网络2030新服务和新能力

周钰哲 编译

一、简介与定义

第五代移动通信技术（IMT-2020）使大带宽支持的沉浸式媒体，以及海量机器类通信和超高可靠低时延通信支持的新型关键任务型应用广泛出现。未来十年，多媒体的进一步发展将使网络应用变得更加丰富，更具沉浸性和交互性。因此，未来网络不仅需要足够的带宽和无处不在的连接性，还需提供一些现在尚不支持的新功能。现有的互联网基础设施基本上都只提供“尽力而为”的网络服务。差异化网络服务允许对数据流进行优先级排序和网络资源预留。一些传输层协议也通过数据重传等方案设法增加网络服务的可靠性。

为支持新应用，未来网络服务需要超越“尽力而为”的承诺，在时延保证、多信道、多通信方的数据包/流同步、数据拥塞和资源争夺等方面，进一步支持“高精度”这一新概念。为满足上述要求和挑战，未来网络需要新的服务和能力。本报告重点介绍支持2030年及以后的新型应用和垂直行业的新型网络层服务（简称“网络2030服务”）。网络2030服务包括基本服务和综合服务。

本报告中使用的术语举例：

· 网络服务：由网络提供的服务，使发送方和接收方能够相互通信和交换信息。

· 基本网络服务：基本网络服务是一种在网络系统节点上部署的专用服务，该网络系统节点在两个或多个应用程序系统节点之间传递服务，该服务无法进一步分解。例如，IP数据包的路由和转发是现有的一项基本网络服务。

· 综合网络服务：通过其他网络服务的组合提供的网络服务，一般由多个基本服务组成。

· 高精度网络服务：对服务质量级别做出明确、严格、精准定义的并提供支持的网络服务。

· 流：从数据源到目的地的一组共享通用属性的数据包序列。

· 数据流：可以打包数据并映射到一个（或多个）流，以通过网络服务进行传递的应用级别的流。

· 并发流：协调服务中，具有相互依赖关系的一组流。成员流：并发流中所包含的各个流。

· 时延：从发送方发送数据包开始（即从数据包的第一位）到接收方完全接收到数据包为止（即到数据包的最后一位）所经过的时间。

· 丢失率：在给定时间间隔内，流中未达到服务要求的数据包数量与流中包含的数据包总数的比率。

· 服务接口：用户或应用使用网络服务时的连接的接口。

二、驱动因素

网络2030服务的主要驱动因素包括以下几个方面：

（一）工业和机器人自动化

机器对机器通信（M2M）是下一次工业革命——工业4.0的核心。M2M通信需要非常高的定时精度来分发控制命令和收集遥测数据。网络2030服务需要为数据包传递提供高等级的可靠性、低时延、高定时精度等能力的支持。

（二）全息媒体和多媒体技术

全息图、触觉和其他感官数据将为用户提供身临其境的“真实”用户体验，并促进用户在一个“虚—实”界限越来越模糊的世界中互动。这类应用将需要服务具备非常高的数据吞吐量、较低的时延、对服务质量下降的容忍能力以及能够协调多方数据流实时汇集的能力。

（三）自动化和关键基础设施

关键任务型应用，如自动驾驶、无人机、自动交通控制系统等，需要在相互之间以及周围环境之间进行多种类的实时通信。支持这类应用的网络服务必须具备安全性、可信性保障，并存在严格的问责机制。

（四）应用程序及其需求的多样性

未来的许多新型应用可能由人工智能（AI）驱动，涉及人、机器和IT 系统之间大量的数据通信。由此产生的某些网络需求可能会完全超乎人类现在的想象。未来网络服务需要能够根据技术和应用需求的发展，进行相应的动态调整。

（五）服务问责机制的要求

网络服务的严格要求通常会直接影响网络运营和维护的成本。服务问责机制则考察服务提供商是否按照协议提供了相应的服务。建立在证据基础上的问责机制可以激励服务提供商提供新型服务和应用创新。支持服务问责机制的网络将为服务提供商及用户带来更多新的应用产品和服务。

（六）区分不同程度的失真容限

具有失真容限的应用是指允许数据短时间中断或数据部分丢失，并仍能正常运行和使用的应用。未来网络服务应当能够区分不同类型应用对失真的容忍程度，并以更加多样化的方式来处理各类失真，进一步确定其应用的优先级和有针对性的保护方案。

三、网络2030基本服务

（一）及时和准时服务

1、驱动因素

网络2030服務需要遵循严格的可量化时延目标，即支持“高精度”通信服务。以触觉类应用为例，为保证往返控制环路能够使在不到10毫秒的时间内传达反馈，触觉应用要求端到端网络时延上限为5毫秒。如果不能满足这么短的时延保证，不仅用户的体验质量会下降，应用本身也可能会变得毫无意义。再如，某些工业控制器需要遥测和遥控数据流有极其准确的同步和间隔，以促进机器人可沿多个自由度精确运行。

2、服务概述

网络2030服务中的时延高精度是指数据包交付具有精确的时延。在交付时对数据包的时延设定了上下限的服务称为“及时”和“准时”服务。

及时服务确保以不超过所要求时延的方式交付数据包，服务可以在时延期限之前的任何时间送达数据包。典型应用是支持缓冲功能的多媒体应用。

准时服务确保数据包在特定的时间范围内被送达，即同时具有最大时延和最小时延限制。数据包的传送必须不迟于时间窗口的上限，也不得早于时间窗口的下限。及时服务可被视为准时服务的一种特殊情况。准时服务的解决方案要求网络能够缓冲数据包或在某些情况下推迟传送数据包。

支持及时、准时服务的网络需具备对时延的感知功能，以便能够确定数据包是否符合时延目标并做出相应的处理。此外，这类服务还必须能够评估网络系统是否能够满足时延目标。传统网络中，端到端时延约为100毫秒，而网络2030的可接受时延可能会低得多，并且应能够提供确定的时延，并在精确的时间内运行。

3、现有差距

传统网络支持多种机制来减少和优化时延。这些机制几乎都不支持可预先量化的时延目标，只能对网络时延进行测量，而不能精确达到某一时延。因此，时延结果只能被接受。网络2030服务需要解决的差距涉及支持时延目标的能力，这些目标已被精确量化为服务请求的一部分。现有的网络体系结构，如互联网服务质量（QoS）体系结构、时间敏感网络（TSN）、确定性网络体系结构（DetNet）等，都不足以满足网络2030服务对时延目标的要求。

（二）协调通信服务

1、驱动因素

网络2030服务需要遵循严格的可量化协调目标的通信服务，例如在多方远程全息会议应用中或在多人交互式、沉浸式游戏中，需要为不同的接收者实时放置虚拟对象。虚拟对象位置的任何更改都应同时在其他位置进行渲染，如果接收器完全不了解彼此的行为，它们将在同一数字场景的不同视角上运行，进而产生视觉冲突。为了应对网络中传递路径的异构性，实现完全同步的运行，网络服务需要某种机制能够同时向各方提供所需信息。

2、服务概述

互联网是一个时空异构环境，在时间和空间上会产生不同的内容交付行为。在时延、抖动和带宽方面，没有任何两个路径（甚至同一路径上不同的流）可以被假定具有相同属性。然而，许多新兴应用都要求在多个流或多个路径上承载的信息及时传递。网络2030服务中的协调通信服务将根据应用的时间、顺序或应用定义属性等相互依赖的约束条件，在多个数据流之间进行协作。

支持协调通信服务的网络需要明确跨越多个流的各种依赖性或约束条件，并根据这些约束条件聚合多个流的数据，进而呈现给一个或多个用户。与及时和准时服务的不同之处在于，协调服务可能仅具有相对的交付时间约束（例如，指定成员流的时延必须相同，而未指定特定的时延值）。

3、现有差距

对协调服务的要求比较复杂。如果完全留给应用来协调和管理流会导致端点的负担过大，端点缓冲区和内存受限也会导致无法完成多个流之间的协调。此外，网络内部的动态变化给应用管理端点的协调服务带来了更多困难。现有的基于服务器的协调一般采用存储转发模式，路径带宽效率低下，内容的安全性也受到质疑。网络中的群组通信由组播路由器（PIM协议）以尽力而为的方式进行支持，该协议既不携带任何依赖关系的信息，也不主动进行协调。

（三）定性通信服务

1、驱动因素

数据包是网络传输的基本单元，在网络中只能被完整地传输或丢弃。在可靠的数据包传递过程中，在接收到发送失败的指示后，未能到达其目的地的数据包会重新发送，该过程会花费一些时间并将一直持续，直到接收者接收到全部完整的数据包为止。可见，该过程可能导致相当大的网络时延。数据包在网络中丢失的原因通常有以下三个：

·由于网路拥塞，转发器的内存有限而被丢弃

·设备或网络连接错误导致数据丢失

·网络连接上的数据比特错误导致数据错误

随着网络带宽越来越高，网络服务倾向于用更大的数据包来提供线速数据传输。因此，重传的数据量将比过去更大。然而“工作保留”原则认为系统应尽可能只执行一次工作并保留结果，以避免多次重复相同的处理步骤。因此，数据包某一部分的错误或丢失不应该影响已经接收到的部分。例如，全息型实时视频会议可以容忍通信质量的下降，但不能容忍数据的非连续传输（断续的音视频和冻结的画面）。为了保持这类应用的流畅和及时通信，需要采用新的网络数据传输方案。

2、服务概述

传统网络协议利用丢弃分组来避免网络拥塞。这类方法都假设分组的所有部分同等重要。但实际上，数据载荷的某些部分对应用而言可能比其他部分更为重要。定性通信服务致力于解决可靠传输协议的时延和工作保留问题。定性通信服务允许发送方按相对优先级对数据包中的有效载荷进行分组，然后允许网络在需要时选择性地丢弃优先级较低的部分。这样既可以减少网络拥塞，也可以确保关键数据的连续性，同时还能最大程度地减少数据重传。

支持定性通信服务的网络需要具备区分用户有效载荷各部分以及各部分优先级的能力，同时允许转发节点、接收节点设备丢弃优先级较低的部分。此外，高级定性通信服务还将具备动态调整有效载荷中各部分优先级的能力。网络2030定性通信服务是对整个数据包丢失的一项实质性改进，它可以使数据包中的部分内容及时地交付，进而实现更精细的带宽调节，从而解决拥塞和数据包损坏的问题。

3、现有差距

现有的传输解决方案仅在完整的数据包上运行，并使用重傳机制来应对由于拥塞或链路错误导致的数据丢失，在较大的颗粒度上维护流的完整性。例如，使用快速重路由（FRR）技术可以缓解链路或设备故障，但会受到故障检测时间和重新配置路由路径的时间的限制。IEEETSN和IETFDetNet采用增加备用系统来减轻误比特损失、设备故障损失以及拥塞损失，这将所需的网络带宽扩展到两倍以上。这都与网络2030服务对时延和带宽的需求不相符。

四、网络2030综合服务

（一）触觉通信服务

1、驱动因素

国际电信联盟（ITU）将触觉互联网定义为将超低时延与极高可用性、可靠性和安全性相结合的网络。触觉互联网将对涉及触觉的远程基础设施和设备进行实时监视、管理和控制。触觉包括两种反馈类型：一种是指触摸物体表面时可以感受到的反馈，例如压力、纹理、振动、温度等;另一种是指作用在手臂等执行器中的肌肉、关节和肌腱上有助于位置感知的重力、拉力等的动觉反馈。涉及以上两种反馈的通信称为触觉通信。

触觉通信将与远程医疗、在线沉浸式游戏、远程协作等应用融合，共同构成工业4.0的骨干应用领域。触觉互联网将为触觉通信提供一种实时传达触觉和动觉的媒介，为用户提供真正的身临其境的操控感。例如，在远程手术场景下，从远程站点进行操作的外科医生，可以实时获取患者和手术室的视听和遥测信息，医生可以利用视听馈送以及从执行器反馈的触觉信息，来操作执行器对远方的患者进行手术。

2、服务概述

触觉通信服务都需要网络具有极低的时延。人脑对不同的感觉输入具有不同的反应时间，一般是触觉1ms、视觉10ms、音频100ms。从人类操作执行器到提供触觉反馈的往返时间大约为5毫秒或更短。如果超过这个时间，这种服务就没有任何意义了。触觉通信服务通常涉及以下信道：

·触觉反馈信道将触觉数据从一个或多个远程触觉传感器（如机械手臂中的传感器）传递到触觉执行器（如数据手套），进而将触觉传递给用户

·控制信道用于操作远程执行器（如机械手臂）

·远程位置的实时视觉馈送（如高分辨率视频、VR、全息图）

·远程位置的实时音频馈送

·远程位置的实时遥测馈送

上述每个信道可以使用单独的及时和准时服务，为了改善这些信道之间的同步，还可使用协调通信服务。触觉通信的理想指标为端到端时延1-5毫秒、极低数据包丢失率、5Gbps-1Tbps的超高带宽、更严格的同步等。此外，网络应该能够根据流的相关性对流进行优先级排序。

3、现有差距

当前存在的主要差距涉及网络以足够低的时延来支持基本服务来实现触觉反馈信道的能力，以及通过极低的丢失率达到较高可靠性的触觉应用的能力，即缺少满足性能的网络2030基本服务。此外，跨更大的网络和更广阔的地理区域的触觉通信会因信号传输无法超过光速而受到距离方面的限制。

（二）全息通信服务

1、驱动因素

作为用户与计算机系统进行交互的一种方式，全息图早已进入了人类的想象。随着全息显示技术取得了长足的进步，全息应用正逐渐成为现实。例如，全息会议将远程参会者的全息图投影到本地会议室中。技术人員能够与位于远程位置的物品或设备的全息伪像进行交互。此外， 沉浸式娱乐、游戏、体育等都是很好的全息通信用例。

全息数据再现一般通过全息图或点云实现。全息图需要从不同的视角、倾斜度和角度捕获同一图像。根据观看者相对于图像的位置，从每个不同的观察点，都有图像能够描绘相同的“物体”或“场景”。例如，在流畅的全息再现中，差异化的图像间隔通常为0.5°，为适应10°倾斜度以及20°角度的视角差异，就需要含有800个独立图像的二维图像阵列。点云则由体积数据组成，即三维框中的一组三维“体积像素（体素）”，从本地的任何视角都可以动态渲染实际图像。由此可见，全息通信将导致巨大的带宽需求。此外，由于用户可以改变视角或位置，全息通信还需要制定高度自适应和超低时延的控制方案，以便能够根据实际情况的改变及时适应并呈现给最终用户。

2、服务概述

全息通信网络是用于传输包含全息数据（即可用于渲染全息图像的数据）的流。通常涉及以下3种类型的全息流：

1. 基于点云的，即发送方发送体积数据对象，根据数据对象在接收方渲染全息图。

2. 基于图像阵列的，即发送方发送图像阵列。

3. 多个摄像机馈送，即由多个发送者发送一系列二维图像，可能还附带深度信息。

全息通信服务一般包含以下信道：

·全息数据信道承载具有严格的时延要求的流，某些信道可能具有不同的服务质量要求。

·附加信道指示如何合成来自多个全息数据信道的图像。

·反向信道指示如何根据用户视角的转移来控制部分全息图像的出现和消失。

上述每个信道可以单独使用及时和准时服务。为改善这些信道之间的同步能力，还可使用协调通信服务。此外，为缓解数据中断和网络拥塞，定性通信服务也将被大量应用。全息通信服务的理想指标将达到约10-100毫秒的时延、约60帧/秒的即时观众位置适配速度、约1Gbps-1Tbps的带宽、跨信道同步时延变化不超过7毫秒、支持约1000个并发流以及在使用强大压缩技术情况下的超低数据丢失率。另外，全息通信服务应能根据用户视角位置和对焦等的变化，对流进行动态的优先级排序。

3、现有差距

当前存在的主要差距为网络以足够低的时延和足够高的带宽来支持基本服务，从而实现全息数据交付的能力，即缺少满足性能的网络2030基本服务。此外，现有技术尚不支持聚合带宽（一组流之间共享带宽并动态分配带宽的技术）。为减少全息数据量，可利用诸如用户交互性预测方案之类的正在持续研究的技术，在保持可接受的数据质量的同时，将需要传输的数据量减到最少。