5G網絡架構分析

岳勝

摘 要：5G可以分三種應用場景：增強移動寬帶（eMBB）、低時延高可靠網絡（URLLC）、海量大連接（mMTC）。各場景在移動性、計費、安全、策略控制、延時、可靠性等方面有各不相同的要求，使得原有4G網絡架構已經不能滿足5G網絡需求，5G網絡架構采用革命性的網絡架構。文章對5G網絡架構進行了詳細分析，為后期5G網絡搭建提供一定基礎。

關鍵詞：網絡架構；網絡切片；霧計算；SDN/NFV

中圖分類號：TN916 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）31-0054-02

1 5G需求對網絡架構挑戰

5G技術相較于4G技術具有更高的性能指標，涵蓋從低速到高速（0.1～1Gbps）用戶體驗速率、高密度連接數（100萬/km2）、移動性（500km/小時）、毫秒級數據時延及最高峰值速率達10Gbps。其中，用戶體驗速率、連接數密度和時延為5G最基本的三個性能指標。

在4G及其以前移動網絡，網絡主要服務于移動手機終端。在5G時代，移動網絡需要服務于各種類型和需求的終端設備。5G可以分三種應用場景：增強移動寬帶（eMBB）、低時延高可靠網絡（URLLC）、海量大連接（mMTC）。他們都需要不同類型的網絡，在移動性、安全性、用戶策略控制、延時、可靠性等方面有各不相同的要求，這樣使得5G網絡架構相較于4G網絡更復雜。

2 5G網絡架構及單元介紹

2.1 5G網絡架構介紹

在5G網絡架構設計中，總體思路是接入網設備集中化、協作化，大規模部署C-RAN，在控制面信令處理方面可以極大減少信令交互時延，滿足未來移動通信對低時延高可靠性業務的需求。在業務層面，C-RAN結構可以實現網絡中的負荷分擔，緩解部分場景中存在的話務潮汐分布對網絡資源的消耗實現網絡資源的最大化利用，從而節省網絡建設投資。

2016年11月中國移動研究院聯合國內外部分設備上和芯片廠商發布了“邁向5G C-RAN：需求、架構與挑戰”白皮書。其中寫到，“面向5G，基于集中/分布單元CU/DU（Centralized Unit/Distributed Unit）的兩級架構也已經被業界所認可，這一網絡架構與無線云化的結合，構成了5G C-RAN的兩個基本要素”。下圖1所示為5G網絡架構圖。

相較于4G網絡架構接入網的基礎處理單元BBU被重構為CU（Centralized Unit，集中式單元）和DU（Distributed Unit，分布式單元）兩個功能實體。

2.2 CU/DU

CU設備主要處理無線高層協議棧，如RRC層，PDCP層等，甚至也能夠支持部分核心網功能下沉至接入網即霧計算，滿足未來通信網絡對于新興業務如視頻會議、虛擬/增強現實、網購等對于時延敏感業務，也正是由于通信網元，結構的變化，導致協議棧都會進行相應的調整變化，因此對于下一代網絡的命名，5G NR（New Radio）也形象的說明了將來5G網絡自身多方面顛覆性的變化。

DU設備主要處理物理層功能和實時性需求較高的層2功能，考慮到RRU與DU的傳輸資源，部分DU的物理層功能可以上移到RRU，伴隨RRU的小型化，甚至更激進的DU可以與RRU進行合并。

在網絡連接中CU可以提供用戶面和控制面接口，一個CU可以連接多個DU，而每個DU只能連接到一個CU。

2.3 網絡切片技術

網絡切片是一種最新的網絡部署技術，本質上就是根據各種業務的特性（如移動性、安全性、時延和可靠性等）將運營商的物理網絡劃分為多個虛擬網絡，以靈活地應對不同的無線網絡應用場景。同時各虛擬網絡之間是邏輯獨立互不影響。

網絡切片不是一個單獨的技術，它是基于云計算、NFV、SDN、分布式云架構等幾大技術群而實現的，通過上層統一的編排讓網絡具備管理與協同的能力。

相較于4G及以前移動網絡僅支持單一或較少應用場景，5G網絡可以同時支持不同應用場景，如高速數據業務、VR/AR、大規模物聯網等，不同業務場景對網絡的移動性、安全性、時延、可靠性，甚至是計費方式的要求是不一樣的，如果采用以前網絡架構，需要建設不同的物理網絡才能實現不同的業務，如果采用網絡切片技術，僅需將物理網絡按照各種業務特性分割成相應虛擬網絡，即可滿足應用場景需求，極大降低網絡建設復雜度，減少網絡建設投資。

3 關鍵技術

3.1 SDN/NFV

SDN（軟件定義網絡，Software Defined Network），最核心的思路是將控制面和數據面相分離，實現網絡智能化。相較于原有網絡中的專有芯片、專有架構及專有設備，網絡中使用的設備多為商用化、通用化的路由器和交換機，并能實現控制面的編程。如圖2所示，邊緣云與核心云中相應網元通過SDN網絡進行連接。

NFV（網絡功能虛擬化，Network Function Virtualization），最核心的思路是將網絡設備功能（比如核心網中的MME， S/P-GW和PCRF， DU等）從網絡硬件中解耦，通過軟件在通用商用服務器實現電信網絡硬件設備功能并實現數據面可編程。

SDN和NFV技術使得原有電信網絡架構出現革命性變化，各種專業網元設備由原來的專用設備向通用化、商用化轉變，極大地降低了網絡建設復雜程度，網絡的靈活性得到極大加強。

3.2 霧計算

霧計算概念是由思科提出，是云計算的延伸概念。相較于云計算，霧計算處于網絡邊緣，使用的設備多為路由器、基站等設備，這些設備數量較多但資源配置較低且處理能力較小，更接近于網絡用戶，在網絡延時上具有較大的優勢。

云計算強調一切皆為服務，IaaS，PaaS，SaaS，采用虛擬化技術將物理基礎設施平臺變為服務，以按需收費的方式提供給用戶。霧計算更多的是在網絡層面進行了強調，將網絡服務質量的保證問題容納到了其中。

霧計算的優點：

（1）實時性：霧計算設備布放于網絡邊緣更接近于用戶使得網絡處理時延更小，能夠滿足5G業務中實時性業務需求。

（2）網絡可擴展性：霧計算設備數量相較于數據中心，設備數量具有加大優勢且較容易新增網絡設備，具有較好的網絡可擴展性。

（3）節省核心網絡帶寬：霧作為云和終端的中間層通過對數據初步的處理和聚合，只把有價值的數據傳向云服務器做存儲或進一步的分析，極大減少了至上層核心網絡的數據流量，減輕核心網絡的負荷。

（4）高可靠性：為了服務不同區域的用戶，相同的服務會被部署在各個區域的霧節點上。這也使得高可靠性成為霧計算的內在屬性，一旦某一區域的服務異常，用戶請求可以快速轉向其他臨近區域。

（5）用戶信息及需求了解：通過霧計算中的服務可以了解到區域內用戶信息及需求，從而調整網絡設備布置及策略，網絡更具智能化。

4 結束語

5G網絡架構采用革命性架構設計，接入層通過引入CU/DU功能實體大規模降低網絡處理時延，從而滿足低時延高可靠業務、高速數據業務需求；核心網通過網絡切片實現各業務場景功能分區，實現各業務場景的功能需求。

參考文獻：

[1]IMT2020（5G）推進組.5G愿景與需求[Z].2014.

[2]中國移動研究院.邁向5G C-RAN：需求、架構與挑戰[Z].2016.

[3]楊劍鋒.5G移動通信技術與發展前景[J].科技創新與應用，2017（28）：47-48.endprint