5G面臨的挑戰與網絡架構

段弘濤

【摘要】自20世紀80年代以來，移動通信每十年出現一個革命性技術，推動著產業革新，為全球經濟社會發展注入源源不斷的動力。移動通信技術已經歷了1G-4G四個時代，正朝著第5代移動通信技術（5G）闊步前進。抓住5G移動通信發展的新機遇，加快培育新技術新產業，驅動傳統領域的數字化、網絡化和智能化升級，成為打造未來國際競爭新優勢的關鍵之舉和戰略之選。文章介紹了5G目前所面臨的場景、無線接入等挑戰，并對其網絡架構進行了描述。

【關鍵詞】5G；高速率；大帶寬；挑戰；SDN；網絡架構

【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，移動互聯網和物聯網業務將成為移動通信發展的主要驅動力。5G將滿足人們在生活、工作等各區域的多樣化業務需求，即使在密集住宅區、大型寫字樓、體育場、地鐵、高鐵等具有超高流量密度、超高連接數密度、超高移動性特征的場景，也可以為用戶提供超高清視頻、虛擬現實、云桌面、在線游戲等極致業務體驗。5G還將滲透到物聯網及工業、醫療、交通等行業，與其深度融合，有效滿足此類垂直行業的多樣化業務需求，實現真正的“萬物互聯”。

1. 5G面臨的挑戰

1.1 場景挑戰。

（1）不同應用場景面臨的性能挑戰有所不同，用戶體驗速率、流量密度、時延、連接數等都會成為不同場景的挑戰性指標。從移動互聯網和物聯網主要應用場景、業務需求及挑戰出發，可歸納出連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠四個5G主要技術場景。

（2）連續廣域覆蓋和熱點高容量場景主要滿足2020年及未來的移動互聯網業務需求；低功耗大連接和低時延高可靠場景主要面向物聯網業務，是5G新拓展的場景，重點解決傳統移動通信無法很好支持地物聯網及垂直行業應用（不同應用場景面臨的挑戰見表1）。

1.2 無線接入挑戰。

1.2.1 網絡比較理想的演進升級方式是新網絡部署后，原有網絡的用戶逐步平滑遷移至新網絡，這樣原有的頻譜資源可重耕于新網絡，降低網絡運營的復雜度（網絡間的互操作，OAM系統管理等），進一步提升頻譜利用率和網絡整體性能。然而在網絡實際部署中，低版本網絡上的部分用戶難以遷移，退網困難，運營商往往需要同時維護多張網絡的運營。隨著5G時代的到來，運營商部署的網絡將成倍增長，例如5G新空口和基于LTE演進的5G網絡，疊加3.5GHz頻段和可能的6GHz以上頻段。此外，各運營商無線設備從傳統宏站、分布式基站到Micro、Small Cell、Pico、relay等，形成了多模、多頻、多形態的復雜網絡。

1.2.2 多模，多頻，多形態的無線網絡帶來了如下挑戰：

（1）干擾大：同頻組網本身帶來的小區間干擾問題隨著網絡容量的增加而急劇增加；

（2）體驗差：多制式之間互操作頻繁，嚴重影響用戶業務體驗；用戶移動過程中，多小區切換頻繁，不僅連續性體驗差，網絡信令負載也成倍增長；

（3）效率低：頻譜利用效率低，多制式對應的多頻段頻譜一般采用靜態配置，很難根據業務的特征靈活動態共享頻譜，導致頻譜利用率下降；

（4）運維困難：每增加一種制式，運維的復雜度增加超過一倍；設備形態眾多，設備配置管理和維護均非常復雜。

2. 5G網絡架構

5G網絡的構建需要達到超高速率、超大吞吐量、超高可靠性、超低延時等指標，以便為用戶提供最佳的體驗。

2.1 5G網絡的部署應該具有以下特性：靈活的網絡架構以及多種接口來支持不同面向多種業務的接入，在鏈路性能上能夠用多跳的方式進行網絡覆蓋以及實現基站的Mac層和用戶的直通，同時整個網絡能夠根據環境以及業務需求自我調整自我優化。

（1）為了滿足5G網絡能夠隨時隨地接入網絡的要求， 5G網絡的重要指標是能夠靈活擴展，因此采用扁平化IP網絡架構，通過分布云的的移動核心信息傳遞功能，分布式軟件架構和邏輯網關以及網絡虛擬化等技術，將垂直的網絡架構演進成分布式水平網絡架構。

（2）未來的5G網絡將是基于SDN、NFV和云計算技術的更加靈活、智能、高效和開放的網絡系統。5G網絡架構包含3個功能平面：控制云、接入云和轉發云（5G網絡架構見圖1）。

2.2 控制云。

（1）控制云作為5G的控制核心，由多個運行在云計算數據中心的網絡控制功能模塊組成，主要包括無線資源管理模塊、移動性管理模塊、策略管理模塊、信息中心模塊、網絡資源編排模塊等。

（2）相比于傳統LTE網絡，5G網絡控制云將分散的網絡控制功能進一步集中和重構、功能模塊軟件化、網元虛擬化，并對外提供統一的網絡能力開放接口。同時，控制云通過API接收來自接入云和轉發云上報的網絡狀態信息，完成接入云和轉發云的集中優化控制。

（3）控制云基于可重構的集中的網絡控制功能，提供按需的接入、移動性和會話管理，支持精細化資源管控和全面開放能力。

2.3 接入云。

5G網絡接入云包含多種部署場景，主要包括宏基站覆蓋、微基站超密集覆蓋、宏微聯合覆蓋等。

（1）在宏微聯合覆蓋場景下，通過覆蓋與容量的分離（微基站負責容量、宏基站負責覆蓋及微基站間資源協同管理），根據業務發展需求以及分布特性靈活部署微基站。同時，由宏基站充當微基站間的接入集中控制模塊，對微基站間干擾協調、資源協同管理起到了一定幫助。對于微基站超密集覆蓋的場景，微基站間的干擾協調、資源協同、緩存等需要進行分簇化集中控制。此時，接入集中控制模塊可以由所分簇中某一微基站負責或者單獨部署在數據處理中心。類似地，對于傳統的宏覆蓋場景，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行部署。

（2）未來5G接入網基于分簇化集中控制的主要功能體現在集中式的資源協同管理、無線網絡虛擬化以及以用戶為中心的虛擬小區等方面。

接入云引入多站點協作、多連接機制和多制式融合技術，構建更靈活的接入網拓撲。

2.4 轉發云。

（1）5G網絡轉發云實現了核心網控制面與數據面的徹底分離，更專注于聚焦數據流的高速轉發與處理。同時，運營商防火墻等網元在轉發云中的部署，將傳統網絡的鏈狀部署改善為與轉發網元一同網狀部署。此時，轉發云根據控制云的集中控制，使5G網絡能夠根據用戶業務需求，軟件定義每個業務流轉發路徑，實現轉發網元與業務使能網元的靈活選擇。除此之外，轉發云可以根據控制云下發的緩存策略實現受歡迎內容的緩存，降低核心網數據量。

（2）為了提升轉發云的數據處理和轉發效率等，轉發云需要周期或非周期地將網絡狀態信息通過API上報給控制云進行集中優化控制。考慮到控制云與轉發云之間的傳播時延，某些對時延要求特別嚴格的事件需要轉發云進行本地處理。

（3）轉發云具備分布式的數據轉發和處理功能，提供更動態的錨點設置，以及更豐富的業務鏈處理能力。

（4）基于“三朵云”的新型5G網絡架構是移動網絡未來的發展方向，但實際網絡發展在滿足未來新業務和新場景需求的同時，也要充分考慮現有移動網絡的演進途徑。5G網絡架構的發展會存在局部變化到全網變革的中間階段，通信技術與IT技術的融合會從核心網向無線接入網逐步延伸，最終形成網絡架構的整體演變。

3. 結束語

（1）5G移動寬帶系統將成為面向2020年以后人類信息社會需求的無線移動通信系統。

（2）5G不僅是更高速率、更大帶寬、更強能力的空中接口技術，還是面向業務應用和用戶體驗的智能網絡。它是一個多業務多技術融合的網絡，通過技術的演進和創新，滿足未來包含廣泛數據和連接的各種業務的快速發展需要，提升用戶體驗。

參考文獻

[1] 楊峰義，張建敏，謝偉良，王敏，王海寧.5G蜂窩網絡架構分析.電信科學.2015年.

[文章編號]1619-2737（2017）07-20-650