5G網絡架構設計與標準化進展

朱浩，項菲

（1.中國 信息通信研究院，北京 100191；2. 國家 計算 機網 絡應 急處理協調中心， 北京 100029）

運營技術廣角

5G網絡架構設計與標準化進展

朱浩1，項菲2

（1.中國 信息通信研究院，北京 100191；2. 國家 計算 機網 絡應 急處理協調中心， 北京 100029）

隨著 5G 愿景和概念逐漸地清晰，業界越發意識到網絡技術發展對 5G 系統的重要價值。 5G 網絡旨在以高性能和高效能為目標重構全網架構和服務體系，支撐 5G 指標和場景，滿足高效運營的要求。引入了“自頂向下”的設計方法，從 5G 場景與需求與網絡挑戰映射分 析 入手，梳理了 5G 架構 發 展 方向，描述 5G 概 要 級網絡架構和基礎設施框架，并對不同 功能平面的架構方案具體展開，提出 5G 網絡 核 心功能——網絡切 片 ，在 最后對 5G 網絡標準化推進節奏進行了總結。 提出的架構方案能匹配 5G 業務和運營 需求，對 5G 網絡 后續研究工作具有推動作用。

5G；網絡架構；功能重構；網絡切片；標準化

1 引言

隨著4G技術成熟并廣泛商用，移動通信開始朝著面向2020 年及未來的，5G 的發展階段邁進。最早于 2012 年，國際電 信 聯 盟 （International Telecommunications Union，ITU）開 始組 織 全 球 業 界 啟 動 5G 愿 景［1］、流 量 預 測［2］和 未 來 技 術 趨 勢［3］等前期研究，提出 5G 將在大幅 提 升 “以 人為中心 ”的 移 動互聯網業務體驗的同時，全面支持“以物為中心”的物聯網業務，實現人與人、人與物以及物與物的智能互聯的總體愿 景。以 ITU 的 5G 前期研究成果為指引，來自全球移動通信產業不同領域的研發力量逐步聚集，全面啟動5G關鍵技術研發工作。

METIS （Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society）是 歐 盟 第 7 期 框 架計劃下，由多家電信制造商、運營商、科研機構和高校共同啟 動 的 5G 科 研 項 目［4］，已 初 步 完 成 了 5G 需 求 、應 用 場 景 和系統架構及關鍵技術方案梳理。2013 年底，歐盟啟動了規模 更 大 的 5G 科 研 項 目 5G-PPP［5］（5G public-private partnership）整 合 METIS 工 作 ，旨 在 加 速 歐 盟 5G 研 究 和 創新，項目大致包括需求研究、系統研發與優化以及大規模試驗驗證與標準化 3個階段。NGMN 旨在凝聚網絡運營商針對 5G 候選技術和評估方案的共識，通過下設的愿景、需求、技術 及 架 構、頻譜 4 個 工 作組，以全面 分 析 5G 的 關 鍵業 務 、應 用 場 景 和 技 術 要 求［6］。為 推 動 5G 研 發 ，中 國 成 立IMT-2020（5G）推進組，集中國內產學研用優勢單位，共同開展 5G 策略、需求、技術、頻譜、標準 、知 識 產 權研究及 國 際合作。推進組指出 5G 系統內涵更加廣泛，其概念擴展為“標 志 性 能 力 指 標 ”和 “一 組 關 鍵 技 術 ”［7］。

隨著研究和交流的不斷深入，業界對 5G 業務場景與關鍵指標的共識逐步收斂。ITU 規劃了 5G 所涵蓋三大應用場景：增強移動寬帶、海量機器類通信和超高可靠低時延通信，同時為適應業務場景的差異化要求，在關鍵能力指標方面，除了傳統的峰值速率、移動性、時延和頻譜效率之外，ITU 還提出了用戶體驗速率、連接數密度、流量密度和能效4 個新增關鍵能力指標。具體而言，5G 用戶體驗速率高至1 Gbit／s，能夠支持移動虛擬現實等極致業務體驗；5G 峰值速率 可 達 10～20 Gbit／s，流 量 密 度 可 達 10 Mbit／（s·m2），能 夠 支 持未 來 千 倍 流量 增 長 ；5G 連接 數 密 度 可達 100 萬 個／km2，支 持海量物聯網設備接入；5G 傳輸時延將至毫秒量級，滿足車聯 網 和 工 業 控 制 的 嚴 格 要 求 ；5G 能 夠 提 供 500 km／h 的 移動速度（如高鐵環境）下順暢的用戶體驗。最后，為了保證對頻譜和能 源 的 有 效 利 用 ，5G 的頻 譜 效 率 將 比 4G 提高3～5 倍，能 效 將 比 4G 提升 100 倍 。

與之前歷代移動通信系統以多址接入技術革新為換代標志不同，5G 內涵更加廣泛，由空口多址技術向端到端網絡延伸。網絡基礎設施將成為支撐關鍵能力指標、滿足多場景部署要求和實現高效運營的關鍵環節，與新型無線空口技術共同推進 5G 發展。當前，相比于無線側較清晰的 5G 空口系統框架和專題研究方向，面向網絡的研究還處 于 概 念 澄 清［8］、需 求 收 集［9］和 通 用 框 架 討 論［10，11］的 初 始 階段，有待于與 5G 場景與能力指標進一步對應澄清，提出具體的架構設計思路和技術方向。

綜 上 ，本 文 采 用 “top-down（自 頂 向 下 ）”的 設 計 方 法 ，從5G 場景與關鍵 KPI需求對現網的挑戰 分 析 入手，梳理 5G網絡發展方向，概要級架構和基于“云”的基礎設施框架，進而針對框架內不同功能平面提出具體的架構方案。重點闡述了 5G 網絡的核心服務功能——網絡切片技術。最后，本文簡要介紹了業界針對 5G 網絡架構和切片技術標準化方面的推進情況。

2 5G網絡概要級框架

2.1 5G 需求與網絡功能映射

5G 愿景定義了 更豐富的業務場 景和全新的業 務指標，5G 系統不能囿于單純的空口技術換代和峰值速 率提升，需要將需求與能力指標要求向網絡側推演，明確現網挑戰和發展方向，通過網絡側的創新提供支撐，見表 1。

指標方面，首先，業務速率隨用戶移動和覆蓋變化而改變是移動通信系統的基礎常識，無法提供穩定的體驗速率支持，需要改變傳統的“終端—基站”一對一傳輸機制，引入聯合多站點協同來平滑和保證速率。其次，毫秒級時延是另一個挑戰，當前網關和業務服務器一般部署在網絡中心，受限于光傳輸速率，網內傳輸時延大多是百毫秒量 級，遠超 5G 時延要 求，需要 盡可能將網 關和業務服務器下沉到網絡邊緣，此外，4G 定義的實時業務切換 中 斷 時 間 （＜300 ms）也 無 法 滿 足 5G 高 實 時 性 業 務 要求，這意味需要引入更高效的切換機制。最后，現網限于中心轉發和單一控制的功能機制，在高吞吐量和大連接的背景下會造成更大的擁塞和過載風險，這要求 5G 網絡控制功能更靈活，流量分布更均衡。

運營能效方面，4G 網絡主要定位在互聯網接入管道，長期形成了重建設、輕運維的定式，簡單化的運營手段難以適應 5G 物聯網和垂直行業高度差異化的要求。與此 同時，基于專用硬件的剛性網絡設備平臺資源利用率低，不具備動態擴縮容能力。這要求網絡側需要引入互聯網靈活快速的服務理念和更彈性的基礎設施平臺。

表1 5G 愿景、現網挑戰與架構演進方向映射

2.2 網絡邏輯功能框架

5G 網絡采用基于功能平面的框架設計， 將傳統與網元綁定的網絡功能進行抽離和重組，重新劃分為 3個功能平面：接入平面、控制平面和數據平面（如圖 1 所示）。網絡功能在平面內聚合程度更高，平面間解耦更充分。其中，控制平面主要負責生成信令控制、網管指令和業務編排邏輯，接入平面和數據平面主要負責執行控制命令，實現對業務流在接入網的接入與核心網內的轉發。各平面的功能概述如下。

（1）接入平面

涵蓋各種類型的基站和無線接入設備，通過增強的異構基站間交互機制構建綜合的站間拓撲，通過站間實時的信息交互與資源共享實現更高效的協同控制，滿足不同業務場景的需求。

（2）控制平面

為 5G 新 空 口 和 傳 統 空 口 （LTE、Wi-Fi等 ）提 供 統 一 的網絡接口。控制面功能分解成細粒度的網絡功能（network function，NF）組件，按照業 務 場景特 性 定 制專用 的 網 絡服 務 ，并在此基礎上實現精細化網絡資源管控和能力開放。

（3）數據平面

核心網網關下沉到城域網匯聚層，采取分布式部署，整合分組轉發、內容緩存和業務流加速能力，在控制平面的統一調度下，完成業務數據流轉發和邊緣處理。

圖1 5G 網絡概 要 級 系 統 框 架

2.3 基礎設施平臺

5G 網絡將改變傳統基于專用硬件的剛性基礎設施平臺 ，引 入 互 聯 網 中 云 計 算 、虛 擬 化 和 軟 件 定 義 網 絡 （software defined networking，SDN）等 技 術 理 念 ，構 建 跨 功 能 平 面 統一資源管理架構和多業務承載資源平面，全面解決傳輸服務質量、資源可擴展性、組網靈活性等基礎性問題。

網絡虛擬化實現對底層資源的統一“池化管理”，向上提供相互隔離的有資源保證的多租戶網絡環境，是網絡資源管理的核心技術。引入這一技術理念，底層基礎設施能為上層租戶提供一個充分自控的虛擬專用網絡環境，允許用戶自定義編址、自定義拓撲、自定義轉發以及自定義協議，徹底打開基礎網絡能力。

引入軟件定義網絡的技術理念，在控制平面，通過對網絡、計算和存儲資源的統一軟件編排和動態調配，在電信網中實現網絡資源與編程能力的銜接；在數據平面，通過對網絡的轉發行為進行抽象，實現利用高級語言對多種轉發平臺進行靈活的轉發協議和轉發流程定制，實現面向上層應用和性能要求的資源優化配置。

3 網絡架構技術方向

3.1 接入平面——異構站間協同組網

面向不同的應用場景，無線接入網由孤立管道轉向支持異構基站多樣（集中或分布式）的協作，靈活利用有線和無線連接實現回傳，提升小區邊緣協同處理效率，優化邊緣用戶體驗速率。圖2描繪了涉及的組網關鍵技術。

（1）C-RAN

集中式 C-RAN 組網是未來無 線 接入網演 進 的 重要方向。在滿足一定的前傳和回傳網絡的條件下，可以有效提升移動性和干擾協調的能力，重點適用于熱點高容量場景布網。面向 5G 的 C-RAN 部署架構中，遠端無 線處理單元（remote radio unit，RRU）匯 聚 小 范 圍 內 RRU 信 號 經 部 分基帶處理后進行前端數據傳輸，可支持小范圍內物理層級別的協作化算法。池化的基帶處理中心（BBU 池）集中部署移動性管理，多 RAT 管理，慢速干擾管理，基 帶用戶 面處理等功能， 實現跨多個 RRU 間的大范圍控制 協調。利用BBU／RRU 接口 重構技術，可以平衡 高實時性 和 傳 輸網絡性能要求。

（2）D-RAN

能 適應 多 種 回 傳條 件 的 分 布 式 D-RAN 組 網 是 5G 接入網另一重要方向。在 D-RAN 組網架構中，每個站點都有完整的協議處理功能。站點間根據回傳條件，靈活選擇分布式多層 次 協作方式 來 適 應性能 要 求 。D-RAN 能 對 時 延及其抖動進行自適應，基站不必依賴對端站點的協作數據，也可正常工作。分布式組網適用于作為連續廣域覆蓋以及低時延等的場景組網。

圖2 異構站間組網關鍵技術

（3）無線 mesh 網絡

作為有線組網的補充，無線 mesh 網絡利用無線信道組織站間回傳網絡，提供接入能力的延伸。無線 mesh 網絡能夠聚合末端節點（基站和終端），構建高效、即插即用的基站間無線傳輸網絡，提高基站間的協調能力和效率，降低中心化架構下數據傳輸與信令交互的時延，提供更加動態、靈活的回傳選擇，支撐高動態性要求場景，實現易部署、易維護的輕型網絡。

3.2 數據平面——網關與業務下沉

如 圖 3 中 （a）部 分 所 示 ，通 過 現 有 網 關 設 備 內 的 控 制功能和轉發功能分離，實現網關設備的簡化和下沉部署，支持“業務進管道”，提供更低的業務時延和更高的流量調度靈活性。

通過網關控制承載分離，將會話和連接控制功能從網關中抽離，簡化后的網關下沉到匯聚層，專注于流量轉發與業務流加速處理，更充分地利用管道資源，提升用戶帶寬，并逐步推進固定和移動網關功能和設備形態逐漸歸一，形成面向多業務的統一承載平臺。

IP 錨點下沉使移動網絡具備層三組大網的能力，因此應用服務器和數據庫可以隨著網關設備一同下沉到網絡邊緣，使互聯網應用、云計算服務和媒體流緩存部署在高度分布的環境中，推動互聯網應用與網絡能力融合，更好地支持 5G 低時延和高帶寬業務的要求。

3.3 控制平面——網絡控制功能重構

網關轉發功能下沉的同時，抽離的轉發控制功能（NF-U）整合到控制平面中，并對原本與信令面網元綁定的控制功能（NF-C）進行組件化拆分，以基于服務調用的方式進行重構，實現可按業務場景構造專用架構的網絡服務，滿足 5G 差異化 服 務需求，如圖 3 中 （b）所示。控 制 功能重構的關鍵技術主要包括以下方面。

· 控制面功能模塊化：梳理控制面信令流程，形成有限數量的高度內聚的功能模塊作為重構組件基礎，并按應用場景標記必選和可選的組件。

· 狀態與邏輯處理分離：對用戶移動性、會話和簽約等狀態信息的存儲和邏輯進行解耦，定義統一數據庫功能組件，實現統一調用，提高系統的頑健性和數據完整性。

· 基于服務的組件調用：按照接入終端類型和對應的業務場景，采用服務聚合的設計思路，服務引擎選擇所需的功能組件和協議（如針對物聯網的低移動性功能），組合業務流程，構建場景專用的網絡，服務引擎能支持局部架構更新和組件共享，并向第三方開放組網能力。

圖3 核心網功能重構

4 5G網絡服務——端到端網絡切片

網絡切片利用虛擬化技術將通用的網絡基礎設施資源根據場景需求虛擬化為多個專用虛擬網絡。每個切片都可獨立按照業務場景的需要和話務模型進行網絡功能的定制剪裁和相應網絡資源的編排管理，是 5G 網絡架構的實例化。

網絡切片打通了業務場景、網絡功能和基礎設施平臺間的適配接口。通過網絡功能和協議定制，網絡切片為不同業務場景提供所匹配的網絡功能。例如，熱點高容量場景下的 C-RAN 架構，物 聯網場景下 的輕量化 移 動性管理和非 IP 承載功能等。同時，網絡切片使網絡資源與部署位置解耦，支持切片資源動態擴容縮容調整，提高網絡服務的靈活性和資源利用率。切片的資源隔離特性增強整體網絡健壯性和可靠性。

一個切片的生命周期包括創建、管理和撤銷3個部分。如圖 4所示，運營商首先根據業務場景需求匹配網絡切片模板，切片模板包含對所需的網絡功能組件，組件交互接口以及所需網絡資源的描述；上線時由服務引擎導入并解析模板，向資源平面申請網絡資源，并在申請到的資源上實現虛擬網絡功能和接口的實例化與服務編排，將切片遷移到運行態。網絡切片可以實現運行態中快速功能升級和資源調整，在業務下線時及時撤銷和回收資源。

圖4 網絡切片創建過程

針 對 網 絡 切 片 的 研 究 主 要 在 3GPP （3rd Generation PartnershipProject）和 ETSINFV（EuropeanTelecommunications Standards Institute Network Functions Virtualization）產 業 推進組進行，3GPP 重點研究網絡切片對網絡功能（如接入選擇 、移 動 性 、連 接 和 計 費 等 ）的 影 響 ，ETSI NFV 產 業 推 進 組則主要研究虛擬化網絡資源的生命周期管理。當前，通用硬件的性能和虛擬化平臺的穩定性仍是網絡切片技術全面商用的瓶頸，運營商也正通過概念驗證和小范圍部署的方法穩步推進技術成熟。

5 5G網絡標準化進展

（1）ITU

ITU 于 2015 年 啟動 5G 國際 標準制定 的 準 備工作，首先開展 5G 技術性能需求和評估方法研究，明確候選技術的 具 體 性 能 需 求 和 評 估 指 標 ， 形 成 提 交 模 板 ；2017 年ITU-R 發出征集 IMT-2020 技術方案的 正 式 通 知 及 邀 請 函 ，并 啟 動 5G 候 選 技 術 征 集；2018 年 底 啟 動 5G 技 術 評 估 及標準化；計劃在 2020 年底形成商用能力。

（2）IEEE

作 為 IEEE 3G／4G 標 準 的 制 定 機 構 ，IEEE 802 標 準 委員會結合自身優勢，積極推進下一代無線局域網標準（IEEE 802.11ax）研 制 ，并 希 望 將 其 整 合 至 5G 技 術 體 系 。

IEEE 通信學 會也在積極探索 5G 標準化工作 思路，目前計劃成立信道建模、下一代前傳接口、基于云的移動核心網和無線分析 4 個研究組，深入開展 5G 技術研究。

（3）3GPP

全 球業界普遍 認可將 在 3GPP 制 定統 一的 5G 標 準 。從 2015 年初開始，3GPP 已啟動 5G 相關議題討論 ，初步確定了 5G 工作時間表。

3GPP 5G 研 究 預 計 將 包 含 3 個 版 本 ：R14、R15、R16。具 體 而 言 ，R14 主 要 開 展 5G 系 統 框 架 和 關 鍵 技 術研 究 ；R15 作 為 第 一 個 版 本 的 5G 標 準 ，滿 足 部 分 5G 需求 ， 例 如 5G 增 強 移 動 寬 帶 業 務 的 標 準 ；R16 完 成 全 部標 準 化 工 作 ，于 2020 年 初 向 ITU 提 交 候 選 方 案 。3GPP無 線 接 入 網 工 作 組 （RAN）計 劃 在 2016 年 3 月 啟 動 5G技術研究工作。

3GPP 業 務 需 求 工 作 組 （SA1）最 早 于 2015 年 啟 動“Smarter”研 究 課 題 ，該 課 題 將 于 2016 一 季 度 前 完 成 標 準化，目前已形成 4 個業務場景繼續后續工作，見表 2。

3GPP 系 統 架 構 工 作 組 （SA2）于 2015 年 底 正 式 啟 動 5G網 絡 架 構 的 研 究 課 題 “NextGen”［12］立 項 書 明 確 了 5G 架 構的基本功能愿景，包括：

· 有能力處理移動流量、設備數快速增長；

·允許核心網和接入網各自演進；

· 支持如 NFV、SDN 等技術，降低網絡成本，提高運維效率、能效，靈活支持新業務。

SA2 計 劃 在 2018 年 輸 出 第 一 版 的 5G 網 絡 架 構 標 準 ，并于 2019 年中完成面向商用的完備規范版本。 目前，SA2正在進行 5G 網絡架構需求和關鍵特性的梳理，篩選出第一階段重點研究的關鍵功能和使能技術（見表 2）。R14 階段后續工作將聚焦這些關鍵特性，開展架構設計、技術方案和標準化評估工作。

表2 3GPP R14 5G 網 絡 架 構 關 鍵 功 能 和 使 能 技 術

6 結束語

隨著 5G 路線圖的逐漸清晰，5G 網絡一方面需要支撐新型空口或 LTE 空口技術的演進，另一方面也提供對端到端網絡體系架構重新設計的契機。隨著移動終端代替固定設備成為主流，移動性支持將成為網絡的原生屬性加以“端到端”考量。

新型 5G 網絡架構不再僅僅作為互聯網的一種接入網選項，而是以移動性為基礎來推動電信網絡的接入、連接能力與業務網絡的計算、存儲能力全面融合。5G 時代網絡運營不僅要繼續高質量的滿足傳統移動互聯網應用發展要求，同時還要向新的業務領域應用滲透，快速、持續、高質量地為不同垂直行業的用戶交付信息的網絡服務。 5G網絡發展不必拘泥于革命或演進的選擇，而是由兩種設計思想共同作用的合力來推動。

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［12］SID S2-153703：proposal for study on a next generation system architecture，3GPP SA2 meeting#111 ［EB／OL］.［2016-01-12］. http：／www.3gpp.org／ftp／tsg_sa／WG2_Arch／TSGS2_111_Chengdu／Docs／S2-153703.zip.

Architecture design and standardization progress of 5G network

ZHU Hao1，XIANG Fei2
1.China Academy of Information and Communication Technology，Beijing 100191，China 2.National Computer Network Emergency Response Coordination Center，Beijing 100029，China

The industry has been more and more aware of the important value of network technologies to the 5G system since the vision and the concept of 5G has become clear and focused.Taking higher performance and efficiency as its objective，5G network is about to reconstruct the entire architecture and service provision system to meet the demands of 5G KPIs，scenarios and operations.A top-down design method was introduced which firstly identified the relationships between 5G requirements and technology challenge on legacy network and deduced the development direction of 5G architecture，then the 5G high-level framework of network architecture and infrastructure were raised and the architecture solution for each network function plane and the key network service named as network slicing were proposed in detail.Finally，the standardization progress in main SDOs was summarized.The solution raised can match the 5G service and operational requirements and give an active impetus to the subsequent 5G network research.

5G，network architecture，function reconstruction，network slicing，standardization

The National Science and Technology Major Project （No.2014ZX03002004）

TN929.5

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016127

朱浩（1982-），男，中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師，主要從事無線移動通信和網絡技術領域的新技術研究和國際標準化工作， 主 要 負責 5G 網絡總體架構研究和標準化等方面的工作。

項菲（1982-），女，博士，國家計算機網絡應急技術處理協調中心工程師，主要研究方向為大數據、云計算等，發表多篇技術論文。

2016-01-12；

2016-04-07

項 菲 ，frey207@sina.com

“新一代寬帶無線移動通信網”國家科技重大專項基金資助項目（No.2014ZX03002004）