5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

項(xiàng)弘禹，張欣然，樸竹穎，彭木根

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5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

項(xiàng)弘禹，張欣然，樸竹穎，彭木根

（北京郵電大學(xué)，北京 100876）

為了滿足巨流量、大鏈接、超低時(shí)延等5G組網(wǎng)性能需求，針對(duì)廣覆蓋和高容量設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)亟需演進(jìn)。首先結(jié)合5G愿景與需求，闡明了5G接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點(diǎn)和重要性；然后從學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界兩個(gè)角度詳細(xì)介紹了5G接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和具體組成，分析了優(yōu)點(diǎn)和不足；最后，探討了接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的挑戰(zhàn)和未來(lái)的可能發(fā)展方向。

5G；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)

1 引言

5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的日益靠近，使得全球產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界團(tuán)體加速對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究，盡早推出5G第一個(gè)商業(yè)版本。3GPP（Third Generation Partnership Project）早在2016年就公布了5G的兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[1]：獨(dú)立組網(wǎng)，即接入網(wǎng)絡(luò)僅包括新空口（new radio）或evolved E-UTRA；非獨(dú)立組網(wǎng)，接入網(wǎng)絡(luò)中新空口與evolved E-UTRA共存。并于2018年6月完成了5G NR R15的第二個(gè)版本，同時(shí)展開(kāi)了R16版本標(biāo)準(zhǔn)化工作，這極大地提升了業(yè)界對(duì)于5G的信心，對(duì)5G的后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。

2 5G網(wǎng)絡(luò)愿景與架構(gòu)特點(diǎn)

2.1 5G需求與挑戰(zhàn)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中的接入終端種類與數(shù)量不斷增長(zhǎng)，5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)真正的“萬(wàn)物互聯(lián)”。預(yù)計(jì)到2030年，全球移動(dòng)通信設(shè)備總數(shù)將達(dá)到1 000億量級(jí)，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量相較2010年增長(zhǎng)約20 000倍[2]。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)分布不均勻，隨時(shí)間、地點(diǎn)和應(yīng)用變化多樣的特點(diǎn)，為網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來(lái)了巨大的壓力。另一方面，未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了許多新興業(yè)務(wù)，既包含小數(shù)據(jù)分組服務(wù)（如低數(shù)據(jù)速率的機(jī)器通信和實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制），又包含豐富的內(nèi)容服務(wù)（如高清視頻、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和在線游戲）。5G劃分出了3種業(yè)務(wù)類型以應(yīng)對(duì)多樣化業(yè)務(wù)服務(wù)的差異化性能指標(biāo)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，如下所示[3]。

（1）eMBB（enhanced mobile broadband）

主要包括車站、體育場(chǎng)等超密集區(qū)域的巨大數(shù)據(jù)流量的熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景。該類場(chǎng)景下性能需求包括1 Gbit/s用戶體驗(yàn)速率、數(shù)十Gbit/s峰值速率和數(shù)十Tbit/(s·km2)的流量密度，網(wǎng)絡(luò)的流量過(guò)載使得現(xiàn)網(wǎng)的流量傳輸方法面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。此外，eMBB還包括需要保證用戶在高移動(dòng)性情況下的業(yè)務(wù)連續(xù)性的連續(xù)廣域覆蓋場(chǎng)景，挑戰(zhàn)在于隨時(shí)隨地為用戶提供100 Mbit/s以上的用戶體驗(yàn)速率，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性與網(wǎng)絡(luò)的基本服務(wù)能力。

（2）uRLLC（ultra-reliable and low latency communication）

主要面向?qū)r(shí)延和可靠性具有極高指標(biāo)需求的應(yīng)用，例如車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等低時(shí)延高可靠場(chǎng)景，需要網(wǎng)絡(luò)為用戶提供毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和接近100% 的業(yè)務(wù)可靠性保證，這與4G網(wǎng)絡(luò)百毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和業(yè)務(wù)中斷時(shí)間相距甚遠(yuǎn)，要求5G網(wǎng)絡(luò)針對(duì)更高的可靠性與更低的時(shí)延要求提出關(guān)鍵的使能技術(shù)。

（3）mMTC（massive machine type communication）

主要應(yīng)用于機(jī)器間通信，以傳感器為主，包括智能城市、森林防火和可穿戴設(shè)備等低功率大連接場(chǎng)景，滿足接入設(shè)備數(shù)量巨大且功耗極低的需求，預(yù)期達(dá)到100萬(wàn)/km2的連接數(shù)密度的性能指標(biāo)。海量的連接數(shù)使得網(wǎng)絡(luò)的控制面負(fù)載急劇增加，信令擁塞將是亟待解決的問(wèn)題。

為了靈活地支撐多樣化的業(yè)務(wù)服務(wù)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的性能指標(biāo)需求，未來(lái)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需要具備網(wǎng)絡(luò)功能和操作管理的多樣性，能夠智能感知用戶需求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行簡(jiǎn)化、重構(gòu)和編排，提供高效靈活的網(wǎng)絡(luò)控制和轉(zhuǎn)發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)不同用戶場(chǎng)景、商業(yè)模型下各種應(yīng)用的使用。同時(shí)，為方便實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)拓?fù)涞牟渴鸷途S護(hù)，5G網(wǎng)絡(luò)還需要能夠提供按需定制服務(wù)，開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)能力以提供靈活的業(yè)務(wù)部署環(huán)境，在滿足差異化業(yè)務(wù)需求的同時(shí)，提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)價(jià)值，以實(shí)現(xiàn)更友好的網(wǎng)絡(luò)生態(tài)。

除了性能需求帶來(lái)的挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)效率需求，如頻譜效率、能量效率和成本效率也將是5G重點(diǎn)關(guān)注的效率因素，二者共同定義了5G的關(guān)鍵能力。在5G中，網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)超百倍的能量效率提升和比特成本降低以及5~15倍的頻譜效率的提升，以保證5G的可持續(xù)發(fā)展[4]。除了網(wǎng)絡(luò)性能和效率以外，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)還面臨著感知和開(kāi)放能力不足的挑戰(zhàn)。當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)缺乏對(duì)用戶和業(yè)務(wù)感知能力，有限的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放能力無(wú)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源與業(yè)務(wù)需求的友好對(duì)接，不利于業(yè)務(wù)體驗(yàn)的改善和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)效率的提升。網(wǎng)絡(luò)中日益增長(zhǎng)的終端設(shè)備數(shù)量大幅提升了運(yùn)維成本，降低了運(yùn)維效率。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)源源不斷地產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，海量數(shù)據(jù)尚未得到充分利用，造成了數(shù)據(jù)價(jià)值的浪費(fèi)。5G通信網(wǎng)絡(luò)需要充分利用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)水平，提供更加智能的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)能力。

2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特征

和以往的網(wǎng)絡(luò)不同，5G網(wǎng)絡(luò)將不只是網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)提升，更會(huì)帶來(lái)革命性的改變。5G網(wǎng)絡(luò)除了各方面性能的提升，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也將引入許多新的特征。

（1）面向虛擬化網(wǎng)絡(luò)的NFV/SDN

NFV（network function virtualization）[5]的引入將5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成一個(gè)虛擬化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，差異化的軟件功能經(jīng)過(guò)虛擬化后運(yùn)行在相同的硬件設(shè)備上，不同網(wǎng)絡(luò)功能將共享硬件的計(jì)算、存儲(chǔ)與通信資源。SDN（software-defined networking）[6]的引入則使得網(wǎng)絡(luò)的可編排性得到提升，分離網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)與控制面。參考文獻(xiàn)[7]在介紹了歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）組織關(guān)于NFV技術(shù)的研究以及開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)（ONF）組織關(guān)于SDN技術(shù)的研究后，以核心網(wǎng)為例，進(jìn)一步探討了二者與5G核心網(wǎng)絡(luò)的有效結(jié)合。參考文獻(xiàn)[8]則研究了NFV/SDN在回傳網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用，提出了一種光纖與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合的5G-Xhaul架構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)功能分割。

（2）面向多樣化服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片

針對(duì)不同的服務(wù)需求和性能指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)被劃分成網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)體的邏輯組合，被切片后的網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)絡(luò)切片[9]用于為目標(biāo)用戶和終端提供指定的服務(wù)。參考文獻(xiàn)[10]在總結(jié)現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)對(duì)5G服務(wù)時(shí)的不足后，提出一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)用戶面編排架構(gòu)。參考文獻(xiàn)[11]則將網(wǎng)絡(luò)切片的概念進(jìn)一步提升，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放程度，提出“Anything as a Service”，通過(guò)快速靈活地調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建與管理。

（3）面向多維度資源融合的云霧協(xié)同

以往的分層異構(gòu)和云無(wú)線接入等網(wǎng)絡(luò)，受限于集中式的云處理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，性能難以滿足5G多樣化的通信需求。利用邊緣節(jié)點(diǎn)計(jì)算存儲(chǔ)和信號(hào)處理功能，將霧作為云的協(xié)同部分，能夠?qū)崿F(xiàn)集中分布自適應(yīng)的高效組網(wǎng)。參考文獻(xiàn)[12]提出云霧協(xié)同架構(gòu)，將不同服務(wù)解析成服務(wù)功能鏈，服務(wù)功能鏈由云霧中的網(wǎng)絡(luò)功能和多維度資源部署實(shí)現(xiàn)。類似地，參考文獻(xiàn)[13]提出將網(wǎng)絡(luò)的多維資源虛擬化，通過(guò)靈活分層與編排構(gòu)成云霧，滿足5G需求。

3 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究現(xiàn)狀

3.1 5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）于2015年啟動(dòng)5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定的準(zhǔn)備工作。首先開(kāi)展5G技術(shù)性能需求和評(píng)估方法研究，明確候選技術(shù)的具體性能需求和評(píng)估指標(biāo)；2017年正式啟動(dòng)5G候選技術(shù)征集；2018年底啟動(dòng)5G技術(shù)評(píng)估及標(biāo)準(zhǔn)化；計(jì)劃在2020年底形成商用能力。在該路線圖的指導(dǎo)下，全球范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化組織和5G研究項(xiàng)目組相繼開(kāi)展工作，推動(dòng)5G技術(shù)的研發(fā)進(jìn)程。

3GPP作為5G研發(fā)的主要標(biāo)準(zhǔn)化組織，自2015年12月啟動(dòng)5G相關(guān)議題討論，制定了5G標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間表，計(jì)劃于2020年商用。3GPP 5G的整體研究工作將包含3個(gè)階段：研究階段、工作階段1、工作階段2，分別對(duì)應(yīng)R14~R16。2017年12月，3GPP完成非獨(dú)立組網(wǎng)的5G新空口規(guī)范，包含無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)與系統(tǒng)、核心網(wǎng)與終端3部分。次年6月，完成獨(dú)立組網(wǎng)的5G新空口規(guī)范，同時(shí)批準(zhǔn)5G第二階段新項(xiàng)目，展開(kāi)R16的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。

5GPPP作為歐盟框架7（FP7）項(xiàng)目中的5G后續(xù)項(xiàng)目，以設(shè)計(jì)5G通信網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)為終極目標(biāo)，于2015年7月開(kāi)始展開(kāi)工作。5GPPP項(xiàng)目共分為3個(gè)階段，第一階段已于2017年年底完成，內(nèi)容包含新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等19個(gè)研究項(xiàng)目；第二階段包含邊緣計(jì)算等21個(gè)研究項(xiàng)目；第三階段自2018年6月開(kāi)始，包含基礎(chǔ)設(shè)施、自動(dòng)駕駛、垂直行業(yè)測(cè)試驗(yàn)證3個(gè)項(xiàng)目，目前正在積極開(kāi)展技術(shù)評(píng)估和測(cè)試驗(yàn)證工作。

3.1.1 5G網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)

2015年年底，3GPP系統(tǒng)架構(gòu)工作組（SA2）正式啟動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究課題“NexGen”[14]，明確了5G架構(gòu)的基本功能愿景。2017年12月，3GPP凍結(jié)“NexGen”階段2的工作，輸出第一版的3GPP 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)[15]，在該標(biāo)準(zhǔn)中，3GPP定義了5G網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)的特點(diǎn)、功能和服務(wù)。強(qiáng)調(diào)與4G系統(tǒng)不同，5G系統(tǒng)將采用基于服務(wù)的架構(gòu)，并且支持端到端的網(wǎng)絡(luò)切片功能。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用基于服務(wù)的架構(gòu)和通用接口，傳統(tǒng)網(wǎng)元功能基于NFV技術(shù)拆分成若干個(gè)自包含、自管理、可重用的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)模塊，通過(guò)靈活定義服務(wù)模塊集合，實(shí)現(xiàn)定制化的網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)，對(duì)外通過(guò)統(tǒng)一的服務(wù)調(diào)用接口組成業(yè)務(wù)流程。圖1給出了非漫游場(chǎng)景下基于服務(wù)的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖。在該架構(gòu)中，根據(jù)特定場(chǎng)景需求，將不同網(wǎng)絡(luò)功能按需有序組合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的能力與服務(wù)的定制化，為不同業(yè)務(wù)部署專用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)使運(yùn)營(yíng)商能夠更加靈活、快速地響應(yīng)客戶需求，支持網(wǎng)絡(luò)資源的靈活分配。

5GPPP于2017年12月發(fā)布了“5G架構(gòu)2.0”白皮書(shū)[16]，描述了5G整體架構(gòu)設(shè)計(jì)和評(píng)估分析。白皮書(shū)進(jìn)一步地指出，考慮到5G需要支持多樣化業(yè)務(wù)和性能指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)切片概念需與5G系統(tǒng)深度融合。為了支持網(wǎng)絡(luò)切片功能，5G架構(gòu)分為以下功能層：服務(wù)層、管理編排層、控制層、多域網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)工具、數(shù)據(jù)層，分別負(fù)責(zé)租戶應(yīng)用服務(wù)交互和商業(yè)策略決策、切換管理與編排、專用網(wǎng)絡(luò)功能控制、網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化、數(shù)據(jù)傳輸功能。各層通過(guò)有效的協(xié)作完成切片的生命周期管理和整體網(wǎng)絡(luò)的控制管理等。在所提5G架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)切片的開(kāi)放程度可以分為兩種：為租戶提供可自主控制和運(yùn)營(yíng)的虛擬基礎(chǔ)設(shè)施，即基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)；生成服務(wù)實(shí)例，直接為租戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

3.1.2 5G接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2017年3月，3GPP無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)工作組正式開(kāi)啟了5G NR工作項(xiàng)目階段[17]。同年12月，完成非獨(dú)立組網(wǎng)的5G新空口規(guī)范。2018年6月，完成獨(dú)立組網(wǎng)的5G新空口規(guī)范，至此完成了5G標(biāo)準(zhǔn)第一階段的工作，定義了5G接入網(wǎng)的整體架構(gòu)與接入節(jié)點(diǎn)架構(gòu)[18]。

3GPP定義了新型無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)NG-RAN，包含兩種接入節(jié)點(diǎn)：gNB，即提供5G控制面和用戶面服務(wù)的5G基站；ng-eNB，為用戶提供LTE/E-UTRAN服務(wù)的基站。gNB和ng-eNB間通過(guò)Xn接口進(jìn)行連接，gNB和ng-eNB通過(guò)NG接口與核心網(wǎng)（5GC）連接。5G gNB可進(jìn)一步劃分為CU（central unit）和DU（distributed unit），提供低成本部署，支持負(fù)載管理、實(shí)時(shí)性能優(yōu)化在內(nèi)的協(xié)作。NG RAN的一個(gè)顯著特點(diǎn)是可以運(yùn)行獨(dú)立組網(wǎng)和非獨(dú)立組網(wǎng)，運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求和成本靈活選擇5G部署方式。在獨(dú)立組網(wǎng)方式下，gNB連接到5G核心網(wǎng)絡(luò)（5GC）；在非獨(dú)立組網(wǎng)方式中，利用雙連接技術(shù)將NR和LTE緊密集成，連接到現(xiàn)有的4G核心網(wǎng)（EPC）。在雙連接架構(gòu)中，主節(jié)點(diǎn)和輔助節(jié)點(diǎn)同時(shí)為用戶提供無(wú)線資源，提高用戶的體驗(yàn)速率。5G無(wú)線協(xié)議棧包含兩部分：傳輸用戶數(shù)據(jù)（IP分組）的用戶面和控制信令交互的控制面。用戶面引入了服務(wù)數(shù)據(jù)自適應(yīng)協(xié)議層（SDAP），用以支持5G核心網(wǎng)基于流的新QoS模型。SDAP層可將帶有QoS需求的IP流映射到特定配置的無(wú)線電承載上，在無(wú)RRC信令輔助的情況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)的配置、重配置。控制面引入了RRC inactive狀態(tài)，該狀態(tài)下用戶在省電的同時(shí)，可更快與connected狀態(tài)切換。

李重俊是唐中宗冊(cè)立的太子，卻受到武三思的嫉恨?！叭甲映缬?xùn)尚安樂(lè)公主，常教公主凌忽重俊，以其非韋氏所生，常呼之為奴?；騽窆髡?qǐng)廢重俊為王，自立為皇太女，重俊不勝忿恨。三年七月，率左羽林大將軍李多祚、右羽林將軍李思沖、李承況、獨(dú)孤祎之、沙咤忠義等，矯制發(fā)左右羽林兵及千騎三百余人，殺三思及崇訓(xùn)于其第，并殺黨與十余人。又令左金吾大將軍成王千里分兵守宮城諸門，自率兵趨肅章門，斬關(guān)而入，求韋庶人及安樂(lè)公主所在?！币蛱浦凶诔霈F(xiàn)在玄武門樓，李重俊率領(lǐng)的兵將臨陣倒戈，兵敗后為左右所殺。

類似地，5GPPP也對(duì)5G接入網(wǎng)架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了研究[23]。根據(jù)部署場(chǎng)景，網(wǎng)絡(luò)部署將選擇合適的用戶面和數(shù)據(jù)面切分方案。包括數(shù)據(jù)面/控制面完全集中、數(shù)據(jù)面/控制面部分集中、控制面完全集中、數(shù)據(jù)面部分集中、數(shù)據(jù)面/控制面完全分離的5種切分選項(xiàng)，其中，完全分離的方案對(duì)時(shí)延、速率沒(méi)有要求，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)X2接口進(jìn)行分布式協(xié)作。完全集中式方案在多個(gè)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行集中式調(diào)度，可獲得更高的自由度。節(jié)點(diǎn)間的協(xié)議棧聚合方法將依據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況和業(yè)務(wù)需求而定：無(wú)線接入技術(shù)（RAT）的聚合點(diǎn)默認(rèn)選擇時(shí)間無(wú)關(guān)的協(xié)議棧層（即非時(shí)間同步的RRC/PDCP層），然而需時(shí)間同步的MAC層切分方案可實(shí)現(xiàn)更高的RAT協(xié)作。具體地，在PDCP層聚合方案中，CU/DU選擇在PDCP/RLC層切換，DU可支持一種和多種空口技術(shù)；在MAC層聚合方案中，引入了擴(kuò)展動(dòng)態(tài)頻譜訪問(wèn)MAC框架，將MAC層進(jìn)一步劃分為高/低層MAC，低層MAC對(duì)應(yīng)特定的空口技術(shù)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)理論研究

面向不同的應(yīng)用場(chǎng)景與性能需求，無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)需要由傳統(tǒng)的以基站為中心，基站—用戶式孤立管道傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂脩艉蜆I(yè)務(wù)為中心，異構(gòu)節(jié)點(diǎn)共存與協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，有線和無(wú)線連接將被有效利用完成回傳，提升用戶體驗(yàn)速率并降低業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延，滿足未來(lái)多樣化業(yè)務(wù)的性能需求。

（1）云無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（C-RAN）

集中式云無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（cloud RAN，C-RAN）是未來(lái)無(wú)線接入網(wǎng)演進(jìn)的重要方向。C-RAN中，基于通用硬件平臺(tái)的云計(jì)算承載基站的上層基帶處理功能，池化的基帶處理中心（base band unit pool，BBU池）提供協(xié)作信號(hào)處理、集中的資源管理、多RAT管理等功能；基站剩余的射頻等底層功能被分配給遠(yuǎn)端無(wú)線處理單元（remote radio unit，RRU），匯聚小范圍內(nèi)的RRU信號(hào)，經(jīng)部分基帶處理后進(jìn)行前端數(shù)據(jù)傳輸。在滿足一定的前傳和回傳網(wǎng)絡(luò)的條件下，C-RAN可以有效提升網(wǎng)絡(luò)容量，降低網(wǎng)絡(luò)能耗和部署成本。

傳統(tǒng)C-RAN架構(gòu)[19]中，BBU池匯聚了基站大部分功能，RRU僅負(fù)責(zé)射頻信號(hào)處理，這不僅要求網(wǎng)絡(luò)前傳鏈路能夠提供低時(shí)延高速率的理想條件，還使得網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)僵化固定。參考文獻(xiàn)[20]提出一種前傳資源靈活分配的方法，實(shí)現(xiàn)面向業(yè)務(wù)流量和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的BBU-RRU靈活適配。借助SDN，BBU池由原有的硬件基礎(chǔ)設(shè)施變?yōu)檐浖x的環(huán)境，參考文獻(xiàn)[21]提出BBU-RRU功能可編排，BBU池不僅能夠靈活擴(kuò)容，還能面向業(yè)務(wù)的靈活擴(kuò)展與拆分功能，平衡了實(shí)時(shí)性和傳輸網(wǎng)絡(luò)性能要求。進(jìn)一步地，參考文獻(xiàn)[22]搭建了基于通用處理器的C-RAN，驗(yàn)證了C-RAN在不同環(huán)境和傳輸策略下的性能。

C-RAN與5G關(guān)鍵技術(shù)的結(jié)合能夠進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)性能。參考文獻(xiàn)[23]研究了大規(guī)模MIMO對(duì)C-RAN容量的提升，并通過(guò)構(gòu)建部分集中的BBU池減少前傳鏈路開(kāi)銷。參考文獻(xiàn)[24]提出在RRU配備射頻感知功能下，C-RAN能夠?qū)崿F(xiàn)基于小區(qū)站址的射頻資源分配，完成干擾消除提升網(wǎng)絡(luò)容量。參考文獻(xiàn)[25]研究了C-RAN與邊緣緩存的結(jié)合，并比較分析了緩存配置對(duì)C-RAN性能的影響，包括前傳鏈路負(fù)載與能量開(kāi)銷。

（2）霧無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（F-RAN）

F-RAN由于其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特征能很好地滿足5G多樣化的性能要求，一經(jīng)提出就引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注，業(yè)界對(duì)F-RAN的各個(gè)方面開(kāi)展了大量的跟蹤研究?？紤]到5G對(duì)時(shí)延的特殊需求，參考文獻(xiàn)[28]在前傳/回傳鏈路容量受限情況下，分析了F-RAN中邊緣緩存和前傳容量對(duì)傳輸時(shí)延的影響，借助信息論揭示了網(wǎng)絡(luò)性能與資源開(kāi)銷間存在的權(quán)衡關(guān)系，并設(shè)計(jì)了一種聯(lián)合編碼緩存和信號(hào)壓縮方法。參考文獻(xiàn)[29]對(duì)F-RAN移動(dòng)性管理和資源管理進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)與提出F-RAN自適應(yīng)接入節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制和干擾消除方法，能夠減少異常切換發(fā)生概率和信令開(kāi)銷，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，驗(yàn)證了F-RAN作為5G無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)越性。參考文獻(xiàn)[30]調(diào)研了邊緣緩存對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能，包括譜效、能效、時(shí)延的影響，提出一種F-RAN 的自適應(yīng)接入模式選擇機(jī)制，在提供低傳輸時(shí)延的前提下，提高網(wǎng)絡(luò)頻譜和能量效率。

除了F-RAN本身的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)之外，F(xiàn)-RAN能夠很好地和5G關(guān)鍵技術(shù)相兼容，如大規(guī)模MIMO、正交多址技術(shù)可以直接應(yīng)用于F-RAN中。F-RAN 通過(guò)SDN實(shí)現(xiàn)了接入網(wǎng)絡(luò)層面的NFV。參考文獻(xiàn)[31]提出了基于NFV/SDN的F-RAN 架構(gòu)，緩解了集中SDN 控制器和骨干傳輸網(wǎng)的壓力，實(shí)現(xiàn)了高效的編排管理。參考文獻(xiàn)[32]提出了基于網(wǎng)絡(luò)切片的F-RAN 架構(gòu)，將接入網(wǎng)絡(luò)切片成多個(gè)邏輯獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，以滿足不同業(yè)務(wù)差異化的性能需求。參考文獻(xiàn)[33]提出了一種面向5G增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）的F-RAN 架構(gòu)，將AR業(yè)務(wù)分解成多個(gè)可并行執(zhí)行的子任務(wù)，并交由網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式計(jì)算。參考文獻(xiàn)[34]提出了一種面向差異化時(shí)延要求的F-RAN 架構(gòu)，借助通用處理器設(shè)備組建的仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證了對(duì)不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的分級(jí)響應(yīng)和處理，能夠適配不同時(shí)延和速率要求的業(yè)務(wù)。

（3）接入網(wǎng)絡(luò)切片（RAN slicing）

網(wǎng)絡(luò)切片通過(guò)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)中的各類物理資源抽象成虛擬資源，并基于指定的網(wǎng)絡(luò)功能和特定的接入網(wǎng)技術(shù)，按需構(gòu)建端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，提供一種或多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。由于核心網(wǎng)虛擬化程度較高，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)切片大部分都針對(duì)核心網(wǎng)。但是，探索研究接入網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行切片依舊存在必要性：考慮到5G的低時(shí)延、高容量與大連接的需求，接入網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行切片能夠更好地提供差異化性能；網(wǎng)絡(luò)切片作為端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，接入網(wǎng)絡(luò)切片有助于補(bǔ)充完整現(xiàn)有的基于核心網(wǎng)絡(luò)的切片方法。參考文獻(xiàn)[35]總結(jié)接入網(wǎng)絡(luò)切片存在的挑戰(zhàn)，并提出一種基于LTE的接入網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)，在該架構(gòu)中，接入網(wǎng)絡(luò)被模塊化，物理資源被抽象化，以實(shí)現(xiàn)靈活的服務(wù)編排與生命周期管理。參考文獻(xiàn)[36]提出一種基于3GPP eDECOR的接入網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)，并進(jìn)一步地以eMBB、uRRLC和mMTC為例，借助Open Air Interface平臺(tái)驗(yàn)證所提架構(gòu)的有效性。

考慮到5G新特性，參考文獻(xiàn)[37]研究5G RAN中，服務(wù)可解析成不同層空口協(xié)議棧的描述信息，并根據(jù)各層描述信息選擇合適的協(xié)議棧配置，完成接入網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例化。在C-RAN架構(gòu)中，參考文獻(xiàn)[38]研究了面向多租戶環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)切片方法，并針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中多維度資源聯(lián)合分配問(wèn)題，提出分層的求解算法，保證用戶傳輸速率需求的前提下最大化租戶總收益。F-RAN架構(gòu)下，參考文獻(xiàn)[39]探索了網(wǎng)絡(luò)切片和邊緣計(jì)算的融合，提出了基于邊緣計(jì)算的接入網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)，并指出資源管理和信息感知在該架構(gòu)中的關(guān)鍵作用。

4 挑戰(zhàn)和待研究?jī)?nèi)容

為了實(shí)現(xiàn)5G的“增強(qiáng)寬帶，萬(wàn)物物聯(lián)”，業(yè)界提出許多關(guān)鍵技術(shù)，5G技術(shù)在提升網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)，也給5G系統(tǒng)架構(gòu)帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)。例如，5G性能需求的維度增加，5G空口設(shè)計(jì)時(shí)需要在不同的性能指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡折中與聯(lián)合優(yōu)化，而為了應(yīng)對(duì)多種業(yè)務(wù)共存而引入的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)將系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性進(jìn)一步增加。可以預(yù)見(jiàn)的是，隨著5G技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，5G系統(tǒng)的復(fù)雜度也將呈指數(shù)型增長(zhǎng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化需要聯(lián)合考慮不同域的技術(shù)的協(xié)同融合。

在傳統(tǒng)方法無(wú)法對(duì)5G系統(tǒng)中存在的問(wèn)題進(jìn)行建模求解的場(chǎng)景下，人工智能技術(shù)的引入能夠提供有效的幫助。例如，根據(jù)業(yè)務(wù)種類與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在為用戶分配無(wú)線資源塊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度器靈活選擇合適的帶寬與符號(hào)長(zhǎng)度；基于用戶和終端的上下文與位置信息，網(wǎng)絡(luò)提供差異化的移動(dòng)性管理；利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)功能部署位置，完成網(wǎng)絡(luò)的智能優(yōu)化與管理。2017年11月，ITU成立了“機(jī)器學(xué)習(xí)”焦點(diǎn)組，重點(diǎn)研究機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能在包含5G系統(tǒng)的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。隨后，ETSI發(fā)布了《自動(dòng)化下一代網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)操作的必要性和益處》白皮書(shū)，強(qiáng)調(diào)5G 網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)管理、運(yùn)營(yíng)自動(dòng)化的目標(biāo)。學(xué)術(shù)界也對(duì)5G和人工智能的結(jié)合展示了極大的研究熱情。參考文獻(xiàn)[40]首先總結(jié)了現(xiàn)有5G技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)資源、管理移動(dòng)性管理等方面所透露的初步人工智能特性，探討了人工智能在5G中進(jìn)一步發(fā)展的必要性。

盡管人工智能在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用已經(jīng)得到初步的探討，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)方法更是得到了仿真的初步驗(yàn)證，但5G網(wǎng)絡(luò)與人工智能的結(jié)合依然處于初步階段，未來(lái)仍舊需要進(jìn)一步深化該方面的研究，包括但不限于人工智能算法中數(shù)據(jù)的獲取與模型的選擇以及5G網(wǎng)絡(luò)在傳輸、存儲(chǔ)和處理大數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)成本和性能的折中。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行了調(diào)研。在闡述5G愿景與需求、總結(jié)5G接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，從學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界分別介紹了5G接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和具體組成，并根據(jù)現(xiàn)有工作，探討了接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)當(dāng)前存在的挑戰(zhàn)和對(duì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展前景的展望，指出未來(lái)網(wǎng)絡(luò)智能化的需求。

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Network architecture in the 5G mobile systems

XIANG Hongyu, ZHANG Xinran, PIAO Zhuying, PENG Mugen

Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China

In order to meet the performance requirements of 5G networking such as huge traffic, large links, and ultra-low latency, the traditional wireless access network architecture for wide coverage and high capacity design needs to evolve. Firstly, combining the 5G vision and needs, the characteristics and importance of the 5G access network architecture were clarified. Then the design principle and specific composition of the 5G access network architecture was introduced from the perspectives of academia and industry, and the advantages and disadvantages were analyzed. Finally, the challenges of access network architecture and possible future development directions were discussed.

5G, network architecture, radio access network

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018230

項(xiàng)弘禹（1993?），男，北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無(wú)線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生，主要研究方向?yàn)殪F無(wú)線接入網(wǎng)中切片架構(gòu)及理論性能。

張欣然（1992?），男，北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無(wú)線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生，主要研究方向?yàn)檐嚶?lián)網(wǎng)和5G系統(tǒng)級(jí)仿真。

樸竹穎（1994?），女，北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無(wú)線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線接入網(wǎng)中的邊緣緩存管理和優(yōu)化。

彭木根（1978?），男，北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院副院長(zhǎng)、教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殪F無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)、后5G組網(wǎng)理論和關(guān)鍵技術(shù)、空間信息網(wǎng)絡(luò)等。

2018?06?03；

2018?08?10