5G面臨的挑戰(zhàn)與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

段弘濤

【摘要】自20世紀(jì)80年代以來(lái)，移動(dòng)通信每十年出現(xiàn)一個(gè)革命性技術(shù)，推動(dòng)著產(chǎn)業(yè)革新，為全球經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展注入源源不斷的動(dòng)力。移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)歷了1G-4G四個(gè)時(shí)代，正朝著第5代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）闊步前進(jìn)。抓住5G移動(dòng)通信發(fā)展的新機(jī)遇，加快培育新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)，驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)領(lǐng)域的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化升級(jí)，成為打造未來(lái)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵之舉和戰(zhàn)略之選。文章介紹了5G目前所面臨的場(chǎng)景、無(wú)線接入等挑戰(zhàn)，并對(duì)其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了描述。

【關(guān)鍵詞】5G；高速率；大帶寬；挑戰(zhàn)；SDN；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

【Abstract】Since the 1980s， mobile communications has emerged a revolutionary technology every decade， driving industrial innovation and injecting a steady stream of power into global economic and social development. Mobile communication technology has gone through 1G-4G four times， is moving towards the 5th generation mobile communication technology （5G） stride forward. To seize the new opportunities for the development of 5G mobile communication， to speed up the cultivation of new technologies and new industries， to drive the traditional areas of digital， network and intelligent upgrades， to create a new international competitive advantage in the future and strategic options. The article introduces the challenges of 5G current scene， wireless access and its network architecture.

【Key words】5G；High speed；Large bandwidth；Challenge；SDN；Network architecture

面向2020年及未來(lái)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)將成為移動(dòng)通信發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。5G將滿足人們?cè)谏睢⒐ぷ鞯雀鲄^(qū)域的多樣化業(yè)務(wù)需求，即使在密集住宅區(qū)、大型寫字樓、體育場(chǎng)、地鐵、高鐵等具有超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動(dòng)性特征的場(chǎng)景，也可以為用戶提供超高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、云桌面、在線游戲等極致業(yè)務(wù)體驗(yàn)。5G還將滲透到物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)、醫(yī)療、交通等行業(yè)，與其深度融合，有效滿足此類垂直行業(yè)的多樣化業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)真正的“萬(wàn)物互聯(lián)”。

1. 5G面臨的挑戰(zhàn)

1.1 場(chǎng)景挑戰(zhàn)。

（1）不同應(yīng)用場(chǎng)景面臨的性能挑戰(zhàn)有所不同，用戶體驗(yàn)速率、流量密度、時(shí)延、連接數(shù)等都會(huì)成為不同場(chǎng)景的挑戰(zhàn)性指標(biāo)。從移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用場(chǎng)景、業(yè)務(wù)需求及挑戰(zhàn)出發(fā)，可歸納出連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接和低時(shí)延高可靠四個(gè)5G主要技術(shù)場(chǎng)景。

（2）連續(xù)廣域覆蓋和熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景主要滿足2020年及未來(lái)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求；低功耗大連接和低時(shí)延高可靠場(chǎng)景主要面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，是5G新拓展的場(chǎng)景，重點(diǎn)解決傳統(tǒng)移動(dòng)通信無(wú)法很好支持地物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)應(yīng)用（不同應(yīng)用場(chǎng)景面臨的挑戰(zhàn)見(jiàn)表1）。

1.2 無(wú)線接入挑戰(zhàn)。

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)比較理想的演進(jìn)升級(jí)方式是新網(wǎng)絡(luò)部署后，原有網(wǎng)絡(luò)的用戶逐步平滑遷移至新網(wǎng)絡(luò)，這樣原有的頻譜資源可重耕于新網(wǎng)絡(luò)，降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的復(fù)雜度（網(wǎng)絡(luò)間的互操作，OAM系統(tǒng)管理等），進(jìn)一步提升頻譜利用率和網(wǎng)絡(luò)整體性能。然而在網(wǎng)絡(luò)實(shí)際部署中，低版本網(wǎng)絡(luò)上的部分用戶難以遷移，退網(wǎng)困難，運(yùn)營(yíng)商往往需要同時(shí)維護(hù)多張網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，運(yùn)營(yíng)商部署的網(wǎng)絡(luò)將成倍增長(zhǎng)，例如5G新空口和基于LTE演進(jìn)的5G網(wǎng)絡(luò)，疊加3.5GHz頻段和可能的6GHz以上頻段。此外，各運(yùn)營(yíng)商無(wú)線設(shè)備從傳統(tǒng)宏站、分布式基站到Micro、Small Cell、Pico、relay等，形成了多模、多頻、多形態(tài)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。

1.2.2 多模，多頻，多形態(tài)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了如下挑戰(zhàn)：

（1）干擾大：同頻組網(wǎng)本身帶來(lái)的小區(qū)間干擾問(wèn)題隨著網(wǎng)絡(luò)容量的增加而急劇增加；

（2）體驗(yàn)差：多制式之間互操作頻繁，嚴(yán)重影響用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)；用戶移動(dòng)過(guò)程中，多小區(qū)切換頻繁，不僅連續(xù)性體驗(yàn)差，網(wǎng)絡(luò)信令負(fù)載也成倍增長(zhǎng)；

（3）效率低：頻譜利用效率低，多制式對(duì)應(yīng)的多頻段頻譜一般采用靜態(tài)配置，很難根據(jù)業(yè)務(wù)的特征靈活動(dòng)態(tài)共享頻譜，導(dǎo)致頻譜利用率下降；

（4）運(yùn)維困難：每增加一種制式，運(yùn)維的復(fù)雜度增加超過(guò)一倍；設(shè)備形態(tài)眾多，設(shè)備配置管理和維護(hù)均非常復(fù)雜。

2. 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建需要達(dá)到超高速率、超大吞吐量、超高可靠性、超低延時(shí)等指標(biāo)，以便為用戶提供最佳的體驗(yàn)。

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)的部署應(yīng)該具有以下特性：靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及多種接口來(lái)支持不同面向多種業(yè)務(wù)的接入，在鏈路性能上能夠用多跳的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及實(shí)現(xiàn)基站的Mac層和用戶的直通，同時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)環(huán)境以及業(yè)務(wù)需求自我調(diào)整自我優(yōu)化。

（1）為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)能夠隨時(shí)隨地接入網(wǎng)絡(luò)的要求， 5G網(wǎng)絡(luò)的重要指標(biāo)是能夠靈活擴(kuò)展，因此采用扁平化IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)分布云的的移動(dòng)核心信息傳遞功能，分布式軟件架構(gòu)和邏輯網(wǎng)關(guān)以及網(wǎng)絡(luò)虛擬化等技術(shù)，將垂直的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)成分布式水平網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

（2）未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)將是基于SDN、NFV和云計(jì)算技術(shù)的更加靈活、智能、高效和開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包含3個(gè)功能平面：控制云、接入云和轉(zhuǎn)發(fā)云（5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見(jiàn)圖1）。

2.2 控制云。

（1）控制云作為5G的控制核心，由多個(gè)運(yùn)行在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)控制功能模塊組成，主要包括無(wú)線資源管理模塊、移動(dòng)性管理模塊、策略管理模塊、信息中心模塊、網(wǎng)絡(luò)資源編排模塊等。

（2）相比于傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)控制云將分散的網(wǎng)絡(luò)控制功能進(jìn)一步集中和重構(gòu)、功能模塊軟件化、網(wǎng)元虛擬化，并對(duì)外提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放接口。同時(shí)，控制云通過(guò)API接收來(lái)自接入云和轉(zhuǎn)發(fā)云上報(bào)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，完成接入云和轉(zhuǎn)發(fā)云的集中優(yōu)化控制。

（3）控制云基于可重構(gòu)的集中的網(wǎng)絡(luò)控制功能，提供按需的接入、移動(dòng)性和會(huì)話管理，支持精細(xì)化資源管控和全面開(kāi)放能力。

2.3 接入云。

5G網(wǎng)絡(luò)接入云包含多種部署場(chǎng)景，主要包括宏基站覆蓋、微基站超密集覆蓋、宏微聯(lián)合覆蓋等。

（1）在宏微聯(lián)合覆蓋場(chǎng)景下，通過(guò)覆蓋與容量的分離（微基站負(fù)責(zé)容量、宏基站負(fù)責(zé)覆蓋及微基站間資源協(xié)同管理），根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需求以及分布特性靈活部署微基站。同時(shí)，由宏基站充當(dāng)微基站間的接入集中控制模塊，對(duì)微基站間干擾協(xié)調(diào)、資源協(xié)同管理起到了一定幫助。對(duì)于微基站超密集覆蓋的場(chǎng)景，微基站間的干擾協(xié)調(diào)、資源協(xié)同、緩存等需要進(jìn)行分簇化集中控制。此時(shí)，接入集中控制模塊可以由所分簇中某一微基站負(fù)責(zé)或者單獨(dú)部署在數(shù)據(jù)處理中心。類似地，對(duì)于傳統(tǒng)的宏覆蓋場(chǎng)景，宏基站間的集中控制模塊可以采用與微基站超密集覆蓋同樣的方式進(jìn)行部署。

（2）未來(lái)5G接入網(wǎng)基于分簇化集中控制的主要功能體現(xiàn)在集中式的資源協(xié)同管理、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化以及以用戶為中心的虛擬小區(qū)等方面。

接入云引入多站點(diǎn)協(xié)作、多連接機(jī)制和多制式融合技術(shù)，構(gòu)建更靈活的接入網(wǎng)拓?fù)洹?/p>

2.4 轉(zhuǎn)發(fā)云。

（1）5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)云實(shí)現(xiàn)了核心網(wǎng)控制面與數(shù)據(jù)面的徹底分離，更專注于聚焦數(shù)據(jù)流的高速轉(zhuǎn)發(fā)與處理。同時(shí)，運(yùn)營(yíng)商防火墻等網(wǎng)元在轉(zhuǎn)發(fā)云中的部署，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的鏈狀部署改善為與轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元一同網(wǎng)狀部署。此時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)云根據(jù)控制云的集中控制，使5G網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求，軟件定義每個(gè)業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)路徑，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元與業(yè)務(wù)使能網(wǎng)元的靈活選擇。除此之外，轉(zhuǎn)發(fā)云可以根據(jù)控制云下發(fā)的緩存策略實(shí)現(xiàn)受歡迎內(nèi)容的緩存，降低核心網(wǎng)數(shù)據(jù)量。

（2）為了提升轉(zhuǎn)發(fā)云的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)效率等，轉(zhuǎn)發(fā)云需要周期或非周期地將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息通過(guò)API上報(bào)給控制云進(jìn)行集中優(yōu)化控制。考慮到控制云與轉(zhuǎn)發(fā)云之間的傳播時(shí)延，某些對(duì)時(shí)延要求特別嚴(yán)格的事件需要轉(zhuǎn)發(fā)云進(jìn)行本地處理。

（3）轉(zhuǎn)發(fā)云具備分布式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和處理功能，提供更動(dòng)態(tài)的錨點(diǎn)設(shè)置，以及更豐富的業(yè)務(wù)鏈處理能力。

（4）基于“三朵云”的新型5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的發(fā)展方向，但實(shí)際網(wǎng)絡(luò)發(fā)展在滿足未來(lái)新業(yè)務(wù)和新場(chǎng)景需求的同時(shí)，也要充分考慮現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)途徑。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展會(huì)存在局部變化到全網(wǎng)變革的中間階段，通信技術(shù)與IT技術(shù)的融合會(huì)從核心網(wǎng)向無(wú)線接入網(wǎng)逐步延伸，最終形成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的整體演變。

3. 結(jié)束語(yǔ)

（1）5G移動(dòng)寬帶系統(tǒng)將成為面向2020年以后人類信息社會(huì)需求的無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)。

（2）5G不僅是更高速率、更大帶寬、更強(qiáng)能力的空中接口技術(shù)，還是面向業(yè)務(wù)應(yīng)用和用戶體驗(yàn)的智能網(wǎng)絡(luò)。它是一個(gè)多業(yè)務(wù)多技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)技術(shù)的演進(jìn)和創(chuàng)新，滿足未來(lái)包含廣泛數(shù)據(jù)和連接的各種業(yè)務(wù)的快速發(fā)展需要，提升用戶體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊峰義，張建敏，謝偉良，王敏，王海寧.5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析.電信科學(xué).2015年.

[文章編號(hào)]1619-2737（2017）07-20-650