SOLIDS：第六代移动网络的驱动力、特性和功能拓扑

工程学8（2022）42研究6 G需求、愿景和支持技术-回顾SOLIDS 6G移动网络架构：驱动力、特性和功能拓扑Guangyi LiuLiu，Na Li，Juan Deng，Yingying Wang，Junshuai Sun，Yuhong Huang中国移动通信研究院，北京100053阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年1月4日收到2021年5月19日修订2021年7月6日接受2021年9月30日网上发售保留字：第六代网络的特点网络架构A B S T R A C T随着第五代（5G）移动网络的大规模商用，面向2030年的新业务和应用的开发，以及信息、通信和数据技术（ICDT）的深度融合，以及5G实践的经验教训将推动下一代移动网络的演进本文综述了移动网络体系结构演进的历史和所提出的6G网络架构被称为SOLIDS（与以下基本特征相关：软、按需实现、精简、原生智能、数字孪生和原生安全性），其可以在没有人类参与的情况下支持自生成、自修复、自进化和自免疫，并解决传统5G网络中的主要问题（例如，高成本、高功耗和高度复杂的操作和维护）。©2021 THE COUNTORS.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍第五代（5G）移动通信系统已经由第三代合作伙伴计划（3GPP）定义。满足2020年后增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器类通信和超可靠低延迟通信（URLLC）三大典型应用场景的需求[1]。相信5G将开启一个万物互联新时代，成为各行各业创新发展的赋能者。自2019年以来，5G系统已在全球商用截至2020年底，全球共推出129个 5G网络早期的5G系统旨在满足eMBB场景的要求（例如，云游戏、高清视频、增强现实和虚拟现实）。 在其后期阶段，当URLLC能力被引入时，5G将实现工业互联网和企业应用。5G的商业化将促进人工智能（AI）、云计算和大数据技术的应用。它不仅深刻改变了人们的生活方式，也加速了社会的信息化和数字化，这将融入“数字孪生和泛在智能”的概念一个新*通讯作者。邮箱：13701173393@139.com（G. Liu）.其中每个物理实体具有虚拟副本，如图1所示。在物理世界和数字世界之间将建立一座“桥梁”，让信息和智能在人与人、人与物、甚至物与物之间无缝传输。数字世界是对物理实体的模拟和预测，准确地反映和预测了物理世界的真实状态。它还被用来通过干预来预防物理世界的风险和灾难提前进行适当的操作。它有助于进一步解放人类，提高生活质量，提高生产效率和社会治理，实现“数字化建设新世界，智能连接万物”的愿景。数字孪生世界将培育出数个移动网络的新应用场景，如通感互联、全息交互、数字人、智能交互、超级交通、精准医疗等[2，3]。所有这些业务都要求更高的网络能力，如更高的数据速率、更低的延迟、更精确的定位和确定性的服务质量（QoS），如图2所示，这将推动5G移动网络向下一代演进，这被称为第六代移动网络。第六代（6G）移动通信系统。网络架构是提供用于组装不同使能器技术以支持目标服务和应用的框架的关键。因此，网络架构是6G移动系统的基石本文论述了https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.07.0132095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engG. Liu，N. Li，J. Deng等人工程学8（2022）4243Fig. 1. 数字孪生世界设计了一种可应用于6G移动系统的逻辑网络架构，以及6G移动网络的潜在特征。在架构设计之前，分析网络演进的驱动力是必不可少的。第一个驱动力是到2030年对新应用和场景的需求[4，5]如前所述，5G的商用启动激发了人们对下一代移动网络的想象和期待。一方面，将培育新的服务/应用和用例，以要求更高的网络性能，例如更高的数据速率、更低的延迟、更高的可靠性和更高的定位分辨率，这些都超出了5G系统的能力另一方面，必须提供新的网络功能，例如本地智能和安全性。此外，信息、通信和数据技术（ICDT）的深度融合[6，7]揭示了网络架构的更高效率[8，9]。这是网络进化的第二个驱动力。考虑到计算和存储等资源将从中心向外延伸对于边缘，需要使网络能够进行内部计算以及资源感知和控制。边缘人工智能和分布式人工智能现在越来越流行[10，11]，这促使我们在网络设计中考虑这种人工智能部署方法，以支持实时人工智能应用。数据治理，包括数据安全与合规、数据分析与应用、数据安全流通技术等已成为趋势，在网络设计中也应予以考虑。网络演进的第三个驱动力是对5G网络面临的问题和挑战的考虑。在设计6G移动网络架构时，应继承5G移动网络的成熟技术和宝贵理念，并将5G网络的系统设计、商用部署和运营经验充分体现在6G系统的顶层设计中。此外，还应解决5G网络面临的问题和挑战，以确保6G的成功和持续发展，例如资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）的快速增长，高功率消耗，以及操作和维护（O M）的难度。本文的其余部分组织如下。第二部分回顾了移动网络体系结构的发展历史。第三部分总结了6G移动网络架构创新的驱动力。第四节提出了一种三层四平面的逻辑网络结构SOLIDS.“SOLIDS”这个词这些网络特性在第5节中进行了详细说明。最后，第六章对全文进行了总结。2. 移动网络架构演进2.1. 网络体系结构随着移动通信技术的发展，移动网络的体系结构也在不断变化。第三代（3G）移动网络采用三层架构，如图3（a）[12]所示。在第四代（4G）移动网络时代，采用了扁平化的全互联网协议架构，简化为两层[13]，基站（称为eNodeB）和演进分组核心（EPC）网络。EPC的主要元件包括移动性管理实体（MME）、归属订户服务器（HSS）、服务网关（S-GW）和分组数据网络网关（P-GW），如图3（b）所示。基于这种扁平化的网络架构和控制平面（CP）和用户平面（UP）的分离，端到端数据传输的延迟被显著缩短 在5G时代，网络架构引入信息技术（IT）来改造核心网（CN）架构，并导致基于服务的架构（SBA）[14]，CP和UP进一步分离，并纳入网络切片，如图所示。 3（c）.为了解决2020年以后典型应用场景的多样化服务需求，5G网络尝试引入基于软件定义网络（SDN）[16]和网络功能虚拟化（NFV）[17]的网络切片[15]，这为专用逻辑或虚拟网络提供了适当的功能。G. Liu，N. Li，J. Deng等人工程学8（2022）4244图二、5G和6G系统的关键性能指标（KPI）比较DL：下行链路; UL：上行链路; CP：控制平面; UP：用户平面; Gbps：千兆比特每秒; Tbps：兆比特每秒; Mbps：兆比特每秒。功能和处理能力，以满足QoS、隐私和安全等目标服务要求。网络切片有望为5G网络提供弹性容量扩展、快速功能升级以及网络功能的按需部署。期望网络切片使用单个网络来支持来自企业和工业应用场景的多样化服务需求。在无线接入网（RAN）中还引入了中央单元（CU）和分布式单元（DU）的分离，一方面，CU可以集中部署以分担成本，例如在具有多访问边缘计算和/或UP功能的公共平台上。另一方面，为了提高无线网络的智能性和可扩展性，DU可以部署在尽可能靠近用户的地方，以满足URLLC的业务需求。2.2. 5G系统工业互联网和企业应用场景的早期探索证明，5G CN相对于过顶运营商的网络而言显得异常复杂，其对多样化业务的适应性要求-各部分必须进一步改进。5G CN对功能或网络元素的测试和验证带来了沉重的负担，因为它们之间的接口是开放的，软件和硬件是解耦的。核心网的集成和维护已经成为传统移动运营商面临的挑战。相反，网络切片的主要工作主要由CN完成，并且RAN和传输网络（TN）仍然需要相当大的努力来支持端到端网络切片。为了自动支持网络切片的管理和编排，网络切片的进一步标准化仍在3GPP中进行[18]。此外，5G移动运营商还面临着基站的高成本和高功耗、由于5G和传统网络之间的大规模部署和互操作（例如，4G和3G）。为应对5G网络的高功耗挑战，引入了智能省电功能，通过载波关断、射频前端关断、时隙级关断和符号级关断等方式关闭基站。此外，5G和4G系统之间的负载平衡被设计为切换在5G基站负载较轻时关闭G. Liu，N. Li，J. Deng等人工程学8（2022）4245图3.第三章。网络架构演进。（a）3G网络架构[12];（b）4G网络架构[13];（c）5G网络架构[14]。UE：用户设备; RNC：无线网络控制器; MSC：移动交换中心; GMSC：网关MSC; HLR：归属位置寄存器; SGSN：服务通用分组无线业务（GPRS）支持节点; GGSN：网关GPRS支持节点; CS：电路交换; PS：分组交换; PSTN：公共交换电话网;eNodeB：演进节点B; DN：数据网络; PDN：分组DN; NSSF：网络切片选择功能; NEF：网络暴露功能; NRF：网络存储库功能; PCF：策略控制功能; AUSF：认证服务器功能;AMF：接入和移动性管理功能; SMF：会话管理功能; UDM：统一数据管理; RAN：无线接入网络; DU：分布式单元; CU：中央单元; UPF：用户平面功能。为了解决O M的低效率，3GPP和其他标准化组织考虑了AI[19在3GPP服务和系统方面工作组5中，除了将关于自组织网络的工作从4G扩展到5G之外，已经建立了与自主网络相关的工作项目并且正在吸引注意力。在这些工作项目中，“闭环通信服务保证”规定了开放和闭环控制回路的概念，以及用于闭环通信服务保证的在“移动网络的意图驱动管理”[20]中 一些移动运营商和制造商也共同研究自主网络，目标是在参考文献[23]中，使用了39个场景来识别运营商和垂直行业面临的面向业务和自动化相关的挑战，对这些挑战的分析得出了架构，功能和运营需求。自治网络的框架也已在参考文献[1]中定义.[23]第10段。然而，由于当前网络体系结构的限制，AI在O M中的应用只能逐案实施AI实现的网络效率远远落后于预期。一个基于本地智能的网络架构师，为了进一步提高效率，需要有真正的能力。为了解决5G网络部署所涉及的高成本问题，几家移动运营商和制造商共同努力推进开放RAN（OpenRAN）项目[24]，该项目旨在开放基站不同模块之间的接口，并在白盒硬件和开源软件的基础上构建基站架构。作为OpenRAN的先驱，日本第四大移动网络供应商乐天移动旨在重新定义移动通信行业的期望，提供吸引人的便利服务，以满足不同的客户需求。2019年2月，Rakuten宣布在完全虚拟化的云原生移动网络中进行第一次真实世界的商业友好的端到端试验[25]。乐天通过展示稳定和可扩展的4G和5G服务公开声称其计划取得了成功。乐天声称，其战略使CAPEX减少了35%- 40%，OPEX减少了30%。对于未来采用云原生架构的5G演进，预计节省高达50%。作为移动网络架构演进的下一步，6G网络创新将继承过去一段时间的经验，消化ICDT融合的最新进展，实现支持自生成、自修复、自进化、自免疫的网络架构。3. 移动网络架构创新6G网络架构的驱动力主要基于三个方面[26]。一是新的业务和应用场景带来的新需求，包括更高的用户体验数据速率、更低的CP和UP延迟、更高的峰值数据速率、更高的连接密度以及空、海、陆、空无处不在的覆盖。二是ICDT融合的技术趋势。随着云计算、大数据和人工智能技术的显著进步，更高效的软硬件解决方案将推动6G网络架构以更高效的方式发展。低成本的方向。更具体地说，6G网络的设计必须考虑新的网络架构，更强大的网络G. Liu，N. Li，J. Deng等人工程学8（2022）4246功能，以及使用基于商用现成组件而不是专用硬件的通用处理器平台。第三，传统4G和5G网络面临的问题和挑战必须在6G网络架构中解决。例如，与4G网络相比，5G网络的成本和能耗都增加了两倍，这些网络的0 M变得更加复杂，这需要新的思维，并且应该在未来6G网络的设计中解决。3.1. 2030年以后的新用例和新场景5G的快速部署和应用必将促进人工智能、云计算、大数据的应用和发展，加速整个社会的数字化进程，显著提高运营、生产和生活效率，显著改善生活质量，推动整个社会走向数字世界。物理世界中的每一个物体在数字世界中都可能会有一个数字复制品，而这些数字复制品共同构成了一个数字世界。物理世界和数字世界构成了数字孪生世界[2，3]。数字孪生世界可以提前预测物理世界的变化，也可以提前干预，避免物理世界中意外和自然灾害的发生。在数字孪生世界中，将出现几个与移动通信密切相关的新应用场景，包括通感互联、全息交互、人类数字孪生、智能交互、智能工农业等，如图4所示。2030年以后的服务和应用的综合特征可以概括为：①服务和应用要求将被更多样化比以往任何时候;②要求陆、空、海立体化覆盖，业务连续性一致;③交互形式和内容多样化，用户体验更沉浸;③定制化、个性化服务要求端到端网络按需编排和配置;通信、计算和传感的物联网集成丰富了服务类型和业务案例;物联网安全变得比以往任何时候都更加重要，服务需要更有效的安全支持，而不是打补丁的支持方式。为了满足这些要求，6G网络必须支持按需实现，并通过定制端到端网络功能和资源的编排和参数配置来保证以用户为中心的体验3.2. ICDT的深度融合趋势信息技术的飞速发展加速了互联网的普及，各种应用层出不穷。随着云计算的出现和快速发展，这一进程被加速。大型云计算公司可以通过使用廉价的商用现成硬件快速部署用于计算和存储的大规模IT服务能力企业或个人可以根据服务需求租用云计算公司的IT服务能力，将自己的数据存储在云数据中心，并根据需要调用所需的计算能力可以实现快速的互联网服务部署和应用。在技术不断发展的推动下，通信技术也在以显著的速度发展和迭代。4G网络和智能手机的普及，为移动互联网服务带来了前所未有的繁荣智能手机已经成为人们日常生活中的重要平台，并用于各种需求，例如旅行、购物和娱乐，其产生大量数据，包括位置、轨迹、个人偏好、娱乐和购物习惯。通过对这些用户行为数据的收集和分析，互联网服务提供商可以在很大程度上获取用户的个性特征，实现个性化服务提供，包括精准的内容推送和便捷的服务获取，推动了随着物联网（IoT）的迅速崛起，包括全球移动通信系统、窄带IoT[27]和增强型机器类型通信[28]，通信对象已从人扩展到物，连接的事物数量已超过人的数量。例如，中国移动有大约9.5亿人类用户，而物联网用户的数量大约为20亿。大量的连接产生了海量的数据，对这些海量数据的分析和应用促进了见图4。 2030年以后的典型应用场景[4]。G. Liu，N. Li，J. Deng等人工程学8（2022）4247社会信息化和数字化。特别是随着5G网络的部署和应用，无线电传输速率达到千兆比特每秒（Gbps）甚至10 Gbps，无线电传输时延可以缩短到毫秒级，数据传输的可靠性也从99.999%提高到99.9999%。这些都将把移动通信技术的应用带到社会的各个角落，实现万物互联。数字化转型将为各行各业带来繁荣，加速整个社会的数字化，实现“5G改变社会”的目标大数据已成为企业和社会的重要战略资源，是研究者和产业界关注的新焦点。随着4G和5G系统的普及和应用，我们可以注意到整个移动通信网络及其应用总是产生大量的数据。这些数据将包含整个社会的大量信息，数据技术（DT）的快速发展将使这些数据应用于人类生活和社会治理，如智慧购物，智慧交通，智慧医疗，智慧校园和智慧城市。大数据离不开云处理[29，30]，云处理是产生大数据的平台。自2013年以来，大数据与云计算紧密结合，预计未来两者的关系将更加紧密。此外，物联网、移动互联网等新兴计算形态将推动大数据革命，让大数据营销发挥更大影响力。大数据很可能是新一轮的技术革命，类似于计算机和互联网。随后出现的数据挖掘、ML、AI等新兴技术，可能会改变数据世界的很多算法和基础理论，实现科技的突破。随着数字化进程的加快，社会各要素都会产生大量的数据，这些数据来自于个人、企业、基础设施等，由于这些数据的所有者存在很大差异，数据存储、数据管理、数据共享、数据安全与隐私、数据交易等问题变得更加难以处理。因此，未来势必会出现相关的大数据立法，明确数据的归属以及相应的利益分配。与此同时，大数据存储和管理平台将出现，帮助每个人实现数据存储、管理和交易。大数据的大规模部署推动了人工智能应用的发展。人工智能是研究和开发模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术和人工智能是计算机科学的一个分支。它试图理解智能的本质，并产生一种新的智能机器，可以以类似于人类智能的方式做出反应AI自诞生以来，相关理论和技术日益成熟，应用领域不断拓展。可以想象，未来人工智能带来的技术产品将是人工智能可以模拟人的意识和思维的信息处理过程人工智能的研究领域主要包括知识表示、自动推理和搜索方法、机器学习、知识获取、知识处理系统、自然语言理解、计算机视觉、智能机器人和自动编程。人工智能的应用主要包括机器翻译、智能控制、专家系统、机器人、语言、图像理解（如人脸识别和车牌识别）、基于遗传编程的机器人工厂、自动编程和航空航天应用。它们深刻地影响着我们的日常生活和工作。在5G网络的设计中，已经出现了ICDT融合的趋势5G CN的设计充分引入先进的IT理念，通过SDN/NFV和SBA实现网络切片，为5G网络赋能垂直行业应用提供重要支撑。相反，5G移动通信网络通常由数百万个基站、路由器、CN元件和其他基础设施设备以及数十亿用户组成。产生了大量的数据，包括每个网元的操作数据、通信期间产生的信令数据如果在这些数据中加入时间、位置等标签，将对网络运维的自动化、智能化带来因此，基于用户在网络中的位置信息，运营商已经开始研究基于大数据和AI的网络自动化，如大规模多输入多输出（MIMO）权重优化、网络异常分析、用户体验分析和优化[31]。与此同时，3GPP已经开始研究无线网络中的大数据收集[32]，网络O M的自动化和智能化[33]，以及AI在无线资源调度中的应用[20]。因此，可以观察到，在5G标准制定的后期，DT的应用将进一步与通信技术融合。ICDT融合正在成为新的发展趋势，这将进一步降低5G网络的网络运维成本，提升网络服务能力和用户体验。但是，我们认为，现有的5G系统无法...有效地匹配ICDT的深度融合。一个例子是网络数据分析功能（NWSYS）。网络分析是一种数据分析网元，它基于网络数据自动感知和分析网络，参与网络规划、建设、运维、网络优化和运营的全生命周期，使网络易于维护和控制，提高网络资源效率，改善用户体验。虽然NW400有效地提高了网络性能，但人工智能和5G系统的补丁集成暴露了一些问题。第一个是数据安全问题和大量测量的报告导致的沉重的信令开销。另一个是低延迟的挑战，因为所有数据都必须上传到中央分析单元并在其上处理，作为NWEXP，其可以部署在远离数据源的地方。在设计6G系统时应该考虑这些问题。正因如此，我们相信ICDT的深度融合必将成为6G网络设计的重要驱动力，云原生、大数据、AI将有显著在未来网络架构设计中扮演重要角色。3.3. 5G网络2019年以来，5G网络在全球大规模部署。这些5G网络，加上云计算、大数据和人工智能，肯定会培育出一些新的服务和应用，从而推动整个社会的数字化。 随着5G网络的发展和随着新业务和新应用的不断涌现，5G网络将不可避免地面临一些新的问题和挑战。其中一些问题可能会在5G网络的演进中得到解决;但是，由于5G网络本身的限制，可能难以解决某些问题。这些问题和挑战将成为6G网络设计的重要动力和创新源泉。从5G网络特点和近期发展来看，5G网络将面临以下方面的挑战。G. Liu，N. Li，J. Deng等人工程学8（2022）42483.3.1. 分层协议栈在5G网络中，空中接口的协议是分层结构，包括物理层、介质访问控制（MAC）层、无线电链路控制（RLC）层和分组数据汇聚协议（PDCP）层。所有服务数据都必须通过所有这些层进行处理每一层的进程都引入了特定的延迟，这导致了延迟瓶颈。例如，eMBB分组通过空中接口的典型等待时间是3ms。在5G网络的研究阶段期间，提出了某些UP修改以减少处理延迟，诸如以下：①允许在PDCP层处重新排序之前进行分组解密以减少分组处理量和延迟，这简化了实现;②移除RLC层处的分组级联功能以通过解耦自动重传请求和级联/分段来实现更多的离线报头计算;③允许MAC层处的MAC有效载荷旁边的MAC子报头以解决从上行链路授权到上行链路传输时间的大约一个符号时间的潜在要求[34所有这些修改都旨在通过优化加工顺序。尽管这些变化中的一些是有益的，并且已经在5G规范中得到认可，但这些变化仍然限于现有的分层标准。如果需要进一步降低空中接口的时延，一个直截了当的方法就是打破传统的分层结构，在数据处理管道中创建捷径。3.3.2. 不断发展的技术5G网络为垂直应用提供服务，这对网络能力和部署带来了多样化的要求。为了满足这些需求，5G CN定义了基于SDN和NFV的 SBA和网络切片预计5G在5G网络的早期版本中，RAN中没有专用的切片设计，并且在版本17中考虑了进一步的考虑。因此，网络切片的标准化涉及六个主要的行业组织，以及各自的工作分工[38]。组织间协作的缓慢进展限制了端到端网络切片的商业化。尽管3GPP发布的早期5G规范支持相关功能，对于eMBB切片，切片管理规范还不完善。国际电信联盟和互联网工程任务组已经定义了关于诸如切片标识和管理接口的方面的TN切片的规范，但是还没有定义与CN和RAN的协调机制欧洲电信标准协会的零接触网络和服务管理开发了端到端切片管理实施框架和解决方案 ， 目 前 仍 处 于 早 期 开 发 阶 段 。 电 信 管 理 论 坛（Telecommunication Management Forum，简称UMTS）正在研究3GPP切片管理架构与现有UMTS架构的集成，但仅发布了初稿。全球移动通信系统协会定义了网络切片的应用场景和常用切片模板，并发布了八种场景的切片参数和技术要求。支持网络切片的商用CN设备相对成熟。由于RAN切片的技术难度总的来说，端到端网络切片的实现还存在几个技术挑战，需要子域之间切片的协调和连接，复杂度相当高。未来要完全发挥网络切片的价值，需要在网络切片管理域中对网络切片进行合理的安排和管理。图5是网络切片管理域的示意图，其示出了切片管理域与切片网络域之间的关系。在商业网络中，在一些情况下，这些网络切片管理功能（NSMF）不是独立存在的，而是嵌入到运营商的运营支持系统（OSS）和业务支持系统（BSS）中[39]。不同运营商对网络切片管理有不同的具体方案，这就要求运营商的运维、IT、政企、网络等部门参与切片管理域与BSS/OSS的集成。这对运营商来说将是一个挑战，在未来的网络设计中应充分考虑这一点3.3.3. 刚性网络架构3.3.3.1. 5G网络部署分析。 对于移动网络，不同基站站点处的业务负载显著不同图五、网络切片管理示意图CSMF：通信业务管理功能; NSMF：网络切片管理功能; OSS：运营支撑系统; NFVO：NFV编排器; NSSMF：网络切片子网管理功能; BOSS：业务运营支撑系统; EMS：网元管理系统; VNFM：虚拟网络功能管理器; VIM：虚拟化基础设施管理器; SDN-O：SDN协调器; SDN-C：SDN控制器; NFVI：网络功能虚拟化基础架构。G. Liu，N. Li，J. Deng等人工程学8（2022）4249由于用户的移动性通常，在中国，20%的站点是重负载，而80%的站点是轻负载。然而，每个站点通常配置有全容量，这导致硬件处理能力和功耗的浪费。由于每个基站的更大带宽和大规模MIMO配置，5G新无线电（NR）基站的成本和功耗降低网络部署成本的一个简单方法是在不同站点之间动态配置和共享硬件和处理能力。5G系统试图共享硬件和处理能力。为了支持5G网络的灵活部署，引入了用于基站的CU和DU分离架构。已经提出并讨论了CU和DU之间的几种可能的功能划分选项，如图6所示[40]。在讨论期间，考虑了架构和规范方面，包括开放接口要指定和支持的拆分选项的数量、长期演进（LTE）/NR紧密互通的含义、功能拆分的粒度以及功能拆分的重新配置动态性。不可否认的是，如何在架构中划分NR功能的选择取决于与无线电网络部署场景、约束和预期支持的服务相关的某些因素。然而，在多维比较分析之后，仅选择了单个更高层分离选项，即选项2（PDCP/RLC分离）。基于CU-DU分离架构，CU可以集中部署，处理能力可以在不同站点之间共享。然而，在实际部署中，CU仍然与DU组合，因为从网络性能的角度来看，集中式CU的益处并不明显。相比之下，移动运营商为了节省CU和DU的机房租金，将多个站点的CUs-DU合并在一起不过，由于中央处理器和中央处理器的硬件和软件设计是专用的，共用场地并不容许不同地点共用容量和硬件处理能力。确保共享可行性的一种简单方法是使用基于SDN和NFV的云原生方法来设计CU和DU，该方法支持物理硬件的动态共享并为池化站点提供按需容量。当游泳池的负荷很轻时，大部分的硬-见图6。DU和CU之间的功能分离[40]。RRC：无线电资源控制; PHY：物理; RF：射频。见图7。 CU部署位置图。 AAU：有源天线单元。可以关闭池中的硬件以节省功率;当负载变重时，打开附加硬件以支持来自相应站点的需求。3.3.3.2. 5G网络的功耗分析。功耗是5G基站的棘手问题，也是移动运营商的最大负担。除了5G CAPEX之外，功率密集型OPEX是决定5G系统发展的最重要因素。在2017-2020年期间目前，满负荷5G基站的功耗在正常负载下，射频单元消耗了5G基站的大部分功率。剩余部分由基站处理消耗，因为大带宽和高数据速率要求更高的基站处理能力。业界也提出了多种基站节电解决方案.目前的解决方案是根据基站设备类型、覆盖场景、节电目标、关机时长等因素，通过AI算法自动生成节电策略。这些策略包括小区关闭、载波关闭、RF信道关闭和符号关闭。每种策略都有其特定的应用场景和对网络质量的影响程度。所有这些节能方面的努力都应该在6G网络设计中得到充分考虑。3.3.4. O M的困难由于网络的管理和维护方法还比较传统，目前的网络运维效率还比较低。对于5G网络，有几个因素影响运营管理的复杂性，如基站的大规模部署、5G和4G/3G系统之间的互操作、5G和4G网络之间的动态频谱共享、数百个需要配置的参数、基于SDN/NFV的CN、网络切片以及来自垂直场景的多样化业务需求。据报告，日本和欧洲发生了网络一级关闭的事故，这大大降低了移动运营商的声誉。目前，运营商已经开始研究利用AI和大数据来支持智能网络运营。但由于这些特性在5G网络设计初期并未得到充分考虑，目前的5G网络难以有效支持智能运营。因此，G. Liu，N. Li，J. Deng等人工程学8（2022）4250运营管理将是实现6G网络低成本、高效率的重要方向。所有这些方面都要求我们对6G网络设计进行创新，并考虑如何解决这些根本问题，以实现灵活和低成本的网络部署。4. SOLIDS：拟议的6G移动网络架构针对第3节提到的驱动力，6G网络预计将在以下五个方面发生新的变化，以改善网络部署和成本效率：①网络中必须引入数字孪生技术②应考虑多方数据和资源的协同管理;③云原生和基于微服务的架构需要进一步加强;简化协议栈需要简化;但信令和数据的进一步解耦是必需的。基于这些考虑，我们提出了一个未来6G网络的功能架构，称为SOLIDS。这些网络功能将在下一节中详细介绍。所提出的网络架构由三层和四个平面组成，如图8所示。这三个层包括资源层、网络功能层、业务和应用层。资源层提供无线、计算、存储等底层资源，并为网络功能层上的功能生成提供相应的支持和服务。网络功能层形成特定的网络功能或组合一个或多个网络功能以确保来自服务层的服务的传输要求。服务和应用层为服务和应用，实现服务定制。同时介绍了新的数据采集、人工智能、安全、数据收集平面负责端到端网络中数据的收集、清洗、处理和存储，并为其他层和平面提供数据订阅和更新服务人工智能飞机提供了一个人工智能引擎。AI平面结合网络中各个域的功能需求，提供相应的大数据分析、AI算法、模型训练服务，以及相关解决方案的仿真验证AI平面的功能可以是集中式的，也可以是分布式的，既可以分布在网元和终端中，支持实时AI应用，也可以集中在云端，利用云端的海量数据实现复杂算法同时，可以将AI平面的AI能力暴露出来，通过共享合作平面，将通过订阅来自数据收集平面的数据、来自AI平面的模型以及来自资源层的所需资源，安全平面为整个网络提供原生安全它甚至可以通过共享和合作平面向客户提供安全即服务，以及将安全能力暴露给外部合作伙伴，共享和合作平面实现了网络中数据、模型和可能的网络能力的安全共享，以及它们的众筹和众包。5G CN已实现为三层架构，包括资源层、虚拟化层和网络功能层，因为引入了虚拟化和云化;图8.第八条。SOLIDS：三层四平面的6G功能网络架构G. Liu，N. Li，J. Deng等人工程学8（2022）4251然而，仅考虑两个平面，CP和UP。对于5G RAN，硬件和软件没有解耦;因此，与5G CN相比，没有层的定义。对于6 G网络，需要端到端的虚拟化和云化;因此，三层的概念扩展到RAN和CN。此外，在6G网络中引入了数据收集和AI平面，以实现原生智能。基于插件补丁的安全技术很难为网络提供无懈可击的安全支持，因此需要一个专用的安全平面。4.1. 资源层随着通信、计算和传感的融合趋势，计算能力和存储也是除了无线电资源之外需要关注或管理好的重要资源。从网络部署的角度来看，必须综合考虑分布式和集中式计算能力的经济使用，包括终端和网络之间的计算能力共享机制。4.2. 网络功能层网络功能层提供最基本的网络服务能力。该层通过RAN、TN、CN功能的有效结合，为个人用户提供有保障的数据传输，为垂直行业提供定制化的网络切片服务能力。当然，网络功能层的服务能力效应离不开其他层和平面的支持。网络功能层需要从业务和应用层获取用户的准确需求，智能化安排网络功能，借助AI平面合理调用网络资源，同时借助安全平面提供的安全策略为用户提供安全的服务保障。4.3. 服务和应用层服务和应用层的职责是为多样化和不可预测的未来服务和应用生成可量化的需求。作为最重要的参考数据，量化的要求可能是每隔一层或每隔一个平面所要求的。例如，它可以被资源层引用，为特定应用安排合理的计算能力或存储资源。另一方面，服务和应用层需要来自其他层或平面的支持，例如，来自安全平面的安全保证、来自数据收集平面的用户信息提供、或来自AI平面的分析服务。4.4. 数据采集平面对于数据收集平面，需要全局和局部数据收集和处理，如图9所示。对于未来的许多场景，用户数据预计不会被上传到网络上。有必要在本地点处理和存储它们。因此，需要集中式和分布式数据处理和存储。4.5. AI平面从全球范围来看，集中式AI和分布式AI都是需要的。如图10所示，集中式AI平台使用外部和内部数据进行全局处理，并根据具体使用案例。然后，将结果分发到特定执行域的AI平台.因此，网络将充满无处不在的AI能力。对于RAN、TN、CN等域的AI能力，甚至用户设备（UE），都必须尽可能紧密地部署，提供实时的AI能力支持，包括模型和算法。在未来，6G网络也应该能够向用户展示其AI功能，类似于它今天提供通信功能的方式。此外，它还应该能够向用户提供根据用户的请求，网络应该帮助调度AI算法和模型以供终端执行因此，可以更好地利用网络的AI能力4.6. 安全飞机一个原生的安全系统由三个要素组成：智能策略引擎、安全能力库和智能安全O M。根据AI学习模型，智能策略引擎可以智能地调整网络元件和安全设备的策略，然后构建安全能力库。安全能力库根据应用和业务的安全需求，或网络功能的网络安全需求，精准部署安全功能，实现主动、深度的安全防御。 智能安全O M功能实现基于AI和大数据的自动安全O M。4.7. 共享与合作平面如上所述，6G系统将把外部AI能力或外部数据引入网络，以提供新服务和新能力，或进一步提高数据处理效率。此外，网络中的人工智能功能和分析数据也可以暴露给第三方，为他们提供服务和所需的支持。这种众筹和众包行为在共享和合作平面上执行。请注意，除了AI功能和数据之外，安全功能、资源、服务和应用要求以及网络功能必须在6G网络中引入或公开。因此，共享和协作平面与所有其他层和平面相关。5. SOLIDS的特点基于上述6G网络架构，SOLIDS可以支持六个特性，包括精简，软，按需履行，原生智能，数字孪生和原生安全，如图所示。 十一岁5.1. 软6G网络的第一个特点是柔软。未来的网络将是端到端的软件可定义和云原生的网络，可以帮助实现业务的快速部署、功能软件版本的快速迭代、资源的动态共享（例如，无线电频谱、计算和存储）以及网络自动化和智能化。6G网络应该在以下三个方面展现其柔软性。网络应该在服务和应用层以用户为中心因为网络是为用户服务的，所以网络的设计必须充分考虑用户的需求，按需激活网络功能，使网络能够G. Liu，N. Li，J. Deng等人工程学8（2022）4252见图9。 数据收集平面的逻辑部署模型。在资源层，网络应具有按需调度分布式网络资源的能力。为了满足新的场景和应用对数据流量和传输时延的要求，未来的网络将具备网内计算和存储等能力，从“哑管道”向真正的“智能网络”转变在这种情况下，计算、存储、传输和其他资源将在网络中无处不在。通过引入区块链等新技术，可以实现云、网络、边缘之间资源的按需分配和灵活调度。在网络功能层面，网络应该能够灵活自主地扩展网元能力，以及快速迭代和演进软件功能。更具体地说，6G网络应该是一个端到端的SBA，如图所示。 12个。为了实现这一目标，6G系统将专注于RAN的服务化。与5G网络中基本完成的基于服务的CN相比，基于服务的接入网必须对网络架构进行更多的更改，例如修改分层协议栈。5.2. 按需实现拟议中的6G网络的第二个特点是按需实现。随着数字孪生世界应用场景的展望，6G网络时代将涌现大量新业务、新场景，需求将千差万别。因此，6G网络必须具有更好的感知用户行为、服务、意图等的能力，同时能够根据用户的需求部署功能、配置参数和资源，如图13所示。此外，6G网络应该提供更小粒度的动态服务，使得用户可以基于他们的需求自由组合服务类型和服务等级为了支持按需实现，一个先决条件是实时感知服务和应用程序需求。通过服务和应用层、数据收集平面和AI平面之间的协作，可以提前预测未来的服务和应用需求。这样，网络可以为用户无缝切换业务模式和业务内容，当用户需求发生变化时，的G. Liu，N. Li，J. Deng等人工程学8（2022）4253见图10。 AI平面的逻辑部署模型。见图11。 6网络特色第二个先决条件是无线电资源的按需配置。作为统一的基础设施平台，分布式资源层提供无线电接入、计算、存储和其他资源。结合业务和应用需求以及网络和资源状态作为采集数据，网络可以实现按需资源分配。第三个先决条件是网络功能的按需编排在未来，这些业务可能对RAN、TN和CN有更多样化和个性化的需求。 网络功能结合感知能力收集的数据，可以将用户的需求分解为RAN、TN、CN域，每个域根据自身的功能能力匹配最合适的功能组合。5.3. Lite6G网络的第三个特点是精简网络。6G网络必须考虑空、天、地、海的立体覆盖。以统一的方式管理同构或异构网络，为用户提供一致的体验，无论切换如何，这是未来6G网络必须考虑的问题[41]。在传统方法