5G面臨的挑戰(zhàn)與網(wǎng)絡架構

段弘濤

【摘要】自20世紀80年代以來，移動通信每十年出現(xiàn)一個革命性技術，推動著產(chǎn)業(yè)革新，為全球經(jīng)濟社會發(fā)展注入源源不斷的動力。移動通信技術已經(jīng)歷了1G-4G四個時代，正朝著第5代移動通信技術（5G）闊步前進。抓住5G移動通信發(fā)展的新機遇，加快培育新技術新產(chǎn)業(yè)，驅動傳統(tǒng)領域的數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化升級，成為打造未來國際競爭新優(yōu)勢的關鍵之舉和戰(zhàn)略之選。文章介紹了5G目前所面臨的場景、無線接入等挑戰(zhàn)，并對其網(wǎng)絡架構進行了描述。

【關鍵詞】5G；高速率；大帶寬；挑戰(zhàn)；SDN；網(wǎng)絡架構

【Abstract】Since the 1980s， mobile communications has emerged a revolutionary technology every decade， driving industrial innovation and injecting a steady stream of power into global economic and social development. Mobile communication technology has gone through 1G-4G four times， is moving towards the 5th generation mobile communication technology （5G） stride forward. To seize the new opportunities for the development of 5G mobile communication， to speed up the cultivation of new technologies and new industries， to drive the traditional areas of digital， network and intelligent upgrades， to create a new international competitive advantage in the future and strategic options. The article introduces the challenges of 5G current scene， wireless access and its network architecture.

【Key words】5G；High speed；Large bandwidth；Challenge；SDN；Network architecture

面向2020年及未來，移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務將成為移動通信發(fā)展的主要驅動力。5G將滿足人們在生活、工作等各區(qū)域的多樣化業(yè)務需求，即使在密集住宅區(qū)、大型寫字樓、體育場、地鐵、高鐵等具有超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動性特征的場景，也可以為用戶提供超高清視頻、虛擬現(xiàn)實、云桌面、在線游戲等極致業(yè)務體驗。5G還將滲透到物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)、醫(yī)療、交通等行業(yè)，與其深度融合，有效滿足此類垂直行業(yè)的多樣化業(yè)務需求，實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”。

1. 5G面臨的挑戰(zhàn)

1.1 場景挑戰(zhàn)。

（1）不同應用場景面臨的性能挑戰(zhàn)有所不同，用戶體驗速率、流量密度、時延、連接數(shù)等都會成為不同場景的挑戰(zhàn)性指標。從移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)主要應用場景、業(yè)務需求及挑戰(zhàn)出發(fā)，可歸納出連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠四個5G主要技術場景。

（2）連續(xù)廣域覆蓋和熱點高容量場景主要滿足2020年及未來的移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務需求；低功耗大連接和低時延高可靠場景主要面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，是5G新拓展的場景，重點解決傳統(tǒng)移動通信無法很好支持地物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)應用（不同應用場景面臨的挑戰(zhàn)見表1）。

1.2 無線接入挑戰(zhàn)。

1.2.1 網(wǎng)絡比較理想的演進升級方式是新網(wǎng)絡部署后，原有網(wǎng)絡的用戶逐步平滑遷移至新網(wǎng)絡，這樣原有的頻譜資源可重耕于新網(wǎng)絡，降低網(wǎng)絡運營的復雜度（網(wǎng)絡間的互操作，OAM系統(tǒng)管理等），進一步提升頻譜利用率和網(wǎng)絡整體性能。然而在網(wǎng)絡實際部署中，低版本網(wǎng)絡上的部分用戶難以遷移，退網(wǎng)困難，運營商往往需要同時維護多張網(wǎng)絡的運營。隨著5G時代的到來，運營商部署的網(wǎng)絡將成倍增長，例如5G新空口和基于LTE演進的5G網(wǎng)絡，疊加3.5GHz頻段和可能的6GHz以上頻段。此外，各運營商無線設備從傳統(tǒng)宏站、分布式基站到Micro、Small Cell、Pico、relay等，形成了多模、多頻、多形態(tài)的復雜網(wǎng)絡。

1.2.2 多模，多頻，多形態(tài)的無線網(wǎng)絡帶來了如下挑戰(zhàn)：

（1）干擾大：同頻組網(wǎng)本身帶來的小區(qū)間干擾問題隨著網(wǎng)絡容量的增加而急劇增加；

（2）體驗差：多制式之間互操作頻繁，嚴重影響用戶業(yè)務體驗；用戶移動過程中，多小區(qū)切換頻繁，不僅連續(xù)性體驗差，網(wǎng)絡信令負載也成倍增長；

（3）效率低：頻譜利用效率低，多制式對應的多頻段頻譜一般采用靜態(tài)配置，很難根據(jù)業(yè)務的特征靈活動態(tài)共享頻譜，導致頻譜利用率下降；

（4）運維困難：每增加一種制式，運維的復雜度增加超過一倍；設備形態(tài)眾多，設備配置管理和維護均非常復雜。

2. 5G網(wǎng)絡架構

5G網(wǎng)絡的構建需要達到超高速率、超大吞吐量、超高可靠性、超低延時等指標，以便為用戶提供最佳的體驗。

2.1 5G網(wǎng)絡的部署應該具有以下特性：靈活的網(wǎng)絡架構以及多種接口來支持不同面向多種業(yè)務的接入，在鏈路性能上能夠用多跳的方式進行網(wǎng)絡覆蓋以及實現(xiàn)基站的Mac層和用戶的直通，同時整個網(wǎng)絡能夠根據(jù)環(huán)境以及業(yè)務需求自我調(diào)整自我優(yōu)化。

（1）為了滿足5G網(wǎng)絡能夠隨時隨地接入網(wǎng)絡的要求， 5G網(wǎng)絡的重要指標是能夠靈活擴展，因此采用扁平化IP網(wǎng)絡架構，通過分布云的的移動核心信息傳遞功能，分布式軟件架構和邏輯網(wǎng)關以及網(wǎng)絡虛擬化等技術，將垂直的網(wǎng)絡架構演進成分布式水平網(wǎng)絡架構。

（2）未來的5G網(wǎng)絡將是基于SDN、NFV和云計算技術的更加靈活、智能、高效和開放的網(wǎng)絡系統(tǒng)。5G網(wǎng)絡架構包含3個功能平面：控制云、接入云和轉發(fā)云（5G網(wǎng)絡架構見圖1）。

2.2 控制云。

（1）控制云作為5G的控制核心，由多個運行在云計算數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡控制功能模塊組成，主要包括無線資源管理模塊、移動性管理模塊、策略管理模塊、信息中心模塊、網(wǎng)絡資源編排模塊等。

（2）相比于傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡，5G網(wǎng)絡控制云將分散的網(wǎng)絡控制功能進一步集中和重構、功能模塊軟件化、網(wǎng)元虛擬化，并對外提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡能力開放接口。同時，控制云通過API接收來自接入云和轉發(fā)云上報的網(wǎng)絡狀態(tài)信息，完成接入云和轉發(fā)云的集中優(yōu)化控制。

（3）控制云基于可重構的集中的網(wǎng)絡控制功能，提供按需的接入、移動性和會話管理，支持精細化資源管控和全面開放能力。

2.3 接入云。

5G網(wǎng)絡接入云包含多種部署場景，主要包括宏基站覆蓋、微基站超密集覆蓋、宏微聯(lián)合覆蓋等。

（1）在宏微聯(lián)合覆蓋場景下，通過覆蓋與容量的分離（微基站負責容量、宏基站負責覆蓋及微基站間資源協(xié)同管理），根據(jù)業(yè)務發(fā)展需求以及分布特性靈活部署微基站。同時，由宏基站充當微基站間的接入集中控制模塊，對微基站間干擾協(xié)調(diào)、資源協(xié)同管理起到了一定幫助。對于微基站超密集覆蓋的場景，微基站間的干擾協(xié)調(diào)、資源協(xié)同、緩存等需要進行分簇化集中控制。此時，接入集中控制模塊可以由所分簇中某一微基站負責或者單獨部署在數(shù)據(jù)處理中心。類似地，對于傳統(tǒng)的宏覆蓋場景，宏基站間的集中控制模塊可以采用與微基站超密集覆蓋同樣的方式進行部署。

（2）未來5G接入網(wǎng)基于分簇化集中控制的主要功能體現(xiàn)在集中式的資源協(xié)同管理、無線網(wǎng)絡虛擬化以及以用戶為中心的虛擬小區(qū)等方面。

接入云引入多站點協(xié)作、多連接機制和多制式融合技術，構建更靈活的接入網(wǎng)拓撲。

2.4 轉發(fā)云。

（1）5G網(wǎng)絡轉發(fā)云實現(xiàn)了核心網(wǎng)控制面與數(shù)據(jù)面的徹底分離，更專注于聚焦數(shù)據(jù)流的高速轉發(fā)與處理。同時，運營商防火墻等網(wǎng)元在轉發(fā)云中的部署，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡的鏈狀部署改善為與轉發(fā)網(wǎng)元一同網(wǎng)狀部署。此時，轉發(fā)云根據(jù)控制云的集中控制，使5G網(wǎng)絡能夠根據(jù)用戶業(yè)務需求，軟件定義每個業(yè)務流轉發(fā)路徑，實現(xiàn)轉發(fā)網(wǎng)元與業(yè)務使能網(wǎng)元的靈活選擇。除此之外，轉發(fā)云可以根據(jù)控制云下發(fā)的緩存策略實現(xiàn)受歡迎內(nèi)容的緩存，降低核心網(wǎng)數(shù)據(jù)量。

（2）為了提升轉發(fā)云的數(shù)據(jù)處理和轉發(fā)效率等，轉發(fā)云需要周期或非周期地將網(wǎng)絡狀態(tài)信息通過API上報給控制云進行集中優(yōu)化控制。考慮到控制云與轉發(fā)云之間的傳播時延，某些對時延要求特別嚴格的事件需要轉發(fā)云進行本地處理。

（3）轉發(fā)云具備分布式的數(shù)據(jù)轉發(fā)和處理功能，提供更動態(tài)的錨點設置，以及更豐富的業(yè)務鏈處理能力。

（4）基于“三朵云”的新型5G網(wǎng)絡架構是移動網(wǎng)絡未來的發(fā)展方向，但實際網(wǎng)絡發(fā)展在滿足未來新業(yè)務和新場景需求的同時，也要充分考慮現(xiàn)有移動網(wǎng)絡的演進途徑。5G網(wǎng)絡架構的發(fā)展會存在局部變化到全網(wǎng)變革的中間階段，通信技術與IT技術的融合會從核心網(wǎng)向無線接入網(wǎng)逐步延伸，最終形成網(wǎng)絡架構的整體演變。

3. 結束語

（1）5G移動寬帶系統(tǒng)將成為面向2020年以后人類信息社會需求的無線移動通信系統(tǒng)。

（2）5G不僅是更高速率、更大帶寬、更強能力的空中接口技術，還是面向業(yè)務應用和用戶體驗的智能網(wǎng)絡。它是一個多業(yè)務多技術融合的網(wǎng)絡，通過技術的演進和創(chuàng)新，滿足未來包含廣泛數(shù)據(jù)和連接的各種業(yè)務的快速發(fā)展需要，提升用戶體驗。

參考文獻

[1] 楊峰義，張建敏，謝偉良，王敏，王海寧.5G蜂窩網(wǎng)絡架構分析.電信科學.2015年.

[文章編號]1619-2737（2017）07-20-650