面向5G通信網(wǎng)絡(luò)傳輸承載方案的探討

劉長軍

（公誠管理咨詢有限公司，廣州 510610）

從自20世紀(jì)70年代以來，移動通信的飛躍式發(fā)展徹底改變了政治、經(jīng)濟(jì)及社會生活、工作模式，而追求性能更高的移動通信網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)人類社會的共同愿景。2012年11月，歐盟METIS項(xiàng)目正式啟動，其研究的是5G移動通信網(wǎng)絡(luò)，之后歐盟5G-PPP科研項(xiàng)目也相繼開啟，其目的是推動歐盟5G研究進(jìn)展及鞏固歐盟的主導(dǎo)地位。在中國，于2013年成立IMT-2020推進(jìn)組，目的是與亞洲的5G科研力量協(xié)同推進(jìn)5G 技術(shù)的發(fā)展。據(jù)此，在世界范圍內(nèi)的移動通信領(lǐng)域，5G都是研究的熱點(diǎn)話題。下面，筆者首先概述5G網(wǎng)絡(luò)，然后從扁平化IP網(wǎng)絡(luò)、納米核心網(wǎng)的角度探究5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1 5G概述

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)處理中，電信運(yùn)營商需要根據(jù)用戶需求對工作頻段進(jìn)行拓寬處理，傳統(tǒng)100MHz-3GHz已經(jīng)無法滿足當(dāng)下時(shí)代需求。受技術(shù)水平限制，對應(yīng)過高頻率的數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)良好的長距離、高質(zhì)量傳輸，衰減作用較為顯著，需要引起業(yè)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。為此，大數(shù)據(jù)環(huán)境下5G在天線技術(shù)上會有所突破，其中包括大量的MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)和新型傳輸波形技術(shù)的使用，其目的是并行發(fā)送無線電信號的同時(shí)還使得能量集中在一個(gè)特定方向。國內(nèi)各行業(yè)發(fā)展迅速，均離不開大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)的輔助。如事業(yè)單位借助先進(jìn)的設(shè)備、高速處理速度實(shí)現(xiàn)工作內(nèi)容的大容量存儲、高效處理的目的。整體互聯(lián)技術(shù)的重要性不斷提升，5G技術(shù)的發(fā)展需要充分滿足國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求，加強(qiáng)信息化建設(shè)的合理性、高效性是必然趨勢。

表1是5G與4G網(wǎng)絡(luò)在技術(shù)上的對比。

表1 5G與4G技術(shù)對比

結(jié)合表1，5G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使信息通信不再受時(shí)空限制，且人與物的距離得以大幅度縮短及人與萬物皆可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

1.1 5G應(yīng)用場景

到2020年，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用預(yù)計(jì)會廣泛普及到運(yùn)動健身、車載娛樂、移動醫(yī)療、智慧城市及智能電網(wǎng)中，且5G網(wǎng)絡(luò)可為移動游戲、超清視頻及虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用服務(wù)提供技術(shù)支持，而此類移動交互式應(yīng)用在無線接入帶寬、通信延遲方面的要求很高。在急救人員跟蹤、入侵監(jiān)測、無人機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測及緊急語音通話等公共安全領(lǐng)域，5G通信要求實(shí)現(xiàn)高可靠、零延遲的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 用戶終端的需求

5G網(wǎng)絡(luò)面向的是圍繞終端用戶的通信服務(wù)，因此用戶體驗(yàn)是需要關(guān)注的焦點(diǎn)。到2020年，要求5G網(wǎng)絡(luò)面向在線游戲、云存儲、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及超高清視頻等業(yè)務(wù)提供遠(yuǎn)超現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的無感知延時(shí)及無線接入帶寬；要求在發(fā)生病疫、戰(zhàn)爭及自然災(zāi)害等時(shí)提供高效的應(yīng)急通信服務(wù)；要求在飛機(jī)、高鐵等高速移動實(shí)體中提供優(yōu)質(zhì)的移動性支持，同時(shí)提供娛樂、郵件收發(fā)及實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)接入等服務(wù)。從目前的情況來看，社會越發(fā)重視能耗與能量利用效率的問題，因此無限降低執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)功能時(shí)的能耗至關(guān)重要，據(jù)此要求5G支持綠色環(huán)保、低功耗的移動通信網(wǎng)絡(luò)。

2 5G網(wǎng)絡(luò)核心架構(gòu)及承載方案

5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)處理中，電信運(yùn)營商需要根據(jù)用戶需求對工作頻段進(jìn)行拓寬處理，傳統(tǒng)100MHz-3GHz 已經(jīng)無法滿足當(dāng)下時(shí)代需求。受技術(shù)水平限制，對應(yīng)過高頻率的數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)良好的長距離、高質(zhì)量傳輸，衰減作用較為顯著，需要引起業(yè)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注。為此，大數(shù)據(jù)環(huán)境下5G 在天線技術(shù)上會有所突破，其中包括大量的MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)和新型傳輸波形技術(shù)的使用，其目的是并行發(fā)送無線電信號的同時(shí)還使得能量集中在一個(gè)特定方向。國內(nèi)各行業(yè)發(fā)展迅速，均離不開大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)的輔助。如借助先進(jìn)的設(shè)備、高速處理速度實(shí)現(xiàn)工作內(nèi)容的大容量存儲、高效處理的目的。整體互聯(lián)技術(shù)的重要性不斷提升，5G技術(shù)的發(fā)展需要充分滿足國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求，加強(qiáng)信息化建設(shè)的合理性、高效性是必然趨勢。另一方面，5G 關(guān)鍵技術(shù)分析中需要注重下述幾點(diǎn)。第一、超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。5G 網(wǎng)絡(luò)是一種利用宏站與低功率小型化基站（Micro-BS，Pico-BS，F(xiàn)emto-BS）進(jìn)行覆蓋的融WiFi，4G，LTE，UMTS 等多種無線接入技術(shù)混合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。將Macro 作為網(wǎng)絡(luò)的基石，icocell，F(xiàn)emtocell 和Relay 等低功率基站則用來消除只有Macrocell 時(shí)的覆蓋盲區(qū)，能有效分擔(dān)宏蜂窩的負(fù)擔(dān)，提供低時(shí)延、高可靠的用戶體驗(yàn)。超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以使功率效率，頻譜效率得到大幅提升，但是也不可避免的引入了一些問題。第二、大規(guī)模MIMO 技術(shù)，借助天線陣列等進(jìn)行處理，保證相同時(shí)段的資源合理分配，實(shí)現(xiàn)良好的頻譜效率控制、傳輸性能提升明顯。多天線技術(shù)可以限制波束控制在小范圍空間內(nèi)，避免干擾效應(yīng)導(dǎo)致的發(fā)射功率偏低，整體自由空控制管理水平良好，增加了信道反應(yīng)的精準(zhǔn)性，整體空間占用少、處理效果明顯提升。

2.1 扁平化IP網(wǎng)絡(luò)

結(jié)合表1可知，5G網(wǎng)絡(luò)的基站具有小型化、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，其可安裝在任一場景及與四周環(huán)境完美融合，同時(shí)用戶可在任一時(shí)刻、任一地點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)及一直在線。但目前，EPC網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)選取固定網(wǎng)元P-GW，則既無法靈活拓展，又無法與未來流量的超速增長適應(yīng)。據(jù)此，扁平化IP架構(gòu)引入5G通信網(wǎng)絡(luò)中是一種必然的趨勢。扁平化IP 架構(gòu)借助網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、邏輯GW、分布式軟件架構(gòu)及移動核心信息傳遞等功能技術(shù)使垂直網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向分布式水平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)。據(jù)此，扁平化IP 架構(gòu)是按名稱來識別終端及按M-ICT 的業(yè)務(wù)特性來實(shí)現(xiàn)扁平化改造，詳見圖1：

隨著扁平化IP架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，運(yùn)營商無論在價(jià)格或性能上都獲得了更大的競爭力，比如：扁平化IP 架構(gòu)可刪減數(shù)據(jù)通道內(nèi)網(wǎng)元的數(shù)量，以使運(yùn)營商的OPEX、CAPEX 下降；可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的低耗傳輸；可無限縮短系統(tǒng)的延時(shí)，使其對無線鏈路的延時(shí)進(jìn)行完整識別；可改善、維護(hù)核心網(wǎng)與無線網(wǎng)，且在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，表現(xiàn)出極佳的靈活性與拓展性。

圖1

2.2 納米核心網(wǎng)

納米核心網(wǎng)是全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算及納米技術(shù)的融合，詳見圖2。

圖2

結(jié)合圖2，筆者分別針對納米核心網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行如下闡述：

2.3 多路徑管理與同一鑒權(quán)

針對圖2 所示的5G 納米核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其具有下列特點(diǎn)：一是聚合接入方式集成了5G、LTE、W-CDMA、WI-FI 及藍(lán)牙等接入技術(shù)，旨在統(tǒng)一解決方案及使動態(tài)響應(yīng)時(shí)間縮短，從而改善用戶體驗(yàn)；二是虛擬應(yīng)用模式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)層與控制層分離；三是層次結(jié)構(gòu)使分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)對無線資源的高效管理及GW-GW 的無縫切換；四是GW 與BS 的業(yè)務(wù)緩存與內(nèi)容共享減少了時(shí)延。目前，無線接入技術(shù)通常擁有獨(dú)立的ID 及授權(quán)方式，外加GW 邊緣存在認(rèn)證及私密會話業(yè)務(wù)，則任一無線接入的資源都需獨(dú)立管理，且其間無法互通。但在5G 網(wǎng)絡(luò)中，功能塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)及接入技術(shù)的融合可使安全密鑰分發(fā)、鑒權(quán)及接入控制等實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一。另外，在5G 網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)用了GW 級多路徑管理機(jī)制，其運(yùn)用多技術(shù)載波聚合、半靜態(tài)多無線資源、獨(dú)立的數(shù)據(jù)路徑及會話管理等方式，以使不同的無線接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)度、無損切換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)用戶層與控制層分隔。

3 結(jié)束語

研究表明，5G網(wǎng)絡(luò)中不同無線通信技術(shù)的融合既可有效解決頻譜管理、頻率許可等問題，又可在安全方面給用戶提供完美體驗(yàn)，從而為運(yùn)營商獲得更大經(jīng)濟(jì)收益提供了可能。在未來的發(fā)展中，5G網(wǎng)絡(luò)將從細(xì)微層面不斷改變社會生活、工作模式，并推動政治、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域步入全新的發(fā)展階段。