5G網絡架構的探討

陽旭艷 李海濤

摘 要：根據NGMN 5G白皮書對5G愿景的描述，文章從5G的設計原則、5G的組件、5G網絡切片等方面分析了5G網絡架構中涉及的關鍵問題。其中，對5G系統架構及網絡組件進行了重點闡述，希望對今后5G網絡的設計和部署起到引導作用。

關鍵詞：5G網絡架構；5G設計原則；5G無線接入技術；網絡切片；NGMN

5G是面向2020年以后移動通信需求而發展的新一代移動通信系統。5G將滿足人們超高流量密度，超高連接數密度，超高移動性的需求，能夠為用戶提供高清視頻、虛擬現實、增強現實、云桌面、在線游戲等極致業務體驗。5G將與其他無線移動通信技術密切結合，構成新一代無所不在的移動信息網絡，滿足未來10年移動互聯網流量增加1000倍的發展需求。然而，并不是所有的應用都需要相同的網絡性能，因此5G將放棄完全統一的網絡設計，使用嵌入式的和可擴展式的設計方案，通過多種商業模式和合作模式為用戶提供更加廣泛的應用。利用虛擬化的可編程網絡，運營商可以為網絡設計模塊化的功能，從而實現網絡的按需部署。5G網絡是一種多形態網絡，它由新的增強型無線接入技術、可靈活部署的網絡功能以及端到端的網絡編排等功能來共同驅動。

1 網絡挑戰與技術發展趨勢

移動通信產業生態的變化使未來移動通信不再僅僅追求更高速率、更大帶寬、更強能力的空中接口技術，而是以用戶為中心的智能彈性網絡。未來，人們之間的通信速率可以在任何時間、任何地點達到1Gbit/s，峰值速率甚至能到達50 Gbit/s（下行）。此外，用戶還能獲得更高的移動數據容量（1000 倍）、更長的電池使用壽命、更低的功耗的設備（10倍以上）、更多的終端連接設備（100倍）、更低的時延（小于1ms）以及在500 km/h 高速行駛的火車上體驗類似于靜止的通信體驗。5G 網絡將是一個完整的無線通信系統，沒有任何限制，因此，也有人將5G 網絡稱為真正的無線世界或者世界級無線網。

在未來的時間里，4G網絡可使用以下技術持續演進以彌補和5G網絡之間的差距。

頻譜訪問——靈活的使用授權頻譜，整合未授權頻譜，同時利用更高頻段和雙工模式。

無線鏈路——先進的多址接入技術，無線幀的設計，大規模MIMO，增強型的多天線技術，先進的接收機，干擾協調技術，小分組包傳輸技術以及以UE為中心的網絡。

無線訪問能力——密集的雙向連通性，增強型多無線接入技術的協調，設備與設備之間的通信，無線回程（如：自回程和中繼技術）。

網絡靈活性——軟件定義網絡，虛擬化的移動核心網，虛擬化的RAN，網絡節點功能的靈活分離，微服務器。

高效的/自適應的網絡資源利用方式——業務優化，增強性型多運營商網絡共享，可擴展的服務架構，大數據，上下文感知/以用戶為中心的網絡，內容優化和自適應流媒體傳輸，智能化的多種管理，網絡性能的嵌入式測量。

其他——全光傳送網絡，以信息為中心的網絡，網狀網，增強的前傳功能，隱私和安全性。

2 5G的設計原則

考慮到以上技術和發展趨勢，5G系統應該根據以下原則進行設計：（1）頻譜優勢。利用更高的頻段和未授權頻段，整合剩余的低頻段。由于不同頻譜的特性不同，需使用多頻譜優化，同時也引出了分離的概念。例如，控制平面和用戶平面的路徑分離和上下行鏈路的分離。這都意味著系統需要支持同時將用戶連接至多個接入點。（2）經濟的密集化部署。為了實現密集化部署，需引入一些新的部署模式，如：第三方/用戶部署以及多運營商/共享部署等部署方式。系統可以處理無計劃的部署、無秩序部署并在這些部署下獲得最佳性能。網絡可以自優化負荷均衡以及干擾。（3）協調和去干擾。使用MIMO和CoMP技術來改善系統中的SIR，同時提高QoS和整體頻譜利用率。引入非正交多路復用技術，利用先進的接收機來減小干擾。（4）支持動態的無線拓撲。設備應通過拓撲結構進行連接，從而最小化耗電量和信令流量，網絡不應限制設備的可見性和可達性。如果智能手機斷電，可穿戴設備可以直接連接至網絡。在某些情況下，可利用D2D通信以減輕網絡業務負荷。因此，無線拓撲應根據環境和上下文動態變化。（5）創建公共的可組合核心網。系統設計將拋棄掉之前4G網絡完全統一設計的理念。網絡中網元的某些功能將被剝離出來，控制面/用戶面功能能夠通過開放的接口完全分離以支持功能的靈活利用率及可擴展性。（6）靈活的功能。利有相同的基礎設施創建網絡切片以支持多種用戶場景。也就是說，可利用NFV和SDN，實現網絡/設備功能和RAT配置的定制化。為了增強網絡的魯棒性，狀態信息應從功能和節點中分離出來，這樣才能更加容易的重定位并還原上下文。（7）支持新價值的創建。大數據分析和上下文感知是優化網絡利用率的基礎，同時也能為終端用戶提供增值業務。在設計網絡時，應注意重要數據的采集、存儲和處理。此外，需充分利用網絡的多種性能以促進XaaS（一切皆服務）的實現。（8）安全和隱私。安全性是5G網絡必須考慮的問題，而且必須成為系統設計的重要部分。特別是用戶位置和身份等信息必須受到嚴格的保護。（9）簡化的操作和管理。擴展的網絡性能和靈活的功能分配并不意味著需要增加操作和管理的復雜度。繁雜的操作和管理可盡量自動化完成。明確定義的開放性接口可以解決多廠商之間的互操作性和互通問題。此外，網絡還將嵌入監控功能而不需要運營商使用專門的監控工具。

3 5G架構

根據以上的設計原則，5G系統整體架構如圖1所示。

5G系統由3層組成：（1）基礎設施資源層。它是固定與移動融合網絡的物理資源，由接入節點、云節點（用于處理或存儲資源）、5G設備、網絡節點和相關鏈路組成。通過虛擬化原則，這些資源對于5G系統的更高層次和網絡編排實體而言是可見的。（2）業務實現層。在融合網絡中所有的功能應以模塊化的形式進行構建并錄入資源庫中。由軟件模塊實現的功能以及網絡特定部分的配置參數可從資源庫下載至所需的位置。這些功能將根據要求，通過相關的API由網絡編排實體進行調用。（3）業務應用層。該層部署了利用5G網絡實現的具體應用和業務。

這3層通過網絡編排實體相互關聯，因此，在架構中起到至關重要的作用。網絡編排實體能夠管理虛擬化的端到端網絡以及傳統的OSS和SON。該實體作為接入點可將用戶實例和業務模式轉化成實際的業務和網絡切片，并為給定的應用場景定義相應的網絡切片，關聯相關的模塊化網絡功能，分配性能配置參數并將其映射至基礎設施資源層。與此同時，網絡編排實體還能管理這些功能的擴展和地理分布。在確定的商業模式中，第三方（如：MVNO、垂直行業）還能利用該實體的某些性能，通過API和XaaS創建和管理自己的網絡切片。

3.1 網絡切片

網絡切片，也叫做“5G切片”，支持具體的通信業務，能通過具體的方法來操作業務的控制平面和用戶平面。通常，5G切片由大量的5G網絡功能和具體的RAT集組成。網絡功能和RAT集如何組合由具體的使用場景或商業模式而定。因此，5G切片可以跨越所有的網絡域，它包括運行在云節點上的軟件模塊，支持功能位置靈活化的傳輸網絡配置，專用的無線配置或是具體的RAT，以及5G設備的配置。但并非所有的切片都包括相同的功能，一些現在看來必不可少的移動網絡功能可能不會出現在這些切片中。

5G切片的目的為用戶實例提供必要的業務處理功能，而省去其他不必要的功能。切片背后的靈活性是擴展現有業務和創建新業務的關鍵。允許第三方實體通過適當的API來控制切片的某些方面，以提供定制化業務。圖2說明了如何在相同的基礎設施上同時運作多個5G切片。

例如，智能手機應用的5G切片可通過設置成熟的分布式功能來實現。對于5G分片所支持的汽車使用場景而言，安全性、可靠性和時延是非常關鍵的。所有的關鍵功能可在云邊緣節點中實例化，包括對時延要求嚴格的垂直化應用。為了在云節點中加載垂直化應用，系統必須定義開放的接口。為了支持大量的機械類設備（如傳感器），5G切片還將配置一些基本的控制平面功能，而省去移動性功能，針對這類設備的接入還可以適當地配置一些基于競爭的資源。

不考慮網絡所支持的切片，5G網絡還應該包括相應的功能以確保在任何環境下對網絡端到端業務的控制和安全性操作。

3.2 基于應用場景的功能分布

5G系統與之前網絡“一刀切”的方式不同，5G網絡可以通過將5G網絡功能與適當5GRAT相結合的方式，為具體的應用量身定制最佳的網絡。圖3顯示了該系統中可能用到的不同的物理實例。

雖然使用NFV的通用可編程硬件可以實現所有的網絡處理功能，但在這種方式下，用戶平面功能需使用專用的硬件才可以在降低成本的同時達到一定的性能目標。最近在虛擬化技術方面的研究，控制平面功能的實現則可以不使用專門的硬件。

5G網絡的獨特之處在于它能夠定制網絡功能以及這些功能在網絡中實現的位置。因此，希望控制和用戶平面在邏輯上是分離的，物理上也希望盡可能地分離。這樣可以實現獨立的擴容和位置的靈活性，使得以設備中心的方式更易實現。在這種以設備為中心的方式下，控制平面可由宏小區處理，用戶平面由微小區處理。將某些功能放置在最接近無線接口的位置還能降低時延，還能通過直接在微基站中放置必要的功能實現本地數據分流機制。因此，專用核心網絡的概念將過時，5G網絡的將功能不再與硬件綁定，而是在最適合的位置靈活的實例化。

如果要在5G網絡中完成優化工作，上下文感知功能就必不可少了。網絡需要檢測業務行為，而不管設備處于什么狀態。因此，網絡應能靈活地使用最佳的功能并將這些功能置于最佳的位置。例如，高速行駛的火車上使用視頻流業務的體驗類似于靜止用戶的體驗。上下文感知是端到端管理和網絡編排實體不可分割的一部分，還應與跨越整網的測量功能和數據采集功能配合使用。大數據統計分析則是提高控制精確度必不可少的組成部分。

3.3 5G系統組件

上述系統架構和原則引出了5G系統的關鍵組件及術語，詳情如下：

5G RAT簇（5GRF）：作為5G系統的一部分，5G RAT簇由一個或多個標準化的5G RAT組成，共同支持NGMN 5G需求，為用戶提供更加完善的網絡覆蓋。

5G RAT（5GR）：5G RAT是5G RAT簇之間的無線接口。

5G網絡功能（5GF）：5G網絡功能主要支持5G網絡內用戶之間的通信。它是一種典型的虛擬化功能，但一些功能仍需5G基礎設施通過專門的硬件實現。5GF由具體的RAT功能和與訪問無關的功能組成，包含支持固定接入的功能、必選功能和可選功能。必選功能是所有用戶實例所需要的公共功能，如鑒權和身份管理等。可選功能并不適用于所有的應用場景，如：移動性，可根據業務類型和應用場景有所不同。

5G基礎設施（5GI）：5G基礎設施是基于5G網絡的硬件和軟件，包括傳輸網絡、運算資源、存儲單元、RF單元和電纜。5GR和5GF可通過5GI實現。

5G端到端管理和網絡編排實體（5GMOE）：5G端到端管理和網絡編排實體創建并管理著5G切片。它將用戶實例和商業模式翻譯成具體的業務和5G切片，確定相關的5GF、5GR和性能配置，并將其映射至5GI。它還管理著5GF的容量、地理分布、OSS和SON。

5G網絡（5GN）：5G網絡由5GF、5GR、相關5GI（包括中繼設備）和支持與5G設備進行通信的5GMOE組成。

5G設備：5G設備是用于連接至5G網絡以獲得通信業務的所有設備。

5G系統：由5G網絡和5G設備組成的通信系統。

5G分片（5GSL）：5G分片由1組5GF以及在5G系統中建立起來的相關設備功能組成，以支持特定的通信業務和用戶類型。

4 結論

5G可利用最新的技術擴大現有網絡的容量。為了支持大相徑庭的用戶場景和商業模式，5G系統應能按需組合網絡功能和網絡性能，因此，應創建基于相同5G基礎設施的5G網絡分片。在技術日新月益的今天，5G還應充分利用全球化的生態體系、免費的存儲碎片和開放的接口以完成技術創新，從而滿足2020年及未來的移動互聯網和物聯網的業務要求。

[參考文獻]

[1]月球，王曉周，楊小樂.5G網絡新技術及核心網架構探討[J].現代電信科技，2014（12）：27-31.

Discussion on 5G Network Architecture

Yang Xuyan，Li Haitao

（Sichuan Post and Telecommunication College， Chengdu 610067， China）

Abstract： According to the 5G concrete vision in NGMN 5G whitepaper， this paper describes the key points， such as 5G design principles， 5G components， network slicing， and highlight the 5G architecture and 5G components. Hope that this paper has a reference value for the design and deployment of 5G network in the future.

Key words： 5G network architecture； 5G design principles； 5G radio access technology； network slicing； NGMN