方式作为6G智简网络的核心主要包括可编程作用域、可编程框架和可编程智能化三个方面。首先，可编程作用域方面，从目前进展看，一步到位的可编程网络并不现实，从数据可编程到参数可编程再到行为可编程的循序渐进更有利于技术的演进和落地实现。其次，开放可编程框架，可以采用插件编程思想，灵活调用插件代码函数或启用相应的线程，从而满足网络基础设施按需配置，按场景定制的需求，为下一代网络开放可编程原型设计提供技术保障和方法支撑，适用于未来基于云原生的网络架构。在框架和作用域确定后，模块化的网络要素及标准化应用程序编程接口API设计将是最终智能可编程网络呈现形式的关键。最后，可编程智能化为新型业务的添加和编排提供了便利的方案。

如图2所示，6G智简网络框架分为三层，智能服务层、标准接口层和网络要素层。智能服务层作为内生智能AI逻辑的驻留点，通过开放可编程接口开放层收集数据，完成对网络的智能诊断、 干扰估计、KPI(Key Performance Indicator)分析、定位等功能。智能服务层还可以将接口开放层收集的数据加工，得到网络的特性后，识别出关键指标，将得出的针对网络最优的参数或算法再次反馈给网络，完成对网络功能的智能调整和智能应用，如参数优化、干扰抑制、调度器及相应算法优化及网络智能切片等。标准接口层为开放可编程对外提供的接口，这些接口既可以作为AI数据搜集和决策反馈的接口，又可以作为开放可编程框架交互的接口，分为数据接口和控制接口。网络要素层由特定功能的处理模块提供网络要素服务。处理模块与网络基础设施中的订阅和管理功能逻辑紧密耦合，负责整个处理模块向网络基础设置的注册和管理。另一方面网络要素层具备逻辑处理功能，包括逻辑编排、逻辑替换和逻辑选择，对应开放可编程的程序运行在网络内部的函数插件中。整体架构通过开放的标准接口对网络中高度抽象的模块化逻辑单元(如协议功能、信令分发、算法等)进行编排组织，对外提供智能化的网络应用和服务体验。

图2 智简可编程网络框架

2.3 智简网络赋能定制化

6G网络将是涵盖各种应用的复杂巨型网络，同时接入的设备和应用场景千差万别，这需要网络不断优化自身模型和工作方式，适应多种场景的需求，智能调整自身状态和外部设备的工作方式，满足场景定制化的切换，使网络总是朝着最完美的工作状态下逼近。在智简网络中，网络始终不断地自学习，学习无处不在，学习无时不在。自学习的目的就是在业务定制化需求到达时，能够根据“经验”实现快速响应，通过即插即用的方式调度需要资源，快速实现网络规划，支撑业务请求。在业务请求完成后，迅速释放资源，保证后续业务的持续处理。

以超大规模连接小区负载预测为例，6G网络中海量的接入以及不同类型业务的接入，对网络形成的考验和压力是巨大的，而6G智简网络可对网络小区负载、用户业务类型及业务量情况进行精准预测，基于预测可提前对网络负载进行优化和协调，为用户选择合适的小区驻留，避免滞后性及盲目性造成网络拥塞导致用户体验下降。同时开放的接口和可编程的手段，为外部事先优化规划、局部或整体动态调整提供了手段和技术支持。因此，通过智能可编程构建面向服务的现场自适应定制化智简网络，最终实现按需按序迭代演进，满足各种6G场景及接入方式灵活的轻量化网络部署，从而精确满足特定需求，且不需要面对智能化和多场景带来的过于复杂的系统，实现简洁高效的网络定制。

3 结束语

目前移动通信产业处于5G商用和6G初步研究的阶段，本文讨论了6G网络的特点，包括天地一体、6G频谱、业务与网络分离和网络可编程，随后提出了通过智能可编程赋能，使网络结构轻量化、定制化的6G智简网络方案。

综上所述，未来6G被广泛认为可能在多方面带来革新，但是Vodafone认为运营商不需要6G的观点同样具有代表性，这让我们反思移动通信的发展路线究竟应该是什么？在功能繁多，系统负担愈发沉重的趋势下，更应该注重简化功能，突出重点，业界需要将更多精力放在做好通信自身上。回归通信初心，相信未来的移动通信能以简洁合理为方针，辅佐以大量更新改良的技术，支撑更多实用且创新性的业务应用，真正改善用户的使用体验，为人类社会科技文明发展提供助推力。