6G时代新用户面设计和关键技术*

薛妍，杨立，谢峰

（1.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东 深圳 518055；2.中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518055）

0 引言

近年来，各国5G 商用加速，中国5G 也进入规模化商用关键期。与此同时，5G 标准制定也进入尾声阶段。在经历了数字化转型的阵痛后，5G 业务为运营商带来亮眼的业绩回报。值得注意的是，在5G 赋能千行百业的过程中，行业产业生态（简称业态）也在悄然发生变化。toC（to Consumer，面向消费者）消费市场逐渐饱和，整个通信产业链都在摸索数字经济中新的增长点[1]以及思考如何使用新技术提升核心竞争力。减小投资回报周期、向更广泛的行业领域进军成为业界共同的呼声。在“私有网络”和“端到端网络切片”等技术的增强加持下[2]，通信行业有望从资本开支驱动演进为应用需求驱动，将会呈现出百花齐放、百家争鸣的新形态。未来的业务要个性化定制、敏捷开发和快速创新，需更加灵活通用的协议栈架构。然而需要看到的是，无线通信协议栈一直以来采用的都是垂直化、烟囱式的分层架构，这种固定耦合的架构过于僵化，无法灵活适应未来通信发展。以5G 的三大经典场景eMBB（Enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带）、URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication，超可靠低时延通信）和mMTC（Massive Machine Type Communication，大规模机器类型通信）为例[3]：eMBB 是大带宽大吞吐量场景，追求数据速率提升；URLLC 追求低时延高可靠；mMTC 追求低成本低能耗。在用户面的功能和性能上，eMBB 场景希望用户面功能全面，而URLLC 和mMTC 场景希望用户面功能越少越好。当前5G 协议栈架构无法做到功能灵活裁剪和对场景的自适应，存在功能冗余和功能过度耦合的弊端以及功能简化的复杂度高、兼容性差等问题。在ODICT（OT、DT、IT、CT 融合）深度融合的推动下，本文使用IT 技术和智能化方法对用户面进行了重构和全新设计，并提出了stackfree 非栈式的新用户面架构方案和关键技术。这种stackfree 用户面架构在灵活性和通用性方面具有优势，能够支持网络功能按需定制和灵活编排部署，并且stack-free 用户面设计可构建自适应柔性网络，进行网络灰度迭代进化。

1 6G需求对用户面设计的影响

伴随着5G 的持续演进[4]，业界的目光已逐渐向6G 聚焦，纷纷提出了6G 愿景[5-9]。除了解决5G 面临的痛点问题之外，6G 还要面对不断涌现的新场景、新业务和新需求。为了能够实现6G 愿景，6G 新用户面设计需要考虑以下两大方面：

（1）6G 新需求：6G 从传统的陆地通信扩展到空天地海一体化通信，通信对象从人扩展到物、智能体，通信服务从个人消费者领域扩展到垂直行业领域。6G 通信范围、对象以及领域的扩展带来了更丰富的应用场景，经典的三大场景的边界被打破，形成灰度化场景。6G 新场景不再如eMBB、URLLC 和mMTC 这样具有鲜明的性能特征边界，而可能是多种性能的组合。比如，智能化工厂需要mMTC+URLLC 的特征组合，而XR（Extended Reality，扩展现实）业务需要的则是eMBB+URLLC 的特征组合。在实际中，还会存在场景边界模糊、性能指标需求无级平滑过渡的情况。面向6G 灰度化场景特点，6G 新网络架构需要具有很强的通用性和灵活性。

（2）6G 新趋势：5G 的高成本痛点问题迫使6G 在设计之初就要考虑组网建网运维成本和业务增值空间等因素。在碳中和、碳达峰和可持续发展的国家战略下，6G 系统还要向绿色低碳、低成本和低能耗的方向努力。在ODICT融合大趋势下，CT（Communication Technology，通信技术）和OT（Operational Technology，运营技术）、DT（Data Technology，数据技术）、IT 技术及理念相互借鉴，如服务化、通用化、组件化、灵活编排、定制化、弹性伸缩、独立部署维护、整洁架构等理念得到各领域广泛认可。同时，6G 产业的发展壮大也离不开新生态的培育，6G 新架构需要提供更低的技术门槛，通过网络能力开放让更多的业态参与者加入。

2 6G用户面设计驱动力和原则

面向6G 新需求、新趋势以及5G 现有用户面诸多不足和痛点问题，6G 用户面需要从以下方面进行提升：

（1）协议灵活度提升

在5G 核心网中，UPF（User Plane Function，用户面功能）进行IP Flow 和QoS Flow 之间的映射及传输管控[10]，而在无线接入网中，SDAP（Service Data Adaptation Protocol，业务数据适配协议）/PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）/RLC（Radio Link Control，无线链路控制）/MAC（Medium Access Control，媒体介入控制）/PHY（Physical Layer，物理层）逐层进行用户面数据包的处理，完成QoS Flow-无线承载-逻辑信道-物理信道的映射。用户面协议各个（子）功能以及其内的各个子模块的处理和时序都有着严格的行为规范与限定，任何改动都会造成大量的标准化和产品实现额外工作，并且难以实现跨层交互。空天地海一体化场景[11]、千姿百态的垂直行业应用都需要灵活的功能编排能力和现场定制能力[12]，而当前用户面分层架构无法对差异化的场景进行快速自适应。未来业务模型会越来越丰富，除了对同种类型业务保障之外，还有多种业务类型混合协同的形式。对如数字孪生、沉浸式云XR、全息通信等不断涌现的新业务需求，当前网络架构受到掣肘。可以看到，当前网络用户面架构过于僵化，难以动态适配千变万化的场景和丰富多彩的业务个性化需求[13]。

（2）功能简化和通用化设计

5G 架构是在4G 架构基础之上进行演进，这仍然是局部增强的设计理念，其路径依赖导致标准过于复杂。在ODICT 融合和智能化手段广泛应用的趋势下，6G 系统架构革新成为可能，有机会从开始就原生地考虑至简至柔的整洁架构设计。比如，通过对用户面相同功能或流程进行合并降低标准的冗余度、将用户面功能进行拆分复用、在设计之初引入AI（Artificial Intelligence，人工智能）理念等。另外，对内和对外接口的通用化也有助于降低参与者的门槛，有利于培育通信产业上下游新生态。

（3）性能无极平滑过渡

5G 协议主要面向toC 领域，协议功能比较全面复杂，但这种全栈式协议难以满足性能指标的平滑过渡和极致到极简的跨越。比如，用户体验级时延需从语音的100 ms 到XR 的0.1 ms，而工业控制级时延甚至要小于0.1 ms。即使当前5G 协议可以对不需要的功能进行简化，也必须执行全栈过程并进行协议各层之间的衔接，这仍然会造成不必要的时延。6G 网络需要能适应类似ms 级到μs 级这样大的性能跨度，进行无极平滑过渡。

（4）多粒度安全管控

随着新业务、新架构、新技术、新应用场景的不断发展，6G 需要根据场景特点进行不同级别、不同颗粒度和不同位置的安全管控。比如，针对物联网低功耗场景，需要轻量级的安全加密；针对移动频繁切换的无人机场景，需要高级别的安全保护措施又不能额外增加通信时延；针对切片场景，对同一终端要支持控制面安全机制共享和不同数据面单独进行安全保护的处理。因此，6G安全管控也需要更多灵活的方式方法选择。

（5）核心网和接入网深度融合

5G 核心网已引入SBA（Service-Based Architecture，服务化架构）服务化设计，使用虚拟化、软件化的NF（Network Function，网络功能）代替了传统物理网元。NF 可通过“基于服务的接口”由多个模块化的“网络功能服务”组成。5G 接入网仍然保留“烟囱式”分层架构和传统点到点接口，这使得核心网和接入网难以深度融合，从而进行跨域功能相互调用。核心网UPF 和接入网用户面交互时，无法使用服务化接口。在两套接口设计下，引入新功能也比较困难。随着业界对RAN（Radio Access Network，无线接入网）服务化的研究越来越深入，核心网和接入网在统一范式及架构下，实现端到端服务化的需求也越来越强烈。

6G 用户面新需求和驱动力如图1 所示：

图1 6G用户面新需求和驱动力

总之，面向6G 新需求、新场景、新业务和新趋势，6G网络需要克服现有5G 用户面的不足，从功能通用、灵活编排、定制化和差异化、网络一体化的角度来进行新用户面设计。

3 6G网络stack-free非栈式新用户面设计和关键技术

当前无线通信协议栈是分层架构，每层包含的功能固定且执行顺序不变，这种僵化紧耦合的协议栈形式极大地限制了6G 的网络能力。为了突破架构僵化的约束和适应6G 发展，提出了一种打破协议栈分层限制的stack-free 非栈式用户面设计。如图2 所示，功能组件化、数据矢量化、组件并行化、编排灵活化和组件智能化构成stack-free 非栈式用户面的主要关键技术特征。stack-free 非栈式设计和关键技术保证了6G用户面自适应匹配未来复杂多变的场景业务需求的能力。

图2 6G网络stack-free非栈式设计五大技术特征

3.1 功能组件化

传统系统中用户面架构非常僵化，引入新功能或改变某个功能都会导致其它部分的连锁反应，并且各协议层相同的功能不能复用相同流程[13]。为了降低用户面各个功能模块之间的耦合度和冗余度，在设计中采用独立无冗余、可自由组合的组件化方法非常适合[14]。基于相互独立、完全穷尽原则对用户面功能进行组件化拆分，组件间功能穷尽但不重复，这种方式可实现低耦合高内聚的整洁架构。通过功能组件化使得功能间相互解耦，独立组件能够快速迭代升级和网络灰度进化，可进行功能最大化重用、最小化变更、独立开发部署和维护。

图3 给出了5G NR（New Radio，新空口）接入网中不同层的用户面功能，如SDAP 层包含映射功能[15]、PDCP 层包含头压缩和加密完保功能[16]、RLC 层包含ARQ（Automatic Repeat-reQuest，自动重传请求）和分段功能[17]、MAC 层包含映射和复用功能[18]。通过对这些功能进行组件化，实现了层间解耦，并对相同的功能进行合并，最后形成可按需调用的功能组件库，如SDAP 层和MAC 层都有映射功能，按照组件不重复原则，可形成通用的映射功能组件。5G 引入CU（Centralized Unit，集中单元）与DU（Distributed Unit，分布单元）分离架构，在CU 和DU 之间的接口为F1 接口，该接口使用NR-U（NR User Plane，NR 用户面）通用用户面协议[19]。当把NR-U 中的功能形成组件后（如流控组件），其通用性会进一步增强。IAB（Integrated Access Backhaul，集成式接入回传）协议在RLC 层和PDCP 层之间还引入了BAP（Backhaul Adaptation Protocol，回程适配）层[20]，BAP层中对应的路由和流控功能也可成为路由组件及流控组件。

图3 基于组件化思想的用户面功能解耦

通过将用户面功能组件化，打破了原有协议栈固化的功能执行顺序，可实现功能组件顺序可变、组件可开关或增加/删除，根据个性化需求进行现场定制。同时，用户面功能组件化提炼出通用组件和通用流程，降低协议复杂度。如图4 所示，在新用户面架构中，独立的组件汇聚形成功能组件库，它不仅支持功能解耦，还容易进行新组件的引入以及组件的替换、升级。通过对组件库中组件的配置、编排和管理，用户面可根据各种个性化需要来自适应构建数据传输链条。功能组件化为用户面功能定制化和灵活编排提供了基础条件，可进行现场级编排和组件开关动态实时控制。

图4 组件库及组件调用

3.2 数据包矢量化

在IT 领域，为了快速构建交换和路由功能，引入了一个可扩展、高性能的数据包处理框架——VPP（Vector Packet Processing，矢量化数据包处理）。VPP 主要思想是对具有相同特征的连续数据包进行矢量化且批量化处理，其效果远大于传统的单数据包标量化处理。如图5所示，在用户面引入VPP 设计思想，对具有公共集合特征且无需按序停留的连续数据包进行矢量化操作，能够显著提升数据包处理速度。在用户面功能组件化的基础上，数据包矢量化的颗粒度可灵活变化。比如，可以对一个组件进行数据包矢量化处理，也可以对一个组件内部具体一个或几个步骤进行数据包矢量化处理。

图5 组件灵活编排+数据包矢量化

3.3 组件并行化

根据3.2 节可知，VPP 是单个功能组件对多个数据包的批量化处理。在组件化的基础上，用户面还可以实现对单个数据包的多组件并行处理，通过组件并行化进一步提升系统效率。这些并行组件具有独立性、无状态性的特点，组件的执行先后顺序变化不影响数据包的处理。通过对具有这些特征的组件并行编排，实现多组件同时处理同一个数据包的效果，可加快数据处理速度，进一步降低数据处理时延。组件并行化执行增加了组件编排的维度，使得组件编排在纵向和横向都可以扩展，从而形成串行、并行、串并混合等多种组合。这些组合与VPP 结合后，用户面协议架构可编排成多组件串行、多组件串行+VPP、多组件并行、多组件并行+VPP、多组件串并混合以及多组件串并混合+VPP 等多种方式。用户面可根据场景业务特点、数据包类型、组件功能等需要，选择最适合的方式进行编排。

3.4 单域多域编排

如图6 所示，通过将所有组件共同部署，并对组件进行编排以及多组件并行处理单个数据包，可支持如MEC（Multi-Access Edge Computing，多接入边缘计算）场景、CU-DU 合设等单域/ 单跳场景部署。单域编排在降低时延和提升吞吐量的同时，还提供了跨组件算力资源调度和整体式的QoS 保障。

图6 单域/单跳式部署

如图7 所示，stack-free 非栈式用户面支持跨域/多跳式部署，这对多级部署场景、多连接、MESH 组网等场景适配性非常好。通过对组件按需部署，增加了除CU/DU 分离的方式之外的更多功能切分方式，使得部署灵活性增加。比如，对空天地NTN（Non-Terrestrial Network，非地面网络）/卫星网络[11]，可以将一些非实时的组件放在天上、一些实时的组件放在本地；对工业应用场景，可以根据业务需求对组件打开或关闭。通过公共组件可以将两个不同域打通，如打通核心网域和接入网域。

图7 多域/多跳式部署

3.5 组件智能化和深度协同

可编排的stack-free 非栈式用户面从根本上打破了传统协议栈的层级概念，深化了功能组件之间的协同，对提升6G 网络的数据转发、传输和处理能力非常关键[21-22]，也在构建面向服务的现场自适应定制化柔性网络方面扮演着重要的角色。如图8 所示，通过对用户面组件的智能配置、智能编排和智能管理，用户面架构还可以引入大数据和AI 算法引擎，从而提升用户面智能化水平。比如，对组件进行AI 模型训练来提升组件处理能力；通过对组件的策略智能分析来进行策略推荐；对组件进行智能QoS 控制实现更细、更精确的数据传输质量保障等。另外，通过对不同组件的深度协同，可提升组件协同性、鲁棒性、灵活性和扩展性。比如，在上一个组件处理数据包时，下一个组件就提前进行缓存准备、资源预留；对组件紧密编排和联动，实现数据缓存的一次性读取和批量化处理。这种组件预处理的方式能够对数据传输时延进行深度定制和精细管控，从而进一步提升数据处理效率。

图8 组件紧密编排和协同联动

4 结束语

针对5G 在用户面上的设计不足以及面向未来6G 的场景差异化、安全多级化、时延多样化以及能耗极致化等新需求，本文提出了stack-free 非栈式用户面设计架构，打破了传统协议栈固化分层耦合的限制。stack-free 非栈式用户面对当前协议架构用户面功能进行拆分、继承和分类来实现功能解耦，形成能独立灰度迭代的组件和组件库，进而对功能组件进行按需编排、灵活组合。该设计提升了用户面的灵活性和自适应能力，为按需现场编排提供了可能。通过组件接口通用化还可以减少标准化的工作量，对组件功能解耦以及打破协议层的限制使得协议演进更加方便。将原来NR 协议栈中多处调用的相同功能合并成一个统一组件，可以达到组件独立无重复的效果，也避免了系统对不同位置的相同功能进行分别处理和维护的负担。通过组件裁剪、数据包矢量化和组件并行化，提升了数据处理速度，降低了时延，同时还提升了容量。组件的编排可以按需进行集中式和分布式灵活部署，满足现场智能自适应性能空间以及基于意图的柔性编排。

在ICDT 融合趋势下，通信领域的数据能够被重新解读。对通信中的数据，不管是控制面还是用户面数据，不管是接入网、核心网还是传输网的数据，其本质都是数据的转发和传输，这和IT 的思路非常一致。因此，未来使用转发面来代替用户面作为控制面、用户面数据转发的统称可能更为合适。并且可以预见，使用通用化组件接口、流程以及预定义的编排模板等方式能够大幅降低未来标准化的工作量。尤其是对垂直行业应用，可以根据行业个性化特点对用户面编排形成行业级标准定义。行业级标准化编排模板方式对V2X、工业、港口、煤矿、航空等特定行业场景非常适用。

本文提出的stack-free 设计思想不仅适用于用户面，还可以拓展到控制面以及将来的数据面、智能面。基于组件化思想，stack-free 设计也可以从接入网向传输网、核心网等多域进行拓展。在对各面和各域拓展的同时，一些更为细节的问题，如在不同位置矢量化VPP 的颗粒度划分、组件化后对传输效率的影响等，都需要在下一步工作中进行思考和研究[23]。