作者：中國聯(lián)通研究院 張雪貝 隋騰飛 曹暢等
摘要
移動算力網絡是算力網絡在移動接入場景下的具象化，通過管理和分配分布式計算資源，提高網絡與計算協(xié)同的效率。文章首先介紹中國聯(lián)通提出的6G網絡體系架構，強調“超越連接”的設計理念，并由此引出移動算力網絡的總體框架設計和潛在關鍵技術研究，接下來介紹移動算力網絡典型場景的應用探索。最后，總結梳理其在國內外標準化組織的相關研究進展，并建議持續(xù)推動移動算力網絡關鍵技術研究和標準化工作，呼吁業(yè)界共同構建移動算力網絡的標準體系，推動面向6G及下一代網絡的算網融合的深入研究和探索。
關鍵詞
6G；移動算力網絡；網絡架構
引言
算力網絡是一種新型的信息基礎設施，通過管理和分配分布式的計算資源，實現(xiàn)計算任務的并行執(zhí)行和負載均衡，提高計算效率和性能。隨著移動終端算力發(fā)展迅猛、端邊網云移動業(yè)務發(fā)展多樣、網絡內生算力服務需求日益增長，6G移動網絡架構的持續(xù)演進成為必然。
移動算力網絡是算力網絡在移動接入場景下的具體體現(xiàn)，它在傳統(tǒng)移動網絡的基礎上增強了內生計算能力，并通過管控機制實現(xiàn)連接資源與算力資源的協(xié)同。移動算力網絡拓展增強了算力網絡的云邊端算力協(xié)同能力，兼顧算力與移動性需求。
6G移動算力網絡研究背景
算力網絡是指利用分布在云、邊、端上的計算資源，通過網絡連接協(xié)同工作，按需分配和靈活調度計算資源、存儲資源以及網絡資源的新型信息基礎設施。通過有效地管理和分配分布式計算資源，將計算任務分發(fā)到合適的設備上進行處理，提供高效、靈活、可擴展的計算能力，以滿足不同應用場景的需求，實現(xiàn)任務的并行執(zhí)行和負載均衡，提高計算效率和性能。
隨著近兩年AI大模型的迅猛發(fā)展，從單模態(tài)到多模態(tài)技術的演變，催生如ChatGPT、SORA等AI應用的規(guī)模落地；同時伴隨著XR設備、智慧汽車等終端算力的快速增強，和無人機、車聯(lián)網等端邊網云協(xié)同的移動業(yè)務的發(fā)展，帶來了對運營商網絡的算力、顯存、帶寬等的巨大需求，激發(fā)著通信網絡的新一輪變革[1-2]，移動網絡需要具備提供內生的算力服務的能力，推動網絡由外掛智能向內生智能轉變[3]，6G網絡架構從單一的提供連接服務，向提供超越連接的多維服務演進[4-5]。
算力網絡前期的研究主要關注承載側的算網資源感知調度，隨著6G網絡架構的深入研究，IMT2030網絡組發(fā)布的《6G網絡架構展望白皮書》[6]中，提出把計算功能引入6G網絡，將算力網絡的概念延伸到移動網絡。移動算力網絡是算力網絡在移動接入場景下的具象化體現(xiàn)，以傳統(tǒng)移動網絡及其提供的連接服務為基礎，在保障業(yè)務連接質量要求的同時，增強了移動網絡內的泛在算力(如終端、邊緣、核心側等算力資源)能力，并兼顧算力與移動性需求，通過管控機制來協(xié)同連接資源和算力資源，從而實現(xiàn)在移動網內提供按需的計算服務，拓展了算力網絡云邊端協(xié)同的能力。
中國聯(lián)通6G移動算力網絡架構
中國聯(lián)通繼承CUBE-Net3.0的技術理念和架構設計，于2023年發(fā)布了《中國聯(lián)通6G網絡體系架構白皮書》[7]，提出了面向6G“新網絡，新服務，新生態(tài)”的層次化數(shù)智化服務使能平臺架構設計。其設計理念可概括為以下三個方面。
1)面向“超越鏈接”：打造超越連接的“新網絡”，網絡提供的服務從單一的連接服務擴展到智能、感知、數(shù)據(jù)、計算、安全新服務，構筑智能泛在的綜合型數(shù)字信息基礎設施。
2)面向“多元用戶”：創(chuàng)新面向多元用戶的“新服務”，網絡從為終端用戶提供服務轉變?yōu)橄蛐袠I(yè)用戶、OTT應用、子網絡等泛在用戶提供綜合服務，滿足千行百業(yè)差異化需求和智算融合需要。
3)面向“平臺即服務”：構建平臺賦能的“新生態(tài)”，網絡從提供單邊的連接管道服務變成面向多元用戶提供多邊服務的使能平臺，以促進云網邊端業(yè)協(xié)同和產業(yè)生態(tài)繁榮發(fā)展。
基于上述網絡架構設計，面向“超越連接”的設計，網絡提供的服務將從單一的連接服務，擴展到智能、感知、數(shù)據(jù)、計算、安全新服務。主要體現(xiàn)在以下三個方面。
1)內生：現(xiàn)有網絡架構，以大帶寬、低時延的連接功能為主，其他功能的引入和實現(xiàn)，主要通過外掛式的方式完成，無法滿足6G多樣的業(yè)務需求和動態(tài)復雜環(huán)境需求。因此，6G網絡架構需要注入多種功能內生和融合基因，從網絡功能、接口、協(xié)議棧等方面端到端支持智能、算力、安全等內生能力。
2)協(xié)同：現(xiàn)有面向連接的網絡架構，提供了基于會話的管控和連接QoS保障機制。當6G網絡需要超越連接提供各類新業(yè)務時，需要提供超越會話的協(xié)同機制，在網絡架構層面引入新的管控量綱，基于任務協(xié)同新業(yè)務所需要的連接、數(shù)據(jù)、計算多個維度資源，以此實現(xiàn)新業(yè)務的管控和QoS保障。
3)分布：6G多樣化新業(yè)務所需的連接、計算、數(shù)據(jù)等能力來源于不同區(qū)域、不同資源池、不同組織，6G網絡需要調度和聯(lián)接上述多種不同的網絡能力，提供用戶就近、隨用戶移動的、分布式的網絡服務，滿足用戶對6G融合業(yè)務的訴求。
因此，圍繞這一設計理念，本文基于中國聯(lián)通6G網絡系統(tǒng)架構開展了深入細化的研究，在功能層引入計算功能，作為打造超越連接的“新網絡”，構筑智能泛在的綜合型數(shù)字信息基礎設施的重要一環(huán)。并持續(xù)開展移動算力網絡相關的研究探索，提出了中國聯(lián)通6G移動算力網絡的總體框架，通過在移動網絡中引入內生的計算功能，增強傳統(tǒng)控制面支持計算會話、移動性管理、算網協(xié)同等全局控制，提供靈活調度和QoS保障，實現(xiàn)算網服務的按需高效供給。該架構在服務管控層、功能層和資源層三個層面分別做了內生計算的增強擴展。6G移動算力網絡總體框架如圖1所示，主要包括算網服務編排、算網資源管理、移動算網控制調度等關鍵模塊，在3.1章節(jié)展開詳述。
圖1 6G移動算力網絡總體架構
中國聯(lián)通6G移動算力網絡模塊設計及關鍵技術
移動算力網絡模塊設計
面向超越連接的設計，未來面向6G的網絡將不再只提供單一的連接服務，而是集成了連接服務、計算服務、數(shù)據(jù)服務等的多業(yè)務使能平臺，面向移動網絡與算力底座協(xié)同的6G移動算力網絡將是實現(xiàn)這一目標的核心�；谇拔奶岢龅囊苿铀懔W絡總體架構，本章節(jié)圍繞涉及的關鍵模塊和技術展開詳細闡述。如圖1所示，移動算力網絡架構基于《中國聯(lián)通6G網絡體系架構白皮書》[7]里的6G系統(tǒng)架構做了以下幾方面細化擴展。
1)在服務和管控層，增加了算網服務編排功能和算網資源管理功能。其中，算網服務編排功能主要負責算網服務標識、需求及生命周期管理，服務分解和資源映射，以及跨域算網服務信息的獲取；算網資源管理功能則通過算網編排單元(CO)統(tǒng)一管理底層計算/存儲/網絡等資源信息，實現(xiàn)算網資源的感知、注冊、建模等，以及跨域的算網資源交互等。
2)在功能層，主要包括控制面功能、用戶面功能、計算功能等。其中，在控制面功能中增加了算網控制單元(CC)，用于實現(xiàn)算網聯(lián)合的路徑規(guī)劃和QoS保障，并增強現(xiàn)有控制面對計算會話的管控能力，為UE動態(tài)選擇最優(yōu)算網資源及連接資源等；在計算功能部分，在終端/邊緣/核心側嵌入算網執(zhí)行單元(CE)，在統(tǒng)一編排控制下按需執(zhí)行分布式算網服務，并通過如通告方式實現(xiàn)資源和服務感知；在用戶面功能部分，則主要關注現(xiàn)有用戶面協(xié)議棧的演進、計算會話通道協(xié)議，以及跨面/跨域隧道協(xié)同[8-9]，如GTP-U與承載側SRv6的融合、對MoQ等特定業(yè)務傳輸協(xié)議的支持、增強對業(yè)務SLA感知能力，實現(xiàn)針對不同業(yè)務和服務類型的多樣化傳輸，用戶面可編程能力、跨域隧道的打通等，與承載側算力網絡的實現(xiàn)協(xié)同和統(tǒng)一調度。
3)在資源層，則在原先頻譜資源的基礎上，增加了計算、存儲、網絡等多維資源納管。
基于面向超越連接設計的6G移動算力網絡總體框架，通過在移動網絡中引入內生的計算功能，增強傳統(tǒng)控制面支持計算會話、移動性管理、算網協(xié)同等全局控制，提供靈活調度和QoS保障，實現(xiàn)計算服務的按需高效供給。
移動算力網絡潛在關鍵技術
根據(jù)3.1章節(jié)的功能模塊設計，移動算力網絡的潛在關鍵技術主要面向算網業(yè)務編排、算網融合感知、計算會話的控制調度等三個方面。
1)在算網業(yè)務編排方面，需要增強對算網業(yè)務需求的識別分析和編排調度能力，考慮引入服務功能鏈等能力，實現(xiàn)業(yè)務在不同功能計算節(jié)點的按序服務和路徑規(guī)劃，提供更高效率的按需計算服務，并研究算網服務的開放使能。
2)在算網融合感知方面，研究移動網內泛在異構計算資源的感知度量，增強NFV域內對泛在異構的算網資源的統(tǒng)一納管能力，研究用戶面融合SRv6等新協(xié)議的演進，提升網絡可編程能力，增強對承載側算網信息的交互能力，優(yōu)先考慮聚焦邊緣側實現(xiàn)算網融合，打通跨域的算網業(yè)務路徑、資源調度和跨域協(xié)同。
3)在計算會話的控制和調度方面，研究計算服務會話的管控機制，包括研究移動算力網絡典型場景相關的計算服務增強QoS需求和計算會話的融合調度、服務連續(xù)性保障等機制，高效支撐多元異構計算節(jié)點間協(xié)作的計算會話管控，同時也關注與用戶面等的協(xié)同能力，研究適應6G計算面與用戶面協(xié)同的演進路線，提升端網業(yè)協(xié)同能力，保障移動場景下的計算服務連續(xù)性和業(yè)務路由最佳，從而實現(xiàn)通信與計算更深度的融合。
移動算力網絡典型應用場景及標準化建設
典型應用場景探索
基于上述移動算力網絡總體框架，本文介紹在移動算力網絡應用場景上的一些實踐探索，包括車路云一體化智能網聯(lián)、移動終端算力上移、潮汐調度等場景，展示了移動算力網絡在不同領域的應用潛力。
1)車路云一體化智能聯(lián)網場景。通過構建端—邊—云協(xié)同的計算架構，根據(jù)車聯(lián)網不同業(yè)務對算力和時延的差異化需求，實現(xiàn)車聯(lián)網業(yè)務的分級部署和協(xié)同調度編排，賦能車路云一體化的智能網聯(lián)業(yè)務需求。目前重點關注的兩類典型場景如圖2所示：一個是面向局域的移動自主泊車場景，引入移動算力網絡，實現(xiàn)為車輛調度合適的計算服務節(jié)點，在車輛移動時保障UPF和計算節(jié)點的聯(lián)合調度；另一個是面向廣域的OTA升級場景，通過引入移動算力網絡，驗證非UE發(fā)起的計算會話控制能力，按需選擇合適的計算節(jié)點為UE傳輸/處理所需數(shù)據(jù)。其他典型的車聯(lián)網業(yè)務還有十字路口調度、邊端協(xié)同駕駛決策等場景。
圖2 車路云一體化智能聯(lián)網場景
移動終端算力上移場景：沉浸式業(yè)務(AR、VR)等應用強依賴算力支撐，受限于終端算力以及有限的電池容量和存儲空間，無法滿足大模型、大數(shù)據(jù)量的計算。由云服務器完成圖像計算，無法滿足時延要求，影響用戶體驗。因此，如圖3所示，可以借助移動算網提供近端算力服務，并通過實時感知算網資源狀態(tài)，實時動態(tài)進行算力路徑的調度切換。
圖3 移動終端算力上移場景示意圖
潮汐調度場景：主要是從綠色節(jié)能角度考慮，應對隨著算力下沉邊緣部署帶來的算力潮汐效應等額外問題。如圖4所示，以車聯(lián)網場景為例，在交通早晚高峰時期，算力高負載運行，移動算力網絡將碰撞告警、十字路口動態(tài)調度等實時性敏感的業(yè)務就近調度到邊緣節(jié)點，實現(xiàn)就近的計算處理和時延保障；而在非高峰期，邊緣算力節(jié)點低負載運行，通過統(tǒng)一的算網協(xié)同機制，實現(xiàn)固移融合的調度，將固網接入用戶的圖形渲染等算力任務，調度到低負載的邊緣算力節(jié)點處理，提高算力節(jié)點的能效。
圖4潮汐調度場景示意圖
移動算力網絡標準化思考
在移動算力網絡標準化方面，本文梳理總結了國內外各主要標準組織相關的研究報告和技術標準，圍繞構建網絡與計算深度融合的下一代新型泛在一體化基礎設施的標準化建設提出了思考和建議。
在5G網絡架構演進階段，IMT-2020(5G)推進組發(fā)布了《面向5G-A的移動算力網絡需求及關鍵技術展望》研究報告[10]，指出采用云—邊—端和邊—端協(xié)同的多層統(tǒng)一管理與協(xié)同調度機制，主要面向5G-A場景，難以滿足未來6G新型業(yè)務和架構演變需求。國內標準組織CCSA也發(fā)起了圍繞移動算力網絡總體技術研究的討論，指出在5G網絡架構演進階段重點需要開展基于5G-A的移動算力網絡的架構和技術研究。
在6G研究階段中，IMT-2030(6G)推進組也先后發(fā)布了《6G網絡架構愿景與關鍵技術展望白皮書》《6G 前沿關鍵技術研究報告》《算力網絡協(xié)同的場景及需求研究報告》[11-13]等多本白皮書和研究報告。白皮書和報告里均有提到要構建計算與網絡深度融合的新型泛在一體化基礎設施，提供“隨時、隨心、隨愿”的觸手可及的算力網絡服務；將移動算力網絡作為6G的關鍵組網技術之一，強調移動算力網絡是實現(xiàn)6G的關鍵組網技術，需要探索通算融合控制、計算服務會話管控、智能服務感知、移動算網編排等潛在關鍵技術的發(fā)展態(tài)勢和引入的可能性；并通過開展廣泛的討論和原型樣機測試等工作，推動業(yè)界在逐步形成通算融合架構和關鍵技術的共識。
在國際標準組織方面，雖然3GPP對引入算力一直保持較為審慎的態(tài)度[14]，但是可以看到從R19階段也在用戶面增強[15]、邊緣服務發(fā)現(xiàn)、XRM等多個研究課題中有涉及引入算力考量的潛在研究方案和提案：在FS_UPEAS用戶面增強研究課題中關注用戶面的服務化能力增強，在新的潛在技術方案中提出定義新參數(shù)來指示UPF非標準化能力，如CPU、NIC等；在FS_eEDGE_5GC[16]邊緣增強研究課題中則重點關注增強移動網發(fā)現(xiàn)邊緣應用服務EAS，包括新增EAS負載、計算能力等來綜合選擇合適的邊緣應用，推動邊緣算網融合形成共識；在XRM標準課題中，研究UPF作為Relay功能支持內容緩存實現(xiàn)媒體內容入網，增強移動網中的存儲能力和用戶面全互聯(lián)能力。在面向未來6G標準化建設的R20階段，也建議面向6G持續(xù)開展移動算力網絡典型場景的需求分析以及通算融合等關鍵技術的研究。
此外，在底層算力資源的管理和編排方面，則主要在ETSI展開討論。ETSI的網絡功能虛擬化NFV組主要關注底層計算/存儲/網絡資源的統(tǒng)一納管，建議考慮在NFV體系中增強算網資源管理、算網業(yè)務編排能力，增強對NFV域的異構算力節(jié)點統(tǒng)一納管編排能力和對異構計算資源的建模；擴展定義算力資源模型，建立端到端網絡模型等。
可以看出，移動算力網絡從5G-A萌芽，未來在6G將著重發(fā)力。建議未來在移動網絡及NFV框架中引入算網管理編排、控制調度、用戶面路徑可編程等相關技術研究和標準化工作，共同構建移動算力網絡標準體系，助力未來為多樣化算網融合業(yè)務提供按需服務。
結語
伴隨著移動終端算力發(fā)展迅猛、端邊網云移動業(yè)務發(fā)展多樣、網絡內生算力服務需求日益增長，運營商網絡的算力、顯存、帶寬等的需求劇增，激發(fā)著通信網絡的新一輪變革。本文從移動算力網絡的研究背景切入，深入分析了開展面向6G及下一代網絡的移動算力網絡架構和關鍵技術研究的緊迫性和必要性，之后以中國聯(lián)通提出的6G網絡體系架構為基礎展開擴展細化，引出了面向“超越連接”的6G移動算力絡的架構設計和關鍵技術研究，并對移動算力網絡的典型應用場景展開探索嘗試，最后梳理了國內外移動算力網絡相關的標準組織研究進展，并呼吁業(yè)界圍繞面向6G及下一代網絡的多樣化算網融合業(yè)務和移動算力網絡架構技術展開進一步的探討研究。
參考文獻
[1] 吳建軍,鄧娟,彭程暉,等.任務為中心的6G網絡AI架構[J].無線電通信技術,2022,48(4):599-613
[2] 彭程暉,鄧娟,吳建軍,等.6G通算融合網絡架構[J].無線電通信技術,2022,48(4):583-591
[3] IMT-2030(6G)推進組.6G智能內生網絡架構研究報告[R].2022
[4] 岳毅,張雪貝,王立文,等.面向6G的核心網網絡架構研究[J].郵電設計技術,2023(5):7-11
[5] 張雪貝,岳毅,楊文聰,等.6G數(shù)據(jù)及其功能研究[J].郵電設計技術,2023(5):19-24
[6] IMT-2030(6G)推進組.6G網絡架構展望白皮書[R].2023
[7] 中國聯(lián)通.中國聯(lián)通6G網絡體系架構白皮書[R].2023
[8] 張雪貝,王立文,楊文聰,等.面向5G-A及6G的用戶面演進研究及趨勢分析[J].信息通信技術與政策,2022(9):64-70
[9] 薛妍,楊立,謝峰.6G時代新用戶面設計和關鍵技術[J].移動通信,2022,46(6):1-7
[10] IMT-2020(5G)推進組.面向5G-A的移動算力網絡需求及潛在關鍵技術研究報告[R].2023
[11] IMT-2030(6G)推進組.6G網絡架構愿景與關鍵技術展望白皮書[R].2021
[12] IMT-2030(6G)推進組.6G前沿關鍵技術研究報告(網絡技術領域)[R].2023
[13] IMT-2030(6G)推進組.算力網絡協(xié)同管理的場景及需求研究報告[R].2023
[14] 3GPP. 3GPP TS 22.261 v19.6.0: Service Requirements for the 5G system; Stage 1[S]. 2024
[15] 3GPP. 3GPP TS 29.892 v16.0.0: Study on User Plane Protocol in 5GC[S]. 2019
[16] 3GPP. 3GPP TS 23.548 v18.6.0: 5G System Enhancements or Edge Computing; Stage 2[S]. 2024
