面向计算和智能融合的新型无线网一体化管理系统探讨.pdf

2024/01/DTPT1 概述5G为千行百业提供开放灵活、可定制的服务，无线接入网络需要向云化、开放、智能、安全等方向演进1。同时，随着云原生、人工智能等新兴技术与网络技术的深入融合，新一代无线接入网将朝着连接、计算和智能一体融合的方向发展，成为新一代的数字信息基础设施。为适应无线接入网（下文简称无线网）的演进，无线网的管理系统也需要提供网、算、智统一的新型管理能力。2 无线网的演进2.1 无线网的演进趋势随着云化5G网络和分布式计算等技术的日益成熟，面向智能服务的演进，网络将连接云、边、端，边缘算力将成为支撑智能服务的重要环节。未来无线网络融合边缘算力构成边缘智能服务的基础，基于内生AI能力，统一协同调度网络、存储、算力等多维资源，实现连接和算力在网络边缘的融合供给，构建“连接+面向计算和智能融合的新型无线网一体化管理系统探讨Research on RAN Integrated Management System forComputing and Intelligence Integration关键词：管理系统；无线网演进；MANO；O-RAN SMO；一体化管理架构doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2024.01.010文章编号：1007-3043（2024）01-0044-05中图分类号：TN929.5文献标识码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：摘要：新一代的无线网向着云化、智能、算网融合等方向演进，这对无线网的管理系统提出了更高的要求。管理系统将面对更多的资源和功能，需要提供更加高效快捷的运维能力。从未来无线网络对管理系统的需求角度出发，基于目前已有的管理系统架构和标准化工作，对下一代算、网、智一体化无线网管理系统的后续发展进行了探讨，希望为新型的无线网管理体系的发展提供思路。Abstract：The new generation of RAN is evolving in the direction of cloud，intelligence and computing network integration，which putsforward higher requirements for the wireless network management system.The management system will face more resourc-es and functions，and need to provide more efficient and fast operation and maintenance capabilities.From the perspective offuture wireless networks demand for management system，based on the existing management system architecture andstandard chemical work，this paper discusses the follow-up development of the next generation of integrated wireless net-work management system of computing，network and intelligence，hoping to provide ideas for the development of a newwireless network management system.Keywords：Management system；RAN evolution；MANO；O-RAN SMO；Integrated management architecture庞博1，唐雄燕1，黄蓉1，卢琰琳2（1.中国联通研究院，北京 100048；2.中国联通上海分公司，上海 200082）Pang Bo1，Tang Xiongyan1，Huang Rong1，Lu Yanlin2（1.China Unicom Research Institute，Beijing 100048，China；2.China UnicomShanghai Branch，Shanghai 200082，China）基金项目：国家重点研发计划（2020YFB2104203）收稿日期：2023-12-14庞博，唐雄燕，黄蓉，卢琰琳面向计算和智能融合的新型无线网一体化管理系统探讨网络管理Network Management引用格式：庞博，唐雄燕，黄蓉，等.面向计算和智能融合的新型无线网一体化管理系统探讨 J.邮电设计技术，2024（1）：44-48.44邮电设计技术/2024/01计算+智能”的无线算网一体架构和技术体系，打造无线算网服务能力2。从技术发展的趋势来看，无线网络实现计算和智能功能一体承载的基础是云化技术，其逻辑架构如图1 所示。虚拟化层和硬件资源构成无线网的基础设施，为满足不同网络、业务、AI等能力的计算要求，硬件上需兼容异构算力资源，如网络加速卡、AI加速卡、GPU、DPU等；虚拟化层实现对硬件资源的管理和虚拟化。除了网络功能（CU、DU等）外，新型无线网还会集成多种算力，可以对外提供AI和第三方应用服务。管理系统则需要对新型无线网进行整体的管理和操作维护，并根据无线网业务的特点对网络、AI和第三方应用服务等功能进行编排和优化。2.2 无线网的云化发展现状无线网通过虚拟化或者云原生等技术向云化方向演进，CU（Centralized Unit）、DU（Distributed Unit）等网络功能可在基础设施上实现快速、灵活的部署。实现云化可采用2种方案：虚拟机技术和容器技术。从无线网的技术实践来看，其云化的进展较为缓慢。而且无线网部署位置分散、资源受限，无线侧协议功能复杂度大，对计算能力和实时性要求更高。虚拟机技术由于需要客户操作系统并为其模拟完整硬件系统功能，会额外消耗较多的硬件资源，难以满足无线侧的需求。近年来，随着IT技术的发展，以容器为代表的云原生技术获得了越来越广泛的应用。相对于虚拟机来说，容器更为轻量级，其额外消耗的资源更少、启动速度更快，更适用于无线网的需求。在标准工作方面，欧洲电信标准协会（EuropeanTelecommunications Standards Institute，ETSI）的网络功能虚拟化（network function virtualization，NFV）工作组提出了 NFV 的架构和标准3。O-RAN 联盟（O-RANALLIANCE）定义了开放的无线网的逻辑架构，包含O-RAN 的运行平台（O-Cloud）、网络功能（O-CU、O-DU、O-RU等）和管理系统4。后续将分别介绍这2种架构的管理系统。2.3 无线网的智能化发展现状对于无线网的智能化，业内提出了在无线网中引入无线智能控制器的智能管控架构。根据控制回路的时延，智能管控可以分为非实时和近实时两级架构，基于不同时间粒度进行差异化的处理，完成对网络及业务的优化决策，如图2所示。非实时的智能管控功能主要是进行AI/ML模型推理，并通过接口向近实时的智能化管控功能提供模型信息，其控制回路时间大于1 s。近实时智能管控功能，可承载不同的智能应用，并通过和网元设备间的接口采集基站侧实时数据，并对基站进行功能和资源的近实时控制和优化，其控制回路时间为10 ms1 s。3GPP针对5G系统化智能和管理架构方面，定义了网络数据分析功能（NetWork Data Analytics Functions，NWDAF）4、管理数据分析功能（ManagementData Analytics Functions，MDAF）6和相关机制流程。NWDAF是核心网中大数据采集和智能分析的网元，它可以从网元、网管和第三方服务中采集数据。MDAF作为管理与编排系统中的一项功能，可以用于RAN域、核心网域甚至多域之间的数据分析和优化，帮助实现管理系统的自动化和智能化。3 网络管理的演进3.1 网络管理的新需求无线网的演进使需要管理的对象的范围变得更大了，如图3所示。首先，基础设施从单纯的网络资源管理扩展为通用计算资源、AI计算资源、存储资源等；其次，功能从原有网络功能扩展为计算、AI等多种功能；最后，业务也会逐步发展成为多项功能的组合。管理系统需要从传统的网络设备的 OAM（Operation图1新型无线网逻辑架构虚拟化层基础设施第三方应用网络功能AI功能管理系统异构硬件资源图2两级智能管控架构无线网管理系统模型、策略等应用1应用2近实时智能控制实时数据和控制消息网元（CU、DU等）操作维护接口非实时智能控制庞博，唐雄燕，黄蓉，卢琰琳面向计算和智能融合的新型无线网一体化管理系统探讨网络管理Network Management452024/01/DTPTAdministration and Maintenance）管理功能进行扩展，实现对基础设施的统一管理和对网络、算力等多种服务的统一编排，还应进一步考虑利用AI技术实现网络优化和快捷运维，更好地满足业务需求。3.2 NFV的网络管理系统欧洲电信标准协会（ETSI）的网络功能虚拟化（NFV）工作组在 NFV 的架构和标准中提出了 MANO（management and orchestration）管理架构，如图4所示。MANO由3个功能块组成：NFVO编排器、VNFM管理器和虚拟基础设施管理器（VIM）。NFVO负责NFV基础设施和软件资源的编排和管理，并在NFVI上实现网络服务。VNFM负责VNF的生命周期管理（例如实例化、更新、查询、扩展、终止）。可以部署多个VNF管理器，可以为每个VNF部署一个VNFM，也可以部署1个 VNFM 管理多个 VNF 服务。VIM 用于管理和控制计算、存储、网络资源的虚拟化以及VNF与分配的资源之间的交互。这种基于虚拟机技术实现的架构已经应用在了5G的核心网中。NFV架构侧重于如何通过虚拟化的方式实现网络功能，其MANO部分侧重于对云平台的管理，并不包含传统的OAM管理功能，该功能由图4中的EM部分实现，所以该架构下的OAM管理功能和编排管理还是分为2套系统实现的。而且NFV架构设计较早，没有考虑到对智能化的支持，缺乏智能化功能或者智能化接口。3.3 O-RAN的网络管理系统O-RAN联盟（O-RAN ALLIANCE）定义了开放的无线网的逻辑架构，包含 O-RAN 的运行平台（O-Cloud）、网络功能（O-CU、O-DU、O-RU 等）和管理系统。O-Cloud是云化的计算平台，包含无线网需要的各种硬件资源，网络功能运行在云平台或者硬件设备上。O-RAN 管理系统被称为服务管理和编排框架（Service Management and Orchestration Framework，SMO），如图5所示。SMO定义了O-RAN支持的管理功能，包括传统的OAM功能，网络服务的管理编排，还有和其他O-RAN组件（比如基础设施管理）之间的交互功能。该架构支持通过开放的接口管理网络功能和云平台，实现网络功能和基础设施的统一管理。图5 中无线网的SMO即无线网的管理功能，其定图3新型无线网管理的对象图4基于NFV架构的无线网管理系统架构业务1网络资源业务2业务3网络功能功能集异构硬件资源池计算功能AI功能通用计算资源AI计算资源存储资源执行参考点其他参考点NFV主要参考点NFV管理和编排虚拟计算硬件资源Vi-HaNFV基础设施虚拟化网元3OSS/BSS系统Ve-VnfmNf-ViOr-ViOs-Ma虚拟化网元2虚拟化网元1网元管理1网元管理2网元管理3虚拟存储虚拟网络虚拟化层Vn-Nf计算硬件存储硬件网络硬件基础设施管理Vi-Vnfm虚拟化网元的生命周期管理NFV编排器Or-Vnfm庞博，唐雄燕，黄蓉，卢琰琳面向计算和智能融合的新型无线网一体化管理系统探讨网络管理Network Management46邮电设计技术/2024/01义的标准化管理接口如下。a）O1 接口：位于管理功能（SMO）和网络功能之间，对应传统的OAM管理功能的接口。b）O2 接口：位于管理功能（SMO）和云平台（O-Cloud）之间，对应基础设施管理和网络编排接口。c）A1接口位于管理功能（SMO）的非实时智能控制器和靠近网元部署的实时智能控制器之间，用于实现智能化管控。O-RAN的SMO架构包含了传统的OAM管理，并且考虑到了对云平台的管理和智能化功能的实现，但是其云平台只是用于支持网络功能（CU、DU等）的管理，没有考虑云平台计算能力扩展到用于感知、AI、第三方应用等其他计算服务，无法对未来的下一代网络特性需要的算力提供管理功能。3.4 网、算、智一体化管理架构面向无线网的演进趋势，管理系统需要采用一体化架构同时对网络功能和计算功能进行管理。在云、边、端算力通过网络协同的情况下，无线网位置更靠近终端/用户，将是边缘计算下沉部署的最佳选择7，这样不仅为自身的网络、感知、智能化等功能提供计算服务，还可以同时为网络上运行的业务提供服务，满足业务的实时性、大带宽、安全性与隐私保护等方面的需求。ETSI 制定了的多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）的架构和标准8。无线网的管理系统架构可以在综合NFV与O-RAN架构的基础上，融合MEC平台的管理功能，实现计算和网络的统一编排和管理，同时在管理系统内部增加智能化管理模块，实现网、算、智一体化管理架构。图6是一体化管理架构的参考实现。一体化管理架构的实现方案如下。a）基础设施管理负责硬件资源和虚拟化层的管理，需要支持多种虚拟化技术的接口或者功能。b）xNF（包括虚拟化网络功能VNF、容器化网络功能CNF等）生命周期管理负责xNF（包括网络功能、算力/AI支撑功能、计算/AI应用等）的生命周期管理。c）编排管理功能负责网元、计算应用和AI应用的编排和调度。d）智能化模块负责数据采集、算法管理、模型训图5O-RAN定义的开放无线网的架构图6网、算、智一体化管理架构O-RAN定义的接口3GPP定义的接口非O-RAN定义的接口非实时智能控制器实时智能控制器O-RU网络功能A1NG云平台通知O2O1开放前传管理接口云平台服务管理和编排框架核心网OSS/BSSAI计算资源基础设施xNFxNFxNFAI应用xNFAI应用xNFxNF计算应用计算应用xNF网络功能xNF网络功能一体化管理架构服务开放接口网络资源AI支撑功能虚拟化层通用计算资源网元OAM管理AI应用管理计算应用管理算力支撑功能资源池存储资源基础设施管理xNF生命周期管理计算应用编排编排管理网元编排AI应用编排智能化模块数据采集算法管理模型训练庞博，唐雄燕，黄蓉，卢琰琳面向计算和智能融合的新型无线网一体化管理系统探讨网络管理Network Management472024/01/DTPT练等功能，它可以被管理系统中的其他模块调用，实现管理的智能化。e）网元OAM管理功能负责网元的操作维护。f）计算/AI应用管理功能负责服务发现和授权、流量规则配置、应用操作维护等。g）最上层为服务开放接口，是对外提供服务的操作接口，用于对接OSS/BSS等上层管理系统。该接口不仅提供编排管理接口，还可以提供网元OAM管理接口、应用管理接口、智能化接口等。h）左侧的xNF中的算力支撑功能和AI支撑功能为应用的运行提供服务，如流量控制、DNS服务等。一体化管理功能的发展可能会面临以下挑战。a）无线网设备和功能的多样性。无线网的云化是一个渐进的过程，网络功能会从物理设备逐步迁移到云平台之上，难以避免地会存在物理设备和虚拟设备共存的情况。对此，管理系统需要深入研究如何建立统一的模型和管理流程，来降低管理的复杂性。b）编排的复杂性。面对网络功能和计算/AI应用的不同特点，如网络负载的潮汐现象和AI算法对任务编排的特定要求等，管理系统在编排时要考虑到网络功能和应用的编排策略的不同点，根据网络、计算等资源的能力和位置，制定灵活的编排策略，提高业务的效率。c）管理接口的标准化。当管理系统同时管理多个厂商的网络功能和应用时，如果各厂商采用非标准化的管理接口，那么接口的复杂性将成倍地增加，管理接口标准化也成为了一个重要课题。标准组织也在推动无线网管理系统的标准化工作，如3GPP定义了 5G 网 络 的 信 息 模 型（Network Resource Model，NRM）9、信息服务（Information Service，IS）和方案集（Solution Sets，SS）10，O-RAN定义了开放无线网的标准化接口等。d）管理系统的自动化与智能化。网络功能云化之后，云平台相对于专用硬件来说，可以极大地提高编排的灵活性和网络功能的部署、更新速度。同时，云平台也屏蔽了很多基础设施的实现细节。管理系统应该充分利用云平台的优势，通过AI技术提高自身的自动化水平，实现自动化、智能化的运维，提高管理的效率。4 结束语管理系统需要伴随无线网的演进不断地发展进步。随着网络规模的扩大、网络业务的多样化和复杂化，尤其是无线网在垂直行业的应用，运营商和行业客户都对管理系统有了更多明确或潜在的需求。本文梳理了无线网和管理系统的演进方向，希望能为无线网管理系统的发展提供思路。参考文献：1 李男，张凯，孙奇，等.无线云网络进展和演进思考 J.通信世界，2021（22）：34-37.2中国联通研究院.Moving towards RAN integrating connectivity，computing and intelligenceEB/OL.2023-08-11.https：/ functions virtualisation（NFV）；architectural framework：ETSI GS NFV 002 V1.2.1S/OL.2023-08-11.https：/www.etsi.org/deliver/etsi_gs/NFV/001_099/002/01.02.01_60/gs_NFV002v010201p.pdf.4O-RAN.WG1.O-RAN-architecture-description-v06.00EB/OL.2023-08-11.https：/wiki.o-ran-sc.org/display/OAM/G-Release.53GPP.Architecture enhancements for 5G system（5GS）to supportnetwork data analytics services：3GPP TS 23.288 V17.6.0S/OL.2023-08-11.ftp：/ftp.3gpp.org/Specs/.63GPP.Management and orchestration；management data analytics（MDA）：3GPP TS 28.104 V17.1.1S/OL.2023-08-11.ftp：/ftp.3gpp.org/Specs/.7 孟令彬，李娟，薛楠，等.5G边缘计算共享研究与展望 J.电信科学，2020，36（6）：38-44.8ETSI.Multi-access edge computing（MEC）；framework and reference architecture：ETSI GS MEC 003 V2.2.1S/OL.2023-08-11.https：/www.etsi.org/deliver/etsi_gs/MEC/001_099/003/02.02.01_60/gs_MEC003v020201p.pdf.93GPP.Management and orchestration；5G network resource model（NRM）；stage 2 and stage 3：3GPP TS 28.541 V17.5.0S/OL.2023-08-11.ftp：/ftp.3gpp.org/Specs/.10 3GPP.Telecommunication management，generic network resourcemodel（NRM）integration reference point（IRP）；information service（IS）：3GPP TS 28.622 V16.9.0S/OL.2023-08-11.ftp：/ftp.3gpp.org/Specs/.作者简介：庞博，毕业于北京交通大学，硕士，主要从事无线网和边缘计算相关领域的研究工作；唐雄燕，中国联通研究院副院长，首席科学家，教授级高级工程师，博士，主要研究方向为宽带通信、互联网/物联网、新一代网络等；黄蓉，中国联通研究院首席研究员，正高级工程师，博士，主要研究方向为5G/6G、智能边缘网络、工业互联网等；卢琰琳，高级工程师，主要从事移动网络总体规划与运营，移动网络、异构融合网络及下一代网络架构等相关技术的研究工作。庞博，唐雄燕，黄蓉，卢琰琳面向计算和智能融合的新型无线网一体化管理系统探讨网络管理Network Management48