基于可编程技术的6G用户面技术白皮书2025

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1 / 35 摘 要 随着 6G 通信网络的快速发展，负责数据转发和处理的核心功能模块用户面面临着多样化服务场景、 超高吞吐量、超低延迟和动态资源调度带来的前所未有的挑战。本白皮书重点介绍了可编程技术支 持的 6G 用户面，系统地探讨了其需求、架构设计和关键技术，旨在为未来的 6G 网络提供灵活、智 能、高效的用户面解决方案。 白皮书首先分析了 6G 移动通信网络对可编程用户平面的核心要求，包括支持多种服务场景（如智 能交互、全息通信和工业互联网）、网络资源的动态适应、差异化的服务质量保证以及计算和通信 的深度集成。在此基础上，它提出了可编程用户面架构的设计原则，强调开放性、面向服务的设计、 软硬件协同和智能编排能力。本文进一步构建了一个具有协议可定义性和功能可扩展性的分层解耦 架构系统。 关于关键技术，白皮书强调了四个关键方向： 1、在网络计算中：通过将计算能力深度嵌入用户平面，实现了近边缘数据处理和实时响应。 2、 动态协议可编程性：支持按需定制和动态加载协议栈，以满足垂直行业的异构需求。 3、 功能服务化：通过基于微服务的架构将用户平面功能解耦，增强部署灵活性和资源利用率。 4、 路径可编程性：利用意图驱动和基于人工智能的动态路径优化来确保端到端的传输性能。 此外，本文还验证了可编程用户面在提高网络效率、减少延迟和通过典型应用场景增强智能方面的 潜力。最后，它概述了未来的研究方向，呼吁全行业合作推进标准开发、开源生态系统建设和跨领 域技术集成，加快 6G 可编程用户面的商业化。 本白皮书为 6G 网络架构的演进提供了重要参考，有助于构建开放、智能和按需的面向服务的未来 通信基础设施。 关键词：6G；可编程；AI；UPF；服务化 2 / 35 Abstract With the rapid development of 6G communication networks, the user plane—a core functional module responsible for data forwarding and processing—faces unprecedented challenges posed by diverse service scenarios, ultra-high throughput, ultra-low latency, and dynamic resource scheduling. This white paper focuses on the programmable technology-enabled 6G user plane, systematically exploring its requirements, architectural design, and key technologies, aiming to provide flexible, intelligent, and efficient user plane solutions for future 6G networks. The white paper first analyzes the core requirements of 6G mobile communication networks for programmable user planes, including support for diverse service scenarios (e.g., intelligent interaction, holographic communication, and industrial internet), dynamic adaptation of network resources, differentiated quality-of-service guarantees, and deep integration of computing and communication. Building on this foundation, it proposes design principles for programmable user plane architectures, emphasizing openness, service-oriented design, software-hardware synergy, and intelligent orchestration capabilities. The paper further constructs a hierarchical, decoupled architecture system with protocol definability and functional extensibility. Regarding key technologies, the white paper highlights four critical directions: 1、In-network computing：By deeply embedding computing capabilities into the user plane, near-edge data processing and real-time response are achieved. 2、Dynamic protocol programmability：Enables on-demand customization and dynamic loading of protocol stacks to meet vertical industries’ heterogeneous demands. 3、Functional servitization：Decouples user plane functions through a microservice-based architecture, enhancing deployment flexibility and resource utilization. 4、Path programmability： Leverages intent-driven and AI-based dynamic path optimization to ensure end-to-end transmission performance. Additionally, the paper validates the potential of programmable user planes in improving network efficiency, reducing latency, and enhancing intelligence through typical application scenarios. Finally, it outlines future research directions, calling for industry-wide collaboration to advance standards development, open-source ecosystem building, and cross-domain technology integration, accelerating the commercialization of 6G programmable user planes. This white paper serves as a critical reference for the evolution of 6G network architectures, contributing to the construction of open, intelligent, and on-demand service-oriented future communication infrastructure. Keywords: 6G;Programmable;AI;UPF 3 / 35 目 录 摘 要 ............................................................................... 1 Abstract ............................................................................ 2 1 6G 可编程用户面的需求及应用场景 ....................................................4 1.1 研究进展 ..................................................................... 4 1.2 6G 移动通信网络对可编程用户面新需求 ........................................... 5 1.3 相关技术 ..................................................................... 8 2 基于可编程技术的 6G 用户面架构 .................................................... 12 2.1 可编程用户面设计原则 ........................................................ 12 2.2 可编程用户面架构 ............................................................ 13 3 可编程用户面关键技术 ............................................................. 16 3.1 用户面协议动态可编程技术 .................................................... 16 3.2 6G 用户面功能可编程技术 ...................................................... 18 3.2.1 6G CN 用户面功能可编程 ................................................... 18 3.2.2 6G RAN 可编程 ............................................................ 19 3.3 6G 用户面智能可编程技术 ...................................................... 23 3.4 6G 用户面路径可编程技术 ...................................................... 24 3.4.1 6G 用户面可编程能力获取 .................................................. 24 3.4.2 6G 用户面路径可编程 ...................................................... 25 3.5 6G 用户面新能力可编程技术 .................................................... 26 3.6 基于可编程的用户面在网计算 .................................................. 27 4 展望 ............................................................................. 29 参考文献 ........................................................................... 30 缩略语 ............................................................................. 31 主要贡献单位 ....................................................................... 33 4 / 33 1 6G 可编程用户面的需求及应用场景 1.1 研究进展 当前，业界已开启对下一代移动通信技术（6G）的研究探索。面向 2030 年及未来，人类社会 将进入智能化时代，6G 将构建人机物智慧互联、智能体高效互通的新型网络，在大幅提升网络能力 的基础上，具备智慧内生、多维感知、数字孪生、安全内生等新功能面对如此愿景，6G 的网络架构 和功能也会变得越来越复杂。为了使网络适应未来多变的需求，在 6G 网络中应通过引入端到端可 编程网络技术，让网络更加智能和灵活。 谈到可编程网络，最具代表性的当属 SDN 技术。2008 年，Nick McKeown 教授等人在 ACM SIGCOMM 发表了题为《OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks》的论文，首次详细地介 绍了 OpenFlow 和 OpenFlow 交换机的概念。OpenFlow 交换机相较于传统交换机有着本质不同。 OpenFlow 交换机将控制权上交给集中控制器，集中式控制器通过 OpenFlow 协议对 OpenFlow 交换 机中的流表进行控制，它会为特定的工作负载计算最佳路径，从而提高转发的效率。这种控制转发 分离的架构由集中式控制器对网络中的各种交换机设备进行综合管理，这种行为就像对网络进行整 体“编程”一样。2009 年，基 OpenFlow 为网络带来的可编程特性，Nick McKeown 教授团队与加州大 学伯克利分校的 Scott Shenker 教授进一步提出了 SDN 的概念。由 OpenFlow 带来了两项革命性的网 络创新成就：“控制转发分离架构”和“可编程”，也成为了 SDN 思想的核心理论。 2019 年的 ONF Connect 2019 演讲中，Nick McKeown 教授定义了 SDN 发展的 3 个阶段： 图 1：SDN 发展阶段图 2010–2020 年：通过 OpenFlow 将控制面和数据面分离，用户可以通过集中的控制端去控制每个 交换机的行为； 2015–2025 年：通过 P4 编程语言以及可编程 FPGA 或 ASIC 实现数据平面可编程，这样，在包 处理流水线加入一个新协议的支持，开发周期从数年降低到数周； 2020–2030 年：展望未来，网卡、交换机以及协议栈均可编程，整个网络成为一个可编程平台。 在 SDN 的架构中，由控制平面、数据平面和南向接口的一系列相关技术和接口协议实现网络的 5 / 33 可编程。 Openflow 作为南向协议为控制器和数据平面提供可动态交互的渠道，开启了网络可编程时代， 被称为 SDN 1.0，此时的网络可编程也被称为控制面可编程；但随着网络的发展和网络从业者对可 编程的需求持续增大，Openflow 所提供的控制面可编程已远远不够，无法完全达到目标无关的可编 程，更深刻的需求是做到协议无关的可编程；而 P4 可编程技术是一种协议无关的可编程处理器，提 出了创新性的数据包处理逻辑架构，给予网络从业者定义数据包处理逻辑的控制权，使其进而可控 制整个网络，P4 可应用于多种网络场景，如负载均衡、边缘计算、安全等方面，此时，P4 时代被称 为 SDN 2.0 时代，也被叫做用户面可编程。 从可编程技术的发展来看，其是一个从控制面可编程到用户面可编程的进化史，其是随着网络 时代发展而发展的。4G 时代的用户面（SGW 和 PGW）已经引入了控制面和用户面分离的思想，主 要负责用户数据的路由和转发，以及用户平面数据包的传输。它不涉及会话管理的控制功能，这些 功能由 MME 负责，用户面功能相对简单；到了 5G，UPF 不仅负责用户数据的路由和转发，还支持 更复杂的网络功能，如网络切片、低时延通信等。5G UPF 可以支持多种应用场景，包括视频传输、 虚拟现实和物联网等，并且能够提供更高的数据传输速率和更低的网络延迟，其中，控制面与用户 面分离更加彻底，用户面功能更加独立，可以下沉到靠近用户的边缘网络，以降低网络延迟，提高 整体网络性能；迈入 6G 时代，6G 业务的多维性（通信、感知、AI、计算等）对用户面提出了更高 的要求，从单一处理用户数据到处理多维业务数据发生了天翻覆地的变化，无论是对用户面处理多 维数据(通、感、智、算等)的能力，还是对用户面处理多维业务数据的性能（峰值速率、用户体验速 率、区域流量等）都提出了极高的要求。面对不同的应用场景，也对用户面功能可弹性重构、服务 化、可编程等也提出了进一步的需求。 基于以上描述，可以得出可编程技术的发展与网络用户面的发展可谓是有异曲同工之妙，两者 存在着极大的相似性和耦合性，其发展轨迹是极其吻合的，从另一个角度也可以说明，可编程技术 与网络用户面是你中有我，我中有你，可编程技术与用户面技术的结合，将做到 1+1>2 的效果，为 网络提供源源不断的动能。 1.2 6G 移动通信网络对可编程用户面新需求 ITU-R 发布的《IMT 面向 2030 及未来发展的框架和总体目标建议书》提出了 6G 相对于 5G 三 角形能力需求，已转变为了六边形战士，在 5G eMBB、uRLLC、mIOT 的基础上，演变为了沉浸式 通信、AI 与通信的融合、超高可靠低时延通信、泛在连接、大规模通信、感知与通信融合六大场景， 在此基础上，对网络性能各个指标提出了更高的要求，比如数据峰值速率、用户体验数据速率、区 6 / 33 域流量能力、连接密度、移动性、时延、可靠性、覆盖性等，从这些 KPI 可以看出，其主要是对用 户面的要求，用户面处理数据的能力是与峰值速率、用户体验速率、时延、可靠性等密切相关的。 6G 用户面对数据的转发不再限于用户数据，而是包含通感智算数安等多维度新业务的数据转发和传 输，其传输的数据量也是成指数级增长的；对数据也不再是简简单单的路由和转发，而是对数据在 一定程度上做到随路计算、随路处理等多种复杂操作。 由于网络中的数据不再限于用户的业务数据，引入了大量的 AI、计算、感知数据，数据之间的 传输拓扑也不再限于 UE-RAN-UPF-DN 之间，而是可任意拓扑的，即存在 UE-UE、UE-RAN、 RAN-RAN、RAN-CN NF、CN NF-CN NF 等多种数据传输场景，不同的数据类型也对传输数据的协 议提出了不同的需求，如 AI 和感知数据量较大，传统的 GTP-U 协议是否能高效的传输此种类型的 数据，也存在着很大的疑问和挑战。在 IMT-2030(6G)的数据服务测试中，基于核心网网元 AIEF 与 UPF 之间传输 AI 模型数