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蜂窝坍塌?关于6G架构变革的思考

引言


在新冠疫情和一些国家政治纷乱之下,世界处于“百年之未有大变局”的混沌和变革之中。商业贸易交易模式巨变、工厂生产组织模式巨变、能源模式巨变、人们的行为模式巨变。由此带来的技术变革,例如:大数据、人工智能、新能源、新材料、新芯片、新影像、新安全等等。然而,这些变革都需要数据的获取、需要沟通、需要分析归纳处理、需要行为指令。满足这些需要的基础就是“通信”,所以,世界各国对5G趋之若鹜,竞争不休。仔细想来,5G自诞生以来的确实现了4G改变生活到向5G(5G分为厘米波和毫米波)改变社会的转变,全球部署大都是Sub-6G频段,拉网下载速率1G/s、上行速率200兆
/S 左右(只有美国部署了28G和39G毫米波频段),但其作用有限,仍旧无法满足部分通信需求。

一方面,从小数据小流量的语音、图片、视频(慢视频)转向AR/VR为特征的影像大/快视频;另一方面,从业务下载为主的模型转向以业务上传为主的模型。为了应对转变,业界认为只有5G毫米波通信才能够初步满足,业界普遍采用1D3U上传下载时隙的毫米波设备模式,甚至认为只有未来的6G太赫兹频段通信才能满足当然还有天地一体化通信、6G与3/4/5G共存与协同,此文暂且不论

那么,6G时代使用了毫米波、太赫兹、可见光频段的通信设备,它的架构是否会发生变革、通信机理会发生变革?是否还会采用蜂窝理论来建构?蜂窝架构是否会发生坍塌?答案的猜想是必然的。本文就是要对这些问题进行猜想探讨。

第一章

蜂窝会坍塌吗?


先从6G公认的太赫兹频段谈起。太赫兹(THz)波是指频率在0.1~10
THz(波长为3000~30μm
范围内的电磁波。
2019年,国际电联首届明确75GHz以上太赫兹频段为地面有源无线电业务应用可用频谱资源,同时计划将有源业务的可用频谱资源上限提升到450GHz,这将为全球太赫兹通信产业发展和应用提供基础资源保障。通过全球6大区域电信组织多次协商,中美德法等的充分探讨,最终决议275
GHz-296 GHz、306GHz-313 GHz、318 GHz-333 GHz和356 GHz-450
GHz频段共137GHz带宽资源可无限制条件地用于固定和陆地移动业务应用,太赫兹通信迎来史无前例的发展机遇。

根据移动通信的场景和工程条件,普遍认为6G太赫兹基站组网的有效覆盖半径为10米-50米左右取决于覆盖边缘速率)。由于覆盖半径小,其基站密度将远远超出当前4G/5G的基站密度。

可以看出太赫兹的速率很高、但覆盖半径类似于“超级Wi-Fi”。那么问题来了,6G太赫兹覆盖距离短,基站奇多,速率很高,猜想推论:无线蜂窝网络架构将会坍塌!

为什么?第一,既然类似于超级Wi-Fi,还需要传统核心网吗?第二,这么高的速率还需要IPRAN\PTN的承载环形组网吗?第三,无线基站还需要复杂信令链接时隙开销吗?第四,蜂窝架构MAC链接终结IP吗?第五,还需要复杂的基站协同、网络优化吗?显然是不需要的,显然是要进行变革的。如果真是这样,我们赖以自豪的2/3/4/5G移动蜂窝架构就会发生坍塌

我们知道著名的通信网络七层模型,它对我们分析无线蜂窝网络的架构和协议栈至关重要:七层模型,亦称OSIOpen System
Interconnection。参考模型是国际标准化组织(ISO)制定的一个用于计算机或通信系统间互联的标准体系,一般称为OSI参考模型或七层模型。

如下图所示,OSI是一个七层的、抽象的模型体,不仅包括一系列抽象的术语或概念,也包括具体的协议。OSI中的上面4层应用层、表示层、会话层、传输层为高层,定义了程序的功能;下面3层(网络层、数据链路层、物理层为低层,主要是处理面向网络的端到端数据流。

蜂窝坍塌?关于6G架构变革的思考插图

图1:OSI七层模型

可以看出传统无线蜂窝网络架构用七层模型的层一、层二、少量层三来构建,传统无线蜂窝网络架构的核心网、承载、无线接入基本在物理层即我们常说的MAC层构建,来完成移动通信特殊的寻址、鉴权、链接和通信。而这些通信功能的实现是在大量消耗无线频谱资源基础上来完成的。因为移动通信要求极高的通信等级、要求全程全网的寻址和链接、要求准确的计时和计费,从而制定了一套赖以保障无线接入网独有的帧结构和协议栈、起到大脑作用的核心网和起到重要传输作用的承载网。同时为了不同移动通信网络的互联互通,移动通信网络与互联网互通制定了繁杂的互通协议和网关。

就像前面的猜想,6G太赫兹时代,无线蜂窝网络将会发生坍塌,其中很重要的一点,要使完成移动通信的寻址、鉴权、链接、无线基站策略管理、多天线MIMO的基站与用户终端的测量与波速赋形这些协议栈从MAC层中跳出来,使得这些协议栈功能完全上移,要重构6G无线未来网络的协议栈、架构、产品形态和组网模式,要有效解决传统无线蜂窝网络坍塌在未来网络中的短板,从而最大限度提高频谱利用效率、完全顺应CT+IT无缝融合的技术趋势,最大限度提高速率、降低时延、提高链接,实现6G场景下的智能化。

业界对6G的追逐,反映了人们对追求无线连接、更高的带宽和速率、更智能、更安全、更低成本的无线网络充满了期待。即使蜂窝架构坍塌了,也会诞生新的革命性网络。这就是本文通过猜想分析想达到的目的。


第二章

蜂窝坍塌对网络架构的变革


一、 蜂窝坍塌对核心网变革之猜想

核心网是整个移动通信蜂窝网络的核心交换设备,移动通信网络由无线接入网与核心网共同组成,无线接入网完成覆盖,而核心网是要连接全世界通信网络,进行数据的交换,所以核心网是最关键的,如果没有核心网,那移动手机互相通信或接入互联网也就无从谈起了。

核心网的功能主要是提供移动用户连接、对用户的管理以及对业务完成承载,作为承载网络提供到外部网络的接口。通俗地说移动核心网主要实现三方面功能:1、寻址和鉴权;2、链接和计费;3、翻译成互联网语言与业务对接。这些所有的链接和功能都放在了MAC层。那么到了太赫兹的6G时代,像超级WI-FI一样多的基站,再按传统的方式接入核心网还有必要吗?

首先是寻址和鉴权。寻址完全可以利用北斗或GPS等全球定位系统和大数据来解决,例如你移动到任何一地,你的手机可以单向向基站报道,由大数据记录你的移动轨迹,当另外一个手机要给你打电话,在大数据库查你的位置即可。这样就把手机和基站日夜不停链接登记彻底省掉了,一则把手机和基站双向日夜不停链接的耗电节省一半,另一则可以节省由于双向链接所浪费的频谱资源。而且,到了6G时代频带很宽,很多用户可以自主在线,根本不需要寻址了。例如,我们现在很多家长跟海外留学的儿女联系大多利用微信电话和视频,需要寻址吗?显然不需要。鉴权到了互联网和云的时代更是完全没有必要在MAC层解决,而是在网络层以上解决。例如,现在的各行各业的APP鉴权完全是在网络层以上来解决的。

第二,链接和计费更容易解决,原来的链接是传统的信令沟通、寻址鉴权等等复杂的暗号对接之后的唯你独尊的链接。那时候带宽有限,需要唯我独尊的链接。现在移动互联网已经大带宽化、大数据化、云化了、自主甚至永远在线已经成为可能,完全可以创造网络层以上的唯我独尊的虚拟链接,不需要通过信令反复链接耗电和浪费频谱资源去完成唯我独尊的链接了。传统计费是通过移动通信网络MAC层的信令沟通和计时来完成,同样要增加耗电和浪费频谱资源。事实上现在互联网和云化条件下,千千万万个链接和计费例如各式各样的APP应用)都是云上完成,根本不需要在MAC层来解决了。

第三,翻译成互联网语言和业务对接同样是通过复杂、反复的信令沟通和移动通信MAC层语言翻译成互联网语言,以及适配各种业务的方式,同样造成耗电和浪费频谱资源。在大带宽、云化、大数据背景下,根本是多余的。例如,家里的Wi-Fi就是直接在网络层以上解决了。

综上所述,当6G来临,尤其是太赫兹作为主要的大带宽无线通道和多如牛毛的基站背景下,在大数据、云化的环境里,采用传统的核心网架构,其组网的复杂性、高成本等都会受到颠覆式的挑战。核心网的作用随着无线蜂窝坍塌就失去了!运营商已经开始构建云化、大数据化的大带宽通信网络,核心网必然会寿终正寝。问题是核心网的出路是什么?国际上,亚马逊、微软、谷歌、阿里、腾讯等企业为了2B市场的开拓都开始了核心网云化、大数据化、智能化的微服务架构进程例如微信的小程序),这一定是核心网的转型方向,只不过现在无线网络还是以核心网为核心,以MAC链接为主的蜂窝网络与客户沟通,而且在广覆盖的需求,还有很大的存在价值。而到了未来6G网络的新业务将在云化平台上与传统无线网络对接。

二、 蜂窝坍塌对承载变革之猜想

随着5G的大规模建设,承载先行,从宏观上来说,5G承载网的本质,就是在4G承载网现有技术框架的基础上,通过“加装升级”的方式,引入很多新科技,实现能力的全面强化。

以国内三大运营商的5G中回传承载网方案为例,基本上都是在现有方案上进行加强和改良,从而实现对5G的支持(其中,最重要的就是SA组网和网络切片)。

首先看中国移动的5G承载方案。

移动认为,SPN是最适合自己的方案,能够满足自己的所有需求。SPN,就是Slicing Packet
Network,切片分组网。它是中国移动自主创新的一种技术体系。中国移动的4G承载网是基于PTN(Packet Transport
Network,分组传送网),而SPN基于以太网传输架构,继承了PTN传输方案的功能特性,并在此基础上进行了增强和创新。感觉在移动的眼里,SPN就是以太网上“升级”一个光接口,可以充分利用现在非常成熟的以太网生态链,实现比较高的性价比。

因此,移动非常看好SPN,并竭尽全力推动SPN的标准立项,大力扶持SPN上下游产业链的发展。在它的努力下,SPN技术确实发展很快,产业链也日趋完整。

中国电信在5G承载领域,对于5G回传,初期业务量不太大的情况下,可以采用比较成熟的IPRAN,后续根据业务发展情况,在业务量大而集中的区域可以采用OTN方案,PON 技术在部分场景可作为补充。初期基于已商用设备满足5G部署需求,逐步引入
SR、EVPN、FlexE/FlexO接口、M-OTN等新功能,回传接入层按需引入更高速率(如 25G/50G)接口;中远期适应 5G
规模部署需求,建成高速率、超低时延、支持网络切片、基于 SDN
智能管控的回传网络。M-OTN基于OTN,是面向移动承载优化的OTN技术(Mobile-optimized
OTN)。之所以电信会选择M-OTN,和电信拥有非常完善和强大的OTN光传送网络有很大的关系。众所周知,电信的老本行是固网宽带,在光传输网基础设施方面还是很有家底的,带宽资源也非常充足。OTN作为以光为基础的传送网技术,具有的大带宽、低时延等特性,可以无缝衔接5G承载需求。而且,OTN经多年发展,技术稳定可靠,并有成熟的体系化标准支撑。对电信来说,可以在已经规模部署的OTN现网上实现平滑升级,既省钱又高效。

中国联通选择在现有的IPRAN技术上进行升级演进实现5G承载。IPRAN是业界主流的移动回传业务承载技术,在国内运营商的网络上被大规模应用,在3G和4G时代发挥了卓越的作用,运营商也积累了丰富的经验。

但是现有IPRAN技术是不可能满足5G要求的,所以联通就搞起了IPRAN2.0,也就是增强IPRAN。IPRAN2.0在端口接入能力、交换容量方面有了明显的提升。此外,在隧道技术、切片承载技术、智能维护技术方面也有很大的改进和创新。中国联通一直都在做IPRAN
2.0规范的功能验证和性能测试,总体情况看上去也还好。

以上,就是国内三大运营商5G中回传承载网方案情况。承载网作为通信网络的躯干,涉及到大量的资金投入,运营商肯定会充分考虑资源复用、建设成本以及产业成熟度等多方面因素,慎重选择最适合自己的方案。

5G承载网络面临的主要创新是超大带宽、超低时延和联合管控三个问题,主要包括以下几个方面:

大带宽:带宽是5G承载网最基础和最重要的技术指标。空口的速率提升了几十倍,承载网相应也要大幅提升。

低时延、高可靠性:5G很多场景都提出了“6个9级别”(99.9999%)的可靠性要求。承载网也必须服务于这样的要求,还要有足够强大的容灾能力和故障恢复能力。

易于运维:5G承载网将会无比巨大,设备数量多,网络架构复杂。如果网络不能够做到灵活、智能、高效、开放,那对于运营商和运维工作人员来说就是一场噩梦。

支持切片:切片是5G网络核心能力。承载网当然也必须支持切片。

蜂窝坍塌?关于6G架构变革的思考插图1

图2:网络切片架构图

从整体上来看,除了前传之外,承载网就是主要由城域网和骨干网共同组成的。而城域网,又分为接入层、汇聚层和核心层。

蜂窝坍塌?关于6G架构变革的思考插图2

图3:承载网结构图(范例)

为解决基站超大带宽数据传输问题,需提升网络容量。5G中低频基站所需传输带宽为2~5Gbit/s,是4G基站的10-15倍左右。我国基站接入环线路带宽需从现网的大量1Gbit/s和少量10Gbit/s,快速扩容或新建到50Gbit/s乃至100Gbit/s;核心和汇聚层网络带宽需要通过建设多个100Gbit/s、200Gbit/s乃至400Gbit/s系统,满足Tbit/s容量要求。从5G承载网核心层、汇聚层、接入层的组网形态基本是环形组网,其功能也完全是在MAC层进行。

蜂窝坍塌?关于6G架构变革的思考插图3

图4:IPRAN 5G的典型组网

但是到了6G太赫兹基站的组网就出现了颠覆式挑战,6G的太赫兹基站大约是一个太赫兹基站的速率就达到100G比特/S—1T比特/S级别,一个接入环就达到10T的级别。按照日本技术专家的估计,6G太赫兹基站覆盖同样一片区域的基站数是现在基站的数十倍,甚至数百倍。现在的SPN、M-OTN、IPRAN和环形组网都无法满足。所以,随着6G太赫兹到来无线蜂窝架构的坍塌,传统的承载网的SPN、IPRAN就会随之坍塌。其组网方式也会出现新的模式。而光纤直驱、WDM、星型组网将成为主流。

6G巨大容量的场景,像大型综合商业体、密集工业应用、全息通信等等的基站接入端会迅速汇聚到边缘数据中心,采用光纤直驱和星形组网成本和部署更为方便。从边缘数据中心汇聚到大型数据中心采用WDM组网更为合适。在这种场景下,光数转换(传统是光模块)、光交换的技术会发生变革。例如,硅光子技术就可以彻底改变传统光模块高成本的问题,同时接入端距离在2-10公里的边缘数据中心可采用高调制指数的调制解调。另外对于各数据中心的业务调用和交换,硅光子技术(光技术与电技术密切融合)可谓有着得天独厚的优势。

英特尔硅光产品部副总裁兼总经理Hong
Hou博士说道,“我们的超大规模云客户目前正在使用英特尔的100G硅光收发器,以大规模提供高性能的数据中心基础设施。通过将此技术扩展到数据中心以外网络边缘的5G基础设施,我们可以为通信服务提供商提供了同样的优势,同时支持5G的前传带宽需求。”

在以数据为中心的时代,转移、存储和处理数据的能力是最重要的。英特尔的100G硅光解决方案通过提供快速、可靠和经济高效的连接能力而提供巨大的价值。工业界向5G的转变,以及视频流等现有网络流量的快速增加,正在扩展的频谱范围压力,包括毫米波、大规模MIMO和网络密集化,让现有的通信基础设施越来越紧张。英特尔最新的100G硅光收发器可满足5G无线前传应用的带宽需求。这些收发器旨在满足蜂窝塔的恶劣户外条件,从而支持光学传输到最近的基带单元或中心局(最长10公里)。英特尔集成激光进入硅芯片的方法使其硅光收发器适合如5G基础设施攀升带来的大规模生产和部署。针对5G无线基础设施的英特尔硅光收发器样品现已上市。

可以想象,未来到了6G,太赫兹基站到边缘数据中心完全可达到400G-1T传输容量。在6G基站直接封装硅光芯片,直接回传到边缘数据中心-MEC。边缘数据中心到汇聚数据中心以及到大型冷备份数据中心也会大量采用硅光芯片设备完成全光交换。

所以,到了6G,技术竞争力不但要衡量太赫兹无线技术,硅光芯片水平一定也是衡量6G竞争力的关键技术。

三、 蜂窝坍塌对无线接入变革之猜想

移动通信无线部分从1G到5G经历了从模拟到数字多次变革。其中多址方式的变革波澜壮阔。

第一代频分多址FDMA(Frequency Division Multiple
Access/Address)把系统带宽分成若干个子带,通过给不同的用户分配不同的频率子带,即频率复用,并利用带通滤波器来进一步减少不同用户之间的干扰,但频谱利用率低,设备复杂,容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不能提供自动漫游等。

第二代时分多址。时分多址TDMA(time division multiple
access)把时间分割成互不重叠的时段(帧),再将帧分割成互不重叠的时隙(信道)与用户具有一一对应关系,依据时隙区分来自不同地址的用户信号,从而完成的多址连接。这是通信技术中基本多址技术之一,一种数字传输技术,将无线电频率分成不同的时间间隙来分配给若干个通话。在2G(为GSM)移动通信系统中多被采用,卫星通信和光纤通信的多址技术中。TDMA较之FDMA具有通信口号质量高,保密较好,系统容量较大等优点,但它必须有精确定时和同步以保证移动终端和基站间正常通信,技术上比较复杂。

第三代码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess),它是在数字技术的分支——扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术,即将需传送的具有一定信号带宽信息数据,用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去,它的特点提高频谱效率、有极强的抗干扰能力。

第四代空分多址SDMA(Space Division Multiple
Access),也称为多光束频率复用,通过标记不同方位相同频率的天线光束来进行频率的复用,并实现了无线电波的波速赋形,大大提高了无线通信的效率和带宽。4G系统能够以100Mbps的速度下载,上传的速度也能达到20Mbps,并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。4G手机传递信息依靠的是电磁波来实现的。到了5G时代延续采用了SDMA的多址方式,只是随着IT和CT的融合,提高了空分和波速赋形的规模,达到了64-192天线的空分和波速赋形。被称为彰显5G硬件杀器和算力及智能算法的Massive
MIMO。

值得注意的是调制解调技术QPSK到不断加码的4QAM-256QAM高阶调制解调方式。

正是由于这些技术的发展和演进才成就了我们今天得以自豪的第五代移动通信。

除了日益精进的多址方式、复用方式、高调制解调技术。为了实现蜂窝网的连续覆盖,在其帧结构中从2G-5G都使用了大量时频资源完成无线网络随机接入、空口测量(包括5G的波束赋形的对用户测量沟通)、RRC连接、鉴权、无线资源管理、移动性管理等信令开销,以当前主流的几种5G帧结构配置为例,不同帧结构的配置下,系统的上下行开销均由各种信道指示及测量信息、随机接入信道消息、上下行控制信道消息、广播信道消息以及调制解调参考消息等所占符号数占比决定,但根据帧结构的不同系统信令开销占比也有所差异,整体来讲上下行开销占比大约为20%-28%。也就是说系统利用了20%-28%的时频资源完成系统消息广播、基站与手机对接握手(不管你是否在打电话或上网,实时的信令链接)、手机终端的合法鉴权、手机与手机或手机与互联网站专属通信通道、手机或终端的通信时长和流量计费依据、为了消除基站同频干扰的基站之间的协同(宏基站协同,宏微基站协同,室外与室内基站的协同)、尤其是为了实现4G-5G时代MIMO(多天线与赋形技术)需要对手机或终端的测量与交互。而且为了完成这些信令交互要花费大量的功率即耗去大量的电力资源!(这也是在6G中是否能节能减排、打造绿色无线网络的重要指标)长久以来,无论如何,花费这么多的频谱资源保证了无线蜂窝网络畅通、高质量、多业务、高效率的通信,奠定了2G-5G移动通信基础和辉煌。

现在问题来了,6G通信系统使用了毫米波、太赫兹、可见光基站频率从20G-300G甚至更高,覆盖距离10-50米(有效组网覆盖距离,以边缘速率而定)基站多如牛毛,是否还要传承传统2G-5G的信令开销呢?在现代大带宽、大数据、北斗/GPS的今天,我的结论是不需要传承传统无线蜂窝网络架构下这么多的信令开销!为什么?我们来分析:

1、首先传统无线蜂窝网络要完成广播、终端寻址的交互(双向交互)、鉴权和建立终端与终端的专属信道链接。而在6G这么密集的基站、这么大带宽的背景下完全没有必要,只要终端向基站单独发出信号报到即可,当终端向基站报到时就在大数据库里留下其行为轨迹,足可以完成寻址的功能。其次,充分的互联网应用和各行业应用越来越显示了登录自主在线或实时在线的行为举止,完成通信链接成为终端自主的行为,只要在线就不需要寻址,而且可以在网络层以上完成了鉴权与链接(例如,我们跟远在千里之外的亲人或朋友在互联网通信,如微信视频、微信通话需要知道他的物理位置在那个基站下吗?需要所谓的寻址吗?完全不需要,只需要在无线宽带环境下你在线了即可)。在其终端登录时就自然利用网络层以上信令完成鉴权,也不需要在无线网络内部的MAC层完成鉴权。最后,手机或终端通信时长和流量也完全可以网络层以上的业务计量来解决,而不需要在无线蜂窝网内部的MAC层去利用复杂的定时、定位交互来解决。

2、无线蜂窝网络因频率资源而采用了频率复用,为了消除基站间同频干扰及其它绕射、反射的干扰需要基站间的交互和协同,就像在北上广等大型城市的交通规划一样,有各种红绿灯、单双行道和各种立交桥,完成交通的安全,但耗费的资源和成本也是巨大的。到了6G时代的毫米波、太赫兹,频谱资源丰富,各种不同带宽的业务完成可以采用跳频技术来完成。(例如,太赫兹到了100G-300G频段其可用于通信的相对带宽10G-30G左右,其业务速率可达到100G-1T左右,完全可以通过不同业务速率和频段的跳频技术来完成,这样就可大大简化需要基站协同所花费的资源开销。同时可以大大降低无线网络和基站的成本!)

3、固然在未来6G通信还要用到多天线的MIMO技术来增加覆盖的距离和用户无线赋形提高频谱效率和用户通信质量,也未必要采用传统的测量交互技术,而应该利用北斗/GPS定位技术和密集基站的终端报到的大数据行为轨迹来代替基站与终端的测量技术来感知用户的方式来完成MIMO的用户赋形,达到既可以减少这部分信令开销,节省频谱资源,又可以大幅度的降低耗电和基站成本。这样做才能非常有效的完成6G基站即插即用,即使有些行业应用需要组织高质量的局部网略也可以利用网络层以上(即无线云来锁定和部署)信令来完成。

通过以上分析,在6G时代的太赫兹系统完全可以颠覆无线蜂窝网络的系统架构,我把它称之为“蜂窝坍塌”。而蜂窝坍塌的核心在于无线蜂窝网络基站内部的传统架构坍塌,也就是其无线帧结构协议栈坍塌,我理想中的无线网络信令资源开销大约是5%左右。

虽然我们还在探讨6G有哪些潜在的关键技术,但可以看到这样的颠覆可以完成诸多专家畅想的全息通信、AR/VR、智慧网络、基站即插即用、分布式自组织网络等等的场景化业务。而且可以:

1、大幅降低由于各种开销所带来频率浪费,提高频谱利用率(这是无线仁人志士一直追求的梦想);2、大幅降低由于各种信令交互所带来的时延;3、大幅降低传统蜂窝架构带来的耗电;4、大幅降低6G网络部署和基站的成本。当然这是对室外宏基站而言,对室内覆盖需要,特别对待室内定位定时技术,一般而言是在无线帧结构里进行安排实现,为什么不能用更低频段的蓝牙技术来完成呢?

蜂窝坍塌后,需要创新的架构和协议栈、技术、产品才能完美的匹配现在正在发生重大变局的云计算、大数据、人工智能、1-5纳米芯片、各行各业自主应用、天地一体化、6G与5G(广域覆盖)协同和演进。


第三章

蜂窝坍塌对未来网络架构及与传统蜂窝网络共存和协同之思考


一、 蜂窝坍塌后未来网络架构之猜想

前面几章分析了6G时代的毫米波、太赫兹频段的地面蜂窝网络坍塌的可能。那么要问蜂窝网络坍塌之后,毫米波、太赫兹频段的无线网络架构是怎样的?协议栈如何创新?产品形态如何?正是业界最为关注的事。

6G太赫兹基站组网有效覆盖只有10米-50米左右由边缘速率决定),覆盖一片区域,基站多如牛毛,蜂窝网络的MAC层链接组网架构和协议栈必然坍塌。而且,在新的云时代,大大小小的数据中心、北斗定位定时、硅光子为基础的全光网络承载、人工智能等元素的环境下,在6G时代的功能愿景是:沉浸化、智慧化、全域化、即插即用、自组织AI无线网络等全新趋势。

例如,云化XR、全息通信、感官互联、智慧交互等沉浸化业务应用不仅可为用户带来更加身临其境的极致体验,满足更高层次的交互需求,还可为医疗健康、工业生产、现代农业等领域带来革命性的变革;通信感知、普惠智能、数字孪生等智慧化业务推动人类进入虚拟化的数字孪生世界;全域覆盖业务借助6G构建的全球无缝覆盖的空天地一体化网络,可以真正实现人类全域宽带移动通信的梦想。

所以,6G毫米波、太赫兹、可见光等无线基站的网络架构:

蜂窝坍塌?关于6G架构变革的思考插图4

图5:未来无线网络架构

(1)传统的核心网全面云化大大小小的数据中心):把传统核心网完成的MAC层的种种功能提升至网络层以上,把传统的核心网彻底迁移到云端,而且CT和IT的快速融合以实现真正意义上的虚拟化、分布式、SDN化成为不可逆转的趋势。这样才能为运营商提供更灵活和可扩展的服务模型;才可能完全借助云计算、大数据、边缘计算MEC完成随意组网和行业的个性化服务;才能大幅度的降低基础设施建设和维护成本;才能通过AI人工智能实现建设运营自动化和向客户提供差异化的服务产品。

(2)承载网络的全光化:正是由于6G时代的毫米波、太赫兹,可见光基站覆盖距离短有效组网覆盖距离10-50米左右)、基站多如牛毛传统宏蜂窝基站的数倍、甚至数十倍)、基站上下行速率高100G-1T),传统的承载PTN/SPN、IPRAN必然不适应而被淘汰,传统的光模块以及光的数模转换已无法适应蜂窝坍塌后6G的无线基站回传和大规模数据中心的远距离调用和交换。业界硅光子技术快速发展为这一需求展现了极为广阔的前景。未来承载网络会变为以大规模数据中心调用与交换的核心层它会以长距离传输和交换为主)和以无线接入包括家庭有线光接入)回传到次数据中心其重点是边缘计算MEC)的接入层的两层网络。而应用极为广泛和重要的承载接入层会利用硅光子技术把光的数模转化、光调制解调、光的交换都融为一体。会作为一块光的SOC芯片植入6G毫米波、太赫兹、可见光基站,把源源不断的用户数据和业务接纳到MEC,并汇聚到大规模的数据中心联合调用与交换。

(3)6G时代的毫米波、太赫兹、可见光基站是白盒化、即插即用化、智能化。它会呈现“微基站”产品形态,问题在于:1、硅光子、基带、无线、人工智能一体化的“SOC基站”?2、以MEC为汇聚节点的硅光子、基带、人工智能为核心的“IT
BBU”+硅光子、无线调频、MIMO为核心的“微RRU”。

我认为两种形态都会存在。“SOC基站”用户使用更方便,因为它麻雀虽小五脏俱全,就像我们现在使用的光猫无线机顶盒一样,可以在任何地点和环境下即插即用,可以通过云计算或MEC实现白盒化的智能化组网,可以更方便的开展业务和服务,甚至独享带宽更高、时延更低的服务。但它的缺点首先要为五脏俱全付出代价因为它是一种独立运行的状态),尤其人工智能算力会造成很大的浪费,其建设成本和运维成本会比较高。其次,为了降低成本,制造商会在SOC一体化上下功夫,采用软硬件垂直简化,并且它与边缘计算MEC的作用冲突,不方便增加人工智能算力和升级。而“IT
BBU”+“微RRU”基站组网模式,其中“IT
BBU”可以设置在MEC平台内,可以更方便的实现近距离、本地化分流)、低时延,就近接入合作伙伴网络,或就近提供服务,满足低时延、高带宽的业务需求;实现方便快捷的服务,包括云计算能力、云存储能力等;可以汇聚和分享感知能力,业务感知、网络感知、位置感知、用户感知;可以众多用户按业务需求智能化的分享无线带宽和时延等无线资源和MEC算力安排。最重要的是,由于“IT
BBU”+“微RRU”可在保障大带宽、低时延、多链接状态下,充分利用MEC完成人工智能算力、完成本地业务分流、完成MIMO的多天线赋形、完成多基站COMP、完成基站间的跳频协同、完成终端之间的无线覆盖和流量分享。
还可以通过软件升级的方式大幅度延长整个系统的寿命周期,从而大幅度降低建设和运维成本。

总之,未来网络的架构必定会在传统无线蜂窝网络坍塌基础上发生变革。它呈现了几个关键的变革:以人工智能为宗旨的核心网云化、以硅光子为基础的全光网络、以提高无线频谱利用率为追求的无线帧结构和无线协议栈彻底重构、以MEC为重要节点的无线“IT BBU”+“微RRU”组网模式。

另外,“SOC基站”虽然不适合大规模或行业的局域无线网络,但其即插即用、独立分享、快速部署业务的特点,尤其是在家庭、各种小企业、应急通信方面有很大的优势,仍是6G未来网络可选的产品形态。

二、 传统蜂窝网络与未来网络共存与协同

前几章充分论述了传统无线蜂窝网络坍塌以及未来6G时代的毫米波、太赫兹、可见光基站的网络架构以及协议栈的变革。那么,未来网络如何与传统蜂窝网络的共存与协同发展必将成为一个重要的课题。

从宏观方面看,移动通信网络永远追求更高的速率、更低的时延、更多的链接、更高的频谱利用率、更低的使用成本、宏微覆盖、天地一体化覆盖、室内外联合覆盖。从微观上看,6G时代的毫米波、太赫兹、可见光基站的未来地面网络是传统无线蜂窝网络架构坍塌之后的革命性改变,但仍然逃不脱无线覆盖这一移动通信的根本命题,这也是6G的未来网络与传统无线蜂窝网络共存与协同的关键。传统无线蜂窝网络有非常好的宏覆盖组网,而6G的毫米波、太赫兹、可见光基站是典型的微覆盖组网,6G未来网络与传统无线蜂窝网络共存与协同之路就是“宏微覆盖”的有效融合。这样才能发挥传统无线蜂窝网络宏覆盖的巨大优势,同时6G未来微覆盖网络可以发挥它更高速率、更低时延、更多链接、更大容量的优势。而且融合与协同之后,可以根据用户业务需求的不同来选择不同的网络、不同的业务流量、不同的业务保密等级,就像我们使用自来水一样,你想要多大的水流量,你就拧开多大,我把它成为“无线自来水系统”。

从2G发展到5G的传统上看,新一代移动通信系统原则是兼容旧一代移动通信网络系统,尽管为了向下兼容,使得每一代移动通信系统越来越复杂,付出的代价很大,但由于它们都是传承了传统无线蜂窝网络的架构和基本相似的协议栈,兼容会发挥更大的作用,可见要想让传统的无线蜂窝网络架构向上兼容会付出极大的代价和时间成本。然而,6G时代的网络架构变革无法向下兼容。6G未来网络与传统无线蜂窝网络的无线“宏微覆盖”是长期共存与协同的需要,其协同在哪个节点进行?很容易想到其协同节点在计算云上。也就是不管是6G未来网络,还是传统2G到5G的传统无线网络都要在七层模型上层网络层以上)握手、融合、协同。那么达到这样握手、融合、协同就需要对传统无线蜂窝网络中的核心网进行改造,使之适应与6G未来网络的共存与协同。即使传统的无线蜂窝网络长时期保留其在MAC层的各种功能和协议栈,也要在七层模型的上层使传统无线蜂窝网络与6G未来网络在业务层完全融合与协同,使客户能够享受到无缝的业务体验。

蜂窝坍塌?关于6G架构变革的思考插图5

图6:未来无线网络与4/5G网络协同架构

另外,毫米波的波长是1毫米-10毫米,频率是28G-300G,全球规划的毫米波频谱是18G-70G左右是现在Sub-6G使用频段的5-10倍)与太赫兹频段最为接近,其设备形态和覆盖距离已经具备了传统无线蜂窝网络坍塌的特征,也是业界最期待应用到需要大带宽、低时延、尤其是上行带宽必备需求的各种特殊行业。它也是B5G和6G太赫兹频段的衔接。因此,如果想在6G上有大的作为,就应该从毫米波开始进行变革,重构其网络架构和协议栈,为未来6G网络独占鳌头奠定基础。


后记


在对传统无线蜂窝网络坍塌进行脑洞大开的猜想和分析之后,想的更多的是肯定会引起热议和巨大争议。这样做值得吗?

从事了40多年的电信领域,见证了我们国家通信从一穷二白到电信大国,而今迈入电信强国。自改革开放初期,电信便成为改革开放的桥头堡。国内的企业从程控交换机起步,到计算机通信、光通信、移动通信,潮起潮落,波澜壮阔,多少电信界的前辈和仁人志士不忘强国初心,忍辱负重,每日工作时间是西方电信人的数倍,学习模仿、精进创新、日夜赶超,才有了今天的大好局面。以三大运营商、华为、中兴、大唐为代表的民族电信企业创造了世界电信业的奇迹。在移动通信领域从“1G空白、2G跟随、3G突破、4G并跑、到5G领先”进行了艰苦卓绝、逆袭翻盘的壮举。终于使中国全球3GPP的5G标准的必要专利占全球第一,产品形态和软硬件、大规模应用占全球第一,第一次使得我国在一个领域里,从技术标准、产品、大规模应用全面领先于西方(绝无仅有),为我国的改革开放、建成小康社会、建设科技强国做了不可磨灭的贡献!

作为遏制中国战略的一部分,美国在5G应用毫米波的基础上,开始了5G甚至6G的变革,建立了6G联盟把华为、中兴排除在外)。美国的ATIS表示:“我们6G联盟是为了在未来让北美的移动技术创新更上一层楼,并且奠定一个充满活力的市场基础,在5G
和6G
发展中确立北美卓越的贡献地位。”由此可见,美国对待此事也是一种针对中国5G的态度。事实上也的确是中国近年来发展十分迅猛,不得不让坐惯世界“领跑者”宝座的美国警醒,从而开始处处针对中国,对华为、中兴等民族企业痛下“杀手”。更值得警惕的是美国在遏制中国的同时,开始了奋起直追。

百尺竿头更进一步,2019年11月3日,科技部会同国家发展改革委、教育部、工业和信息化部、中科院、自然科学基金委在北京组织召开6G技术研发工作启动会。会议宣布成立国家6G技术研发推进工作组和总体专家组,其中,推进工作组由相关政府部门组成,职责是推动6G技术研发工作实施。总体专家组由来自高校、科研院所和企业共37位专家组成,主要负责提出6G技术研究布局建议与技术论证,为重大决策提供咨询与建议。6G技术研发推进工作组和总体专家组的成立,标志着我国6G技术研发工作正式启动。

未来6G的标准、专利、技术、设备形态、大规模应用、6G应用业务愿景上已经开始了没有硝烟的战争!同时,要看到美国毕竟是全球领先的科技大国,并在6G网络的架构、技术、材料、产品开始励志图新,例如,AI&T云化核心网的变革;硅光子技术的日益精进;无线基站白盒化创新无一不在重构6G的网络架构和协议栈,想在6G标准上重夺话语权!

我们的产学研不能沉浸在5G的领先气氛中,面对前所未有的变革,要重视“传统无线蜂窝网络坍塌”后的6G未来网络架构和协议栈的重构!不能没看到或看到了不以为然,错失与时俱进、敢于扬弃、不断创新的机会。

而今迈步从头越,未雨绸缪,再立杆头!希望助推我国未来的6G更好发展和产业领先!

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