5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

岳勝

摘 要：5G可以分三種應(yīng)用場景：增強移動寬帶（eMBB）、低時延高可靠網(wǎng)絡(luò)（URLLC）、海量大連接（mMTC）。各場景在移動性、計費、安全、策略控制、延時、可靠性等方面有各不相同的要求，使得原有4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)不能滿足5G網(wǎng)絡(luò)需求，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用革命性的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。文章對5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行了詳細分析，為后期5G網(wǎng)絡(luò)搭建提供一定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)切片；霧計算；SDN/NFV

中圖分類號：TN916 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0054-02

1 5G需求對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)挑戰(zhàn)

5G技術(shù)相較于4G技術(shù)具有更高的性能指標(biāo)，涵蓋從低速到高速（0.1～1Gbps）用戶體驗速率、高密度連接數(shù)（100萬/km2）、移動性（500km/小時）、毫秒級數(shù)據(jù)時延及最高峰值速率達10Gbps。其中，用戶體驗速率、連接數(shù)密度和時延為5G最基本的三個性能指標(biāo)。

在4G及其以前移動網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)主要服務(wù)于移動手機終端。在5G時代，移動網(wǎng)絡(luò)需要服務(wù)于各種類型和需求的終端設(shè)備。5G可以分三種應(yīng)用場景：增強移動寬帶（eMBB）、低時延高可靠網(wǎng)絡(luò)（URLLC）、海量大連接（mMTC）。他們都需要不同類型的網(wǎng)絡(luò)，在移動性、安全性、用戶策略控制、延時、可靠性等方面有各不相同的要求，這樣使得5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相較于4G網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜。

2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及單元介紹

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)介紹

在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計中，總體思路是接入網(wǎng)設(shè)備集中化、協(xié)作化，大規(guī)模部署C-RAN，在控制面信令處理方面可以極大減少信令交互時延，滿足未來移動通信對低時延高可靠性業(yè)務(wù)的需求。在業(yè)務(wù)層面，C-RAN結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的負荷分擔(dān)，緩解部分場景中存在的話務(wù)潮汐分布對網(wǎng)絡(luò)資源的消耗實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的最大化利用，從而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資。

2016年11月中國移動研究院聯(lián)合國內(nèi)外部分設(shè)備上和芯片廠商發(fā)布了“邁向5G C-RAN：需求、架構(gòu)與挑戰(zhàn)”白皮書。其中寫到，“面向5G，基于集中/分布單元CU/DU（Centralized Unit/Distributed Unit）的兩級架構(gòu)也已經(jīng)被業(yè)界所認可，這一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與無線云化的結(jié)合，構(gòu)成了5G C-RAN的兩個基本要素”。下圖1所示為5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。

相較于4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)接入網(wǎng)的基礎(chǔ)處理單元BBU被重構(gòu)為CU（Centralized Unit，集中式單元）和DU（Distributed Unit，分布式單元）兩個功能實體。

2.2 CU/DU

CU設(shè)備主要處理無線高層協(xié)議棧，如RRC層，PDCP層等，甚至也能夠支持部分核心網(wǎng)功能下沉至接入網(wǎng)即霧計算，滿足未來通信網(wǎng)絡(luò)對于新興業(yè)務(wù)如視頻會議、虛擬/增強現(xiàn)實、網(wǎng)購等對于時延敏感業(yè)務(wù)，也正是由于通信網(wǎng)元，結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致協(xié)議棧都會進行相應(yīng)的調(diào)整變化，因此對于下一代網(wǎng)絡(luò)的命名，5G NR（New Radio）也形象的說明了將來5G網(wǎng)絡(luò)自身多方面顛覆性的變化。

DU設(shè)備主要處理物理層功能和實時性需求較高的層2功能，考慮到RRU與DU的傳輸資源，部分DU的物理層功能可以上移到RRU，伴隨RRU的小型化，甚至更激進的DU可以與RRU進行合并。

在網(wǎng)絡(luò)連接中CU可以提供用戶面和控制面接口，一個CU可以連接多個DU，而每個DU只能連接到一個CU。

2.3 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片是一種最新的網(wǎng)絡(luò)部署技術(shù)，本質(zhì)上就是根據(jù)各種業(yè)務(wù)的特性（如移動性、安全性、時延和可靠性等）將運營商的物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，以靈活地應(yīng)對不同的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景。同時各虛擬網(wǎng)絡(luò)之間是邏輯獨立互不影響。

網(wǎng)絡(luò)切片不是一個單獨的技術(shù)，它是基于云計算、NFV、SDN、分布式云架構(gòu)等幾大技術(shù)群而實現(xiàn)的，通過上層統(tǒng)一的編排讓網(wǎng)絡(luò)具備管理與協(xié)同的能力。

相較于4G及以前移動網(wǎng)絡(luò)僅支持單一或較少應(yīng)用場景，5G網(wǎng)絡(luò)可以同時支持不同應(yīng)用場景，如高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、VR/AR、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)等，不同業(yè)務(wù)場景對網(wǎng)絡(luò)的移動性、安全性、時延、可靠性，甚至是計費方式的要求是不一樣的，如果采用以前網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，需要建設(shè)不同的物理網(wǎng)絡(luò)才能實現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)，如果采用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，僅需將物理網(wǎng)絡(luò)按照各種業(yè)務(wù)特性分割成相應(yīng)虛擬網(wǎng)絡(luò)，即可滿足應(yīng)用場景需求，極大降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)復(fù)雜度，減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 SDN/NFV

SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)，Software Defined Network），最核心的思路是將控制面和數(shù)據(jù)面相分離，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能化。相較于原有網(wǎng)絡(luò)中的專有芯片、專有架構(gòu)及專有設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)中使用的設(shè)備多為商用化、通用化的路由器和交換機，并能實現(xiàn)控制面的編程。如圖2所示，邊緣云與核心云中相應(yīng)網(wǎng)元通過SDN網(wǎng)絡(luò)進行連接。

NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，Network Function Virtualization），最核心的思路是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能（比如核心網(wǎng)中的MME， S/P-GW和PCRF， DU等）從網(wǎng)絡(luò)硬件中解耦，通過軟件在通用商用服務(wù)器實現(xiàn)電信網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備功能并實現(xiàn)數(shù)據(jù)面可編程。

SDN和NFV技術(shù)使得原有電信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)出現(xiàn)革命性變化，各種專業(yè)網(wǎng)元設(shè)備由原來的專用設(shè)備向通用化、商用化轉(zhuǎn)變，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)復(fù)雜程度，網(wǎng)絡(luò)的靈活性得到極大加強。

3.2 霧計算

霧計算概念是由思科提出，是云計算的延伸概念。相較于云計算，霧計算處于網(wǎng)絡(luò)邊緣，使用的設(shè)備多為路由器、基站等設(shè)備，這些設(shè)備數(shù)量較多但資源配置較低且處理能力較小，更接近于網(wǎng)絡(luò)用戶，在網(wǎng)絡(luò)延時上具有較大的優(yōu)勢。

云計算強調(diào)一切皆為服務(wù)，IaaS，PaaS，SaaS，采用虛擬化技術(shù)將物理基礎(chǔ)設(shè)施平臺變?yōu)榉?wù)，以按需收費的方式提供給用戶。霧計算更多的是在網(wǎng)絡(luò)層面進行了強調(diào)，將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的保證問題容納到了其中。

霧計算的優(yōu)點：

（1）實時性：霧計算設(shè)備布放于網(wǎng)絡(luò)邊緣更接近于用戶使得網(wǎng)絡(luò)處理時延更小，能夠滿足5G業(yè)務(wù)中實時性業(yè)務(wù)需求。

（2）網(wǎng)絡(luò)可擴展性：霧計算設(shè)備數(shù)量相較于數(shù)據(jù)中心，設(shè)備數(shù)量具有加大優(yōu)勢且較容易新增網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具有較好的網(wǎng)絡(luò)可擴展性。

（3）節(jié)省核心網(wǎng)絡(luò)帶寬：霧作為云和終端的中間層通過對數(shù)據(jù)初步的處理和聚合，只把有價值的數(shù)據(jù)傳向云服務(wù)器做存儲或進一步的分析，極大減少了至上層核心網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量，減輕核心網(wǎng)絡(luò)的負荷。

（4）高可靠性：為了服務(wù)不同區(qū)域的用戶，相同的服務(wù)會被部署在各個區(qū)域的霧節(jié)點上。這也使得高可靠性成為霧計算的內(nèi)在屬性，一旦某一區(qū)域的服務(wù)異常，用戶請求可以快速轉(zhuǎn)向其他臨近區(qū)域。

（5）用戶信息及需求了解：通過霧計算中的服務(wù)可以了解到區(qū)域內(nèi)用戶信息及需求，從而調(diào)整網(wǎng)絡(luò)設(shè)備布置及策略，網(wǎng)絡(luò)更具智能化。

4 結(jié)束語

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用革命性架構(gòu)設(shè)計，接入層通過引入CU/DU功能實體大規(guī)模降低網(wǎng)絡(luò)處理時延，從而滿足低時延高可靠業(yè)務(wù)、高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求；核心網(wǎng)通過網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)各業(yè)務(wù)場景功能分區(qū)，實現(xiàn)各業(yè)務(wù)場景的功能需求。

參考文獻：

[1]IMT2020（5G）推進組.5G愿景與需求[Z].2014.

[2]中國移動研究院.邁向5G C-RAN：需求、架構(gòu)與挑戰(zhàn)[Z].2016.

[3]楊劍鋒.5G移動通信技術(shù)與發(fā)展前景[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（28）：47-48.endprint