5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的探討

陽旭艷 李海濤

摘 要：根據(jù)NGMN 5G白皮書對5G愿景的描述，文章從5G的設(shè)計原則、5G的組件、5G網(wǎng)絡(luò)切片等方面分析了5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中涉及的關(guān)鍵問題。其中，對5G系統(tǒng)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)組件進(jìn)行了重點闡述，希望對今后5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和部署起到引導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；5G設(shè)計原則；5G無線接入技術(shù)；網(wǎng)絡(luò)切片；NGMN

5G是面向2020年以后移動通信需求而發(fā)展的新一代移動通信系統(tǒng)。5G將滿足人們超高流量密度，超高連接數(shù)密度，超高移動性的需求，能夠為用戶提供高清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、云桌面、在線游戲等極致業(yè)務(wù)體驗。5G將與其他無線移動通信技術(shù)密切結(jié)合，構(gòu)成新一代無所不在的移動信息網(wǎng)絡(luò)，滿足未來10年移動互聯(lián)網(wǎng)流量增加1000倍的發(fā)展需求。然而，并不是所有的應(yīng)用都需要相同的網(wǎng)絡(luò)性能，因此5G將放棄完全統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，使用嵌入式的和可擴(kuò)展式的設(shè)計方案，通過多種商業(yè)模式和合作模式為用戶提供更加廣泛的應(yīng)用。利用虛擬化的可編程網(wǎng)絡(luò)，運營商可以為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模塊化的功能，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的按需部署。5G網(wǎng)絡(luò)是一種多形態(tài)網(wǎng)絡(luò)，它由新的增強型無線接入技術(shù)、可靈活部署的網(wǎng)絡(luò)功能以及端到端的網(wǎng)絡(luò)編排等功能來共同驅(qū)動。

1 網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)與技術(shù)發(fā)展趨勢

移動通信產(chǎn)業(yè)生態(tài)的變化使未來移動通信不再僅僅追求更高速率、更大帶寬、更強能力的空中接口技術(shù)，而是以用戶為中心的智能彈性網(wǎng)絡(luò)。未來，人們之間的通信速率可以在任何時間、任何地點達(dá)到1Gbit/s，峰值速率甚至能到達(dá)50 Gbit/s（下行）。此外，用戶還能獲得更高的移動數(shù)據(jù)容量（1000 倍）、更長的電池使用壽命、更低的功耗的設(shè)備（10倍以上）、更多的終端連接設(shè)備（100倍）、更低的時延（小于1ms）以及在500 km/h 高速行駛的火車上體驗類似于靜止的通信體驗。5G 網(wǎng)絡(luò)將是一個完整的無線通信系統(tǒng)，沒有任何限制，因此，也有人將5G 網(wǎng)絡(luò)稱為真正的無線世界或者世界級無線網(wǎng)。

在未來的時間里，4G網(wǎng)絡(luò)可使用以下技術(shù)持續(xù)演進(jìn)以彌補和5G網(wǎng)絡(luò)之間的差距。

頻譜訪問——靈活的使用授權(quán)頻譜，整合未授權(quán)頻譜，同時利用更高頻段和雙工模式。

無線鏈路——先進(jìn)的多址接入技術(shù)，無線幀的設(shè)計，大規(guī)模MIMO，增強型的多天線技術(shù)，先進(jìn)的接收機(jī)，干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，小分組包傳輸技術(shù)以及以UE為中心的網(wǎng)絡(luò)。

無線訪問能力——密集的雙向連通性，增強型多無線接入技術(shù)的協(xié)調(diào)，設(shè)備與設(shè)備之間的通信，無線回程（如：自回程和中繼技術(shù)）。

網(wǎng)絡(luò)靈活性——軟件定義網(wǎng)絡(luò)，虛擬化的移動核心網(wǎng)，虛擬化的RAN，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能的靈活分離，微服務(wù)器。

高效的/自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源利用方式——業(yè)務(wù)優(yōu)化，增強性型多運營商網(wǎng)絡(luò)共享，可擴(kuò)展的服務(wù)架構(gòu)，大數(shù)據(jù)，上下文感知/以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)容優(yōu)化和自適應(yīng)流媒體傳輸，智能化的多種管理，網(wǎng)絡(luò)性能的嵌入式測量。

其他——全光傳送網(wǎng)絡(luò)，以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)狀網(wǎng)，增強的前傳功能，隱私和安全性。

2 5G的設(shè)計原則

考慮到以上技術(shù)和發(fā)展趨勢，5G系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)以下原則進(jìn)行設(shè)計：（1）頻譜優(yōu)勢。利用更高的頻段和未授權(quán)頻段，整合剩余的低頻段。由于不同頻譜的特性不同，需使用多頻譜優(yōu)化，同時也引出了分離的概念。例如，控制平面和用戶平面的路徑分離和上下行鏈路的分離。這都意味著系統(tǒng)需要支持同時將用戶連接至多個接入點。（2）經(jīng)濟(jì)的密集化部署。為了實現(xiàn)密集化部署，需引入一些新的部署模式，如：第三方/用戶部署以及多運營商/共享部署等部署方式。系統(tǒng)可以處理無計劃的部署、無秩序部署并在這些部署下獲得最佳性能。網(wǎng)絡(luò)可以自優(yōu)化負(fù)荷均衡以及干擾。（3）協(xié)調(diào)和去干擾。使用MIMO和CoMP技術(shù)來改善系統(tǒng)中的SIR，同時提高QoS和整體頻譜利用率。引入非正交多路復(fù)用技術(shù)，利用先進(jìn)的接收機(jī)來減小干擾。（4）支持動態(tài)的無線拓?fù)?。設(shè)備應(yīng)通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，從而最小化耗電量和信令流量，網(wǎng)絡(luò)不應(yīng)限制設(shè)備的可見性和可達(dá)性。如果智能手機(jī)斷電，可穿戴設(shè)備可以直接連接至網(wǎng)絡(luò)。在某些情況下，可利用D2D通信以減輕網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)荷。因此，無線拓?fù)鋺?yīng)根據(jù)環(huán)境和上下文動態(tài)變化。（5）創(chuàng)建公共的可組合核心網(wǎng)。系統(tǒng)設(shè)計將拋棄掉之前4G網(wǎng)絡(luò)完全統(tǒng)一設(shè)計的理念。網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)元的某些功能將被剝離出來，控制面/用戶面功能能夠通過開放的接口完全分離以支持功能的靈活利用率及可擴(kuò)展性。（6）靈活的功能。利有相同的基礎(chǔ)設(shè)施創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)切片以支持多種用戶場景。也就是說，可利用NFV和SDN，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)/設(shè)備功能和RAT配置的定制化。為了增強網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，狀態(tài)信息應(yīng)從功能和節(jié)點中分離出來，這樣才能更加容易的重定位并還原上下文。（7）支持新價值的創(chuàng)建。大數(shù)據(jù)分析和上下文感知是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)利用率的基礎(chǔ)，同時也能為終端用戶提供增值業(yè)務(wù)。在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時，應(yīng)注意重要數(shù)據(jù)的采集、存儲和處理。此外，需充分利用網(wǎng)絡(luò)的多種性能以促進(jìn)XaaS（一切皆服務(wù)）的實現(xiàn)。（8）安全和隱私。安全性是5G網(wǎng)絡(luò)必須考慮的問題，而且必須成為系統(tǒng)設(shè)計的重要部分。特別是用戶位置和身份等信息必須受到嚴(yán)格的保護(hù)。（9）簡化的操作和管理。擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)性能和靈活的功能分配并不意味著需要增加操作和管理的復(fù)雜度。繁雜的操作和管理可盡量自動化完成。明確定義的開放性接口可以解決多廠商之間的互操作性和互通問題。此外，網(wǎng)絡(luò)還將嵌入監(jiān)控功能而不需要運營商使用專門的監(jiān)控工具。

3 5G架構(gòu)

根據(jù)以上的設(shè)計原則，5G系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

5G系統(tǒng)由3層組成：（1）基礎(chǔ)設(shè)施資源層。它是固定與移動融合網(wǎng)絡(luò)的物理資源，由接入節(jié)點、云節(jié)點（用于處理或存儲資源）、5G設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和相關(guān)鏈路組成。通過虛擬化原則，這些資源對于5G系統(tǒng)的更高層次和網(wǎng)絡(luò)編排實體而言是可見的。（2）業(yè)務(wù)實現(xiàn)層。在融合網(wǎng)絡(luò)中所有的功能應(yīng)以模塊化的形式進(jìn)行構(gòu)建并錄入資源庫中。由軟件模塊實現(xiàn)的功能以及網(wǎng)絡(luò)特定部分的配置參數(shù)可從資源庫下載至所需的位置。這些功能將根據(jù)要求，通過相關(guān)的API由網(wǎng)絡(luò)編排實體進(jìn)行調(diào)用。（3）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。該層部署了利用5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的具體應(yīng)用和業(yè)務(wù)。

這3層通過網(wǎng)絡(luò)編排實體相互關(guān)聯(lián)，因此，在架構(gòu)中起到至關(guān)重要的作用。網(wǎng)絡(luò)編排實體能夠管理虛擬化的端到端網(wǎng)絡(luò)以及傳統(tǒng)的OSS和SON。該實體作為接入點可將用戶實例和業(yè)務(wù)模式轉(zhuǎn)化成實際的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)切片，并為給定的應(yīng)用場景定義相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)切片，關(guān)聯(lián)相關(guān)的模塊化網(wǎng)絡(luò)功能，分配性能配置參數(shù)并將其映射至基礎(chǔ)設(shè)施資源層。與此同時，網(wǎng)絡(luò)編排實體還能管理這些功能的擴(kuò)展和地理分布。在確定的商業(yè)模式中，第三方（如：MVNO、垂直行業(yè)）還能利用該實體的某些性能，通過API和XaaS創(chuàng)建和管理自己的網(wǎng)絡(luò)切片。

3.1 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片，也叫做“5G切片”，支持具體的通信業(yè)務(wù)，能通過具體的方法來操作業(yè)務(wù)的控制平面和用戶平面。通常，5G切片由大量的5G網(wǎng)絡(luò)功能和具體的RAT集組成。網(wǎng)絡(luò)功能和RAT集如何組合由具體的使用場景或商業(yè)模式而定。因此，5G切片可以跨越所有的網(wǎng)絡(luò)域，它包括運行在云節(jié)點上的軟件模塊，支持功能位置靈活化的傳輸網(wǎng)絡(luò)配置，專用的無線配置或是具體的RAT，以及5G設(shè)備的配置。但并非所有的切片都包括相同的功能，一些現(xiàn)在看來必不可少的移動網(wǎng)絡(luò)功能可能不會出現(xiàn)在這些切片中。

5G切片的目的為用戶實例提供必要的業(yè)務(wù)處理功能，而省去其他不必要的功能。切片背后的靈活性是擴(kuò)展現(xiàn)有業(yè)務(wù)和創(chuàng)建新業(yè)務(wù)的關(guān)鍵。允許第三方實體通過適當(dāng)?shù)腁PI來控制切片的某些方面，以提供定制化業(yè)務(wù)。圖2說明了如何在相同的基礎(chǔ)設(shè)施上同時運作多個5G切片。

例如，智能手機(jī)應(yīng)用的5G切片可通過設(shè)置成熟的分布式功能來實現(xiàn)。對于5G分片所支持的汽車使用場景而言，安全性、可靠性和時延是非常關(guān)鍵的。所有的關(guān)鍵功能可在云邊緣節(jié)點中實例化，包括對時延要求嚴(yán)格的垂直化應(yīng)用。為了在云節(jié)點中加載垂直化應(yīng)用，系統(tǒng)必須定義開放的接口。為了支持大量的機(jī)械類設(shè)備（如傳感器），5G切片還將配置一些基本的控制平面功能，而省去移動性功能，針對這類設(shè)備的接入還可以適當(dāng)?shù)嘏渲靡恍┗诟偁幍馁Y源。

不考慮網(wǎng)絡(luò)所支持的切片，5G網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)該包括相應(yīng)的功能以確保在任何環(huán)境下對網(wǎng)絡(luò)端到端業(yè)務(wù)的控制和安全性操作。

3.2 基于應(yīng)用場景的功能分布

5G系統(tǒng)與之前網(wǎng)絡(luò)“一刀切”的方式不同，5G網(wǎng)絡(luò)可以通過將5G網(wǎng)絡(luò)功能與適當(dāng)5GRAT相結(jié)合的方式，為具體的應(yīng)用量身定制最佳的網(wǎng)絡(luò)。圖3顯示了該系統(tǒng)中可能用到的不同的物理實例。

雖然使用NFV的通用可編程硬件可以實現(xiàn)所有的網(wǎng)絡(luò)處理功能，但在這種方式下，用戶平面功能需使用專用的硬件才可以在降低成本的同時達(dá)到一定的性能目標(biāo)。最近在虛擬化技術(shù)方面的研究，控制平面功能的實現(xiàn)則可以不使用專門的硬件。

5G網(wǎng)絡(luò)的獨特之處在于它能夠定制網(wǎng)絡(luò)功能以及這些功能在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)的位置。因此，希望控制和用戶平面在邏輯上是分離的，物理上也希望盡可能地分離。這樣可以實現(xiàn)獨立的擴(kuò)容和位置的靈活性，使得以設(shè)備中心的方式更易實現(xiàn)。在這種以設(shè)備為中心的方式下，控制平面可由宏小區(qū)處理，用戶平面由微小區(qū)處理。將某些功能放置在最接近無線接口的位置還能降低時延，還能通過直接在微基站中放置必要的功能實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)分流機(jī)制。因此，專用核心網(wǎng)絡(luò)的概念將過時，5G網(wǎng)絡(luò)的將功能不再與硬件綁定，而是在最適合的位置靈活的實例化。

如果要在5G網(wǎng)絡(luò)中完成優(yōu)化工作，上下文感知功能就必不可少了。網(wǎng)絡(luò)需要檢測業(yè)務(wù)行為，而不管設(shè)備處于什么狀態(tài)。因此，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能靈活地使用最佳的功能并將這些功能置于最佳的位置。例如，高速行駛的火車上使用視頻流業(yè)務(wù)的體驗類似于靜止用戶的體驗。上下文感知是端到端管理和網(wǎng)絡(luò)編排實體不可分割的一部分，還應(yīng)與跨越整網(wǎng)的測量功能和數(shù)據(jù)采集功能配合使用。大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析則是提高控制精確度必不可少的組成部分。

3.3 5G系統(tǒng)組件

上述系統(tǒng)架構(gòu)和原則引出了5G系統(tǒng)的關(guān)鍵組件及術(shù)語，詳情如下：

5G RAT簇（5GRF）：作為5G系統(tǒng)的一部分，5G RAT簇由一個或多個標(biāo)準(zhǔn)化的5G RAT組成，共同支持NGMN 5G需求，為用戶提供更加完善的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

5G RAT（5GR）：5G RAT是5G RAT簇之間的無線接口。

5G網(wǎng)絡(luò)功能（5GF）：5G網(wǎng)絡(luò)功能主要支持5G網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶之間的通信。它是一種典型的虛擬化功能，但一些功能仍需5G基礎(chǔ)設(shè)施通過專門的硬件實現(xiàn)。5GF由具體的RAT功能和與訪問無關(guān)的功能組成，包含支持固定接入的功能、必選功能和可選功能。必選功能是所有用戶實例所需要的公共功能，如鑒權(quán)和身份管理等?？蛇x功能并不適用于所有的應(yīng)用場景，如：移動性，可根據(jù)業(yè)務(wù)類型和應(yīng)用場景有所不同。

5G基礎(chǔ)設(shè)施（5GI）：5G基礎(chǔ)設(shè)施是基于5G網(wǎng)絡(luò)的硬件和軟件，包括傳輸網(wǎng)絡(luò)、運算資源、存儲單元、RF單元和電纜。5GR和5GF可通過5GI實現(xiàn)。

5G端到端管理和網(wǎng)絡(luò)編排實體（5GMOE）：5G端到端管理和網(wǎng)絡(luò)編排實體創(chuàng)建并管理著5G切片。它將用戶實例和商業(yè)模式翻譯成具體的業(yè)務(wù)和5G切片，確定相關(guān)的5GF、5GR和性能配置，并將其映射至5GI。它還管理著5GF的容量、地理分布、OSS和SON。

5G網(wǎng)絡(luò)（5GN）：5G網(wǎng)絡(luò)由5GF、5GR、相關(guān)5GI（包括中繼設(shè)備）和支持與5G設(shè)備進(jìn)行通信的5GMOE組成。

5G設(shè)備：5G設(shè)備是用于連接至5G網(wǎng)絡(luò)以獲得通信業(yè)務(wù)的所有設(shè)備。

5G系統(tǒng)：由5G網(wǎng)絡(luò)和5G設(shè)備組成的通信系統(tǒng)。

5G分片（5GSL）：5G分片由1組5GF以及在5G系統(tǒng)中建立起來的相關(guān)設(shè)備功能組成，以支持特定的通信業(yè)務(wù)和用戶類型。

4 結(jié)論

5G可利用最新的技術(shù)擴(kuò)大現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的容量。為了支持大相徑庭的用戶場景和商業(yè)模式，5G系統(tǒng)應(yīng)能按需組合網(wǎng)絡(luò)功能和網(wǎng)絡(luò)性能，因此，應(yīng)創(chuàng)建基于相同5G基礎(chǔ)設(shè)施的5G網(wǎng)絡(luò)分片。在技術(shù)日新月益的今天，5G還應(yīng)充分利用全球化的生態(tài)體系、免費的存儲碎片和開放的接口以完成技術(shù)創(chuàng)新，從而滿足2020年及未來的移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)要求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]月球，王曉周，楊小樂.5G網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)及核心網(wǎng)架構(gòu)探討[J].現(xiàn)代電信科技，2014（12）：27-31.

Discussion on 5G Network Architecture

Yang Xuyan，Li Haitao

（Sichuan Post and Telecommunication College， Chengdu 610067， China）

Abstract： According to the 5G concrete vision in NGMN 5G whitepaper， this paper describes the key points， such as 5G design principles， 5G components， network slicing， and highlight the 5G architecture and 5G components. Hope that this paper has a reference value for the design and deployment of 5G network in the future.

Key words： 5G network architecture； 5G design principles； 5G radio access technology； network slicing； NGMN