5G新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究

楊子

摘要：基于4G通信的迅速發(fā)展和成熟，移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)逐漸進(jìn)入了第五代通信（5G）的發(fā)展階段。5G將大幅改善移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)和部署效率，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的移動(dòng)通信需求，同時(shí)5G通信系統(tǒng)將向網(wǎng)絡(luò)方向延伸。本文通過(guò)分析和學(xué)習(xí)5G通信網(wǎng)絡(luò)中的一系列關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)構(gòu)建5G新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行探討和研究。

關(guān)鍵詞：5G 網(wǎng)絡(luò) 架構(gòu)

前言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及用戶對(duì)數(shù)據(jù)流量和移動(dòng)性的要求越來(lái)越高，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。它將迅速滲透到交通、工業(yè)和服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域，并且將為智能終端，智能控制系統(tǒng)以及人工智能等行業(yè)的蓬勃發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。5G通信系統(tǒng)在4G的基礎(chǔ)上向網(wǎng)絡(luò)側(cè)延伸，并通過(guò)一系列關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1. 5G網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)

5G通信網(wǎng)絡(luò)主要通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)兩個(gè)方面來(lái)構(gòu)建。5G網(wǎng)絡(luò)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和虛擬化技術(shù)搭建新型基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，而在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面采用控制轉(zhuǎn)發(fā)分離和控制功能重構(gòu)的技術(shù)。

1.1 新型基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）是實(shí)現(xiàn)5G新型基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

在NFV技術(shù)中，軟件與硬件的分離和網(wǎng)絡(luò)功能模塊化增強(qiáng)了控制功能的重構(gòu)性。NFV技術(shù)將資源從物理端映射到虛擬端，并且可以在虛擬端進(jìn)行管理和資源優(yōu)化這樣不僅發(fā)揮了虛擬化系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，而且還提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

SDN技術(shù)分離了控制與轉(zhuǎn)發(fā)功能，借鑒IT領(lǐng)域的微服務(wù)理念，將軟件分解為細(xì)粒度的模塊化組件，并通過(guò)開(kāi)放應(yīng)用程序編程接口（API）來(lái)實(shí)現(xiàn)微服務(wù)的集成，以提升應(yīng)用開(kāi)發(fā)的整體靈活性。

1.2 網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)中有接入網(wǎng)和核心網(wǎng)兩個(gè)層次，以及接人、控制和轉(zhuǎn)發(fā)三個(gè)功能平面。

接入網(wǎng)以用戶為中心，構(gòu)建多個(gè)層次的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并且容納了多種空口接入技術(shù)，具備較高的無(wú)線資源利用率。核心網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)按需編排差異化業(yè)務(wù)需求，并將業(yè)務(wù)存儲(chǔ)和計(jì)算能力從網(wǎng)絡(luò)中心下移到網(wǎng)絡(luò)邊緣。

接入平面的主要功能是執(zhí)行指令，并將指令傳輸?shù)浇尤刖W(wǎng)并在核心網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)，接入平面的站間協(xié)同實(shí)現(xiàn)了有線和無(wú)線之間的連接轉(zhuǎn)換。前端接入有兩種組網(wǎng)模式，分別為C-RAN和DRAN。

控制平面的主要功能是將接收的指令進(jìn)行排版編輯，主要采用了控制功能模塊化、邏輯處理分離化等先進(jìn)技術(shù)，將抽離的控制轉(zhuǎn)發(fā)功能傳輸?shù)娇刂破矫?，并完成部件拆分和網(wǎng)絡(luò)重組，從而形成專門(mén)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)系統(tǒng)。

轉(zhuǎn)發(fā)平面包含用戶面之下的分布式網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)絡(luò)層引入分段選路的概念，源節(jié)點(diǎn)按照每次通信首個(gè)IP包的特征來(lái)配置流表，該次通信的后續(xù)IP包被抽象為同一流，中間節(jié)點(diǎn)只需維護(hù)拓?fù)湫畔⒉戳鞅韴?zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)功能。

1.3 網(wǎng)絡(luò)的部署

5G網(wǎng)絡(luò)的部署包括接入網(wǎng)、匯聚網(wǎng)和骨干網(wǎng)三部分，網(wǎng)絡(luò)的控制功能包括了核心網(wǎng)控制功能和接入網(wǎng)控制功能，整體呈現(xiàn)“一種邏輯結(jié)構(gòu)，多種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)”的形態(tài)。

在SG網(wǎng)絡(luò)中，針對(duì)用戶的不同業(yè)務(wù)需求通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制面的協(xié)同和編排，動(dòng)態(tài)地將相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源組成切片，即每一種業(yè)務(wù)建立邏輯上的VPN，各切片間業(yè)務(wù)相互隔離。每個(gè)切片的擁塞、過(guò)載、配置的調(diào)整不影響其他切片，而不同切片中的網(wǎng)絡(luò)功能可在相同的位置上共享相同的軟硬件平臺(tái)。

2. 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)

5G新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的一系列關(guān)鍵技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)各種功能的同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的各個(gè)功能平面緊密的融合在一起，進(jìn)而在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次的管理和配置中起到關(guān)鍵作用，最終形成靈活高效的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2.1 控制轉(zhuǎn)發(fā)分離

在5G網(wǎng)絡(luò)中核心網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備將控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能相互分離，轉(zhuǎn)發(fā)平面將專注于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，而控制平面采用邏輯集中的方式實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一控制，進(jìn)而使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加扁平化。

2.2 控制功能重構(gòu)

將通信網(wǎng)絡(luò)中的控制平面拆分成獨(dú)立的功能模塊，再根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行組合，進(jìn)而滿足5G業(yè)務(wù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)多樣性的需求。

控制重構(gòu)技術(shù)包括三個(gè)方面：

（1）控制面功能模塊化：將控制面中各類(lèi)功能分拆重組，并根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選定功能。

（2）優(yōu)化控制面處理邏輯：對(duì)各類(lèi)功能間的交互進(jìn)行優(yōu)化，提高功能聚合效率。

（3）狀態(tài)與邏輯處理分離：業(yè)務(wù)處理邏輯和狀態(tài)存儲(chǔ)邏輯分離有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2.3 新型連接管理

針對(duì)不同用戶和業(yè)務(wù)的QoS需求，新型連接管理提供了定制化和差異化的服務(wù)。5G網(wǎng)絡(luò)會(huì)根據(jù)終端屬性、請(qǐng)求類(lèi)型、網(wǎng)絡(luò)狀況等信息來(lái)確定連接參數(shù)，然后由控制平面根據(jù)連接參數(shù)生成連接管理指令，并由轉(zhuǎn)發(fā)平面轉(zhuǎn)發(fā)連接管理指令來(lái)完成連接管理。

2.4 統(tǒng)一的無(wú)線接入技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)中包含多種無(wú)線接入技術(shù)，這些接入技術(shù)之間可以通過(guò)集中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制功能實(shí)現(xiàn)融合，或者通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)分布式的協(xié)同。統(tǒng)一的多無(wú)線接人融合技術(shù)包括四個(gè)方面：

智能接入控制與管理、多無(wú)線接入資源管理、協(xié)議與信令優(yōu)化和多制式多連接技術(shù)。

2.5 無(wú)線資源調(diào)度與共享

5G的無(wú)線資源調(diào)度和共享是通過(guò)無(wú)線接入網(wǎng)分簇化集中控制、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化和頻譜共享技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線資源的高效控制和分配，從而滿足各種典型應(yīng)用場(chǎng)景。

分簇化集中控制通過(guò)分簇化集中控制與管理功能模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)線資源動(dòng)態(tài)分配與智能管理;無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化通過(guò)對(duì)接入網(wǎng)平臺(tái)資源和傳輸資源共享和切片，'構(gòu)建虛擬無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò);頻率共享技術(shù)根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景動(dòng)態(tài)使用頻譜資源和不同系統(tǒng)間頻譜共享。

2.6 定制化部署和服務(wù)

定制化部署和服務(wù)技術(shù)在感知用戶行為和業(yè)務(wù)類(lèi)型后，在無(wú)線接入網(wǎng)提供差異化和定制化服務(wù)，主要包括軟件定義協(xié)議棧和軟件定義拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩個(gè)方面：

（1）軟件定義協(xié)議棧：利用軟硬件分離以及數(shù)據(jù)面和控制面分離技術(shù)，重新定義協(xié)議棧。

（2）軟件定義拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：軟件定義的拓?fù)渲饕獙?shí)現(xiàn)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自組織、自優(yōu)化、自配置功能。

3.總結(jié)與展望

移動(dòng)通信系統(tǒng)的長(zhǎng)期演進(jìn)和變革，使得現(xiàn)代通信系統(tǒng)更加趨于個(gè)人通信，在充分提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)效率的同時(shí)滿足用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)高效性和多樣性的需求。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)以它新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供優(yōu)質(zhì)和智能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)，從而滿足未來(lái)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)要求。

5G網(wǎng)絡(luò)是以信息技術(shù)與通信技術(shù)深度融合為基礎(chǔ)，同時(shí)也代表了智能移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的階段性進(jìn)展。新型的硬件設(shè)施平臺(tái)和靈活高效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)驅(qū)動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)的智能化變革，各類(lèi)AI人工智能終端以及高數(shù)據(jù)密度的云平臺(tái)都給移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，但同時(shí)也提供了更多的變革契機(jī)，深度智能移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將是未來(lái)通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。

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