5g網絡架構解析

　　1、5G網絡概要級框架

　　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。

　　表1 5G愿景、現網挑戰與架構演進方向映射

　?。?）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“終端一基站”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，這意味需要引人更高效的切換機制；

　　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。

　　（2）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。

　　2）5G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）。

　　圖1 5G網絡概要級系統框架

　　網絡功能在平面內聚合程度更高，平面間解藕更充分。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。

　?。?）控制平面

　　為5G新空口和傳統空口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。

　?。?）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。

　　3）5G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。

　　2、5G網絡架構技術方向

　　1）5G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。

　　圖2 異構站間組網關鍵技術

　　（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BBURRU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。

　?。?）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，提供接人能力的延伸。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。

　　2）5G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。

　　圖3 核心網功能重構

　　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）5G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?？刂乒δ苤貥嫷年P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藕，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人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。

　　3、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人并解析模板，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 網絡切片的創建過程

　　針對網絡切片的研究主要在3GPP和ETSI NFV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。

　　4、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SG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 3G4G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。

　　表2 3GPP R14 5G網絡架構關鍵功能和使能技術

　　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“extGen”立項書，明確了sG架構的基本功能愿景，包括

　　（1）有能力處理移動流量、設備數快速增長；

　　（2）允許核心網和接人網各自演進；

　?。?）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。

　　5g網絡架構標準化更進一步

　　8月底，在波蘭召開的3GPP CT3/4小組聯合會上，經過產業界眾多公司的聯合討論，3GPP確定采納TCP、HTTP/2、JSON、Restful、OpenAPI 3.0的組合為基礎，對5G核心網協議進行標準化。

　　這是繼今年5月中國移動牽頭在3GPP確定SBA（Service-based Architecture）作為5G網絡基礎架構后，5G標準化的又一個非常關鍵的里程碑，標志著5G網絡架構標準化進一步走向落地。這為3GPP按計劃于2018年6月完成5G核心網一階段標準打下了重要基礎。

　　移動通信系統每一代架構的革新都有與之適應和配套的協議演進和革新。從2/3G到4G再到5G，一步步都在向著更加IT化、開放化的方向發展。5G協議的選擇使得“互聯網化”和“云化”的基因深深融入新一代移動通信系統中。正如3GPP規范中所說，新一代協議的設計將給5G網絡帶來諸多優點“采用Cloud-native及互聯網技術、面向未來、實現快速部署、連續的集成和發布新的網絡功能和服務、便于運營商自有或第三方業務開發?！?/p>

　　undefined核心網控制面協議逐代演進

　　5G SBA接口的標準涉及多個層次和方面的協議選擇，即傳輸層、應用層、序列化方法、接口描述語言（IDL）、API設計方式。每個協議都有眾多備選進入大家的視野。經過近兩個月的分析、討論、仿真、比較、篩選，3GPP最終確定采納TCP、HTTP/2、JSON、OpenAPI 3.0、Restful的組合為基礎，對5G核心網協議進行標準化。

　　undefined5G核心網協議選擇

　　高性能、靈活是移動通信系統設計的不懈追求。在本次協議選擇塵埃落定的同時，3GPP也指出后續版本（Release 16）的協議將進一步考慮HTTP/2 承載于QUIC/UDP和采用二進制編碼方法（如CBOR）作為協議進一步演進優化的可能性。

　　在本次協議選型中，中國移動作為報告人聯合國內外產業界伙伴進行了深入的分析和評估。引入新一代協議的共識反映了產業界對實現5G網絡開放化、服務化的期望。中國移動研究院網絡所黃振寧也在本次會上當選3GPP CT3副主席，將在后續5G協議進一步標準化中力求實現技術的復雜度及靈活性的平衡，繼續為產業界積極貢獻力量。

　　看完嚇一跳，趕緊回憶一下LTE協議和接口…

　　LTE網絡參考模型

　　LTE接口和協議

　　LTE用戶面協議棧

　　LTE控制面協議棧

　　5g網絡架構將全面革新

　　在8月17日由TD產業聯盟舉辦的“面向5G的LTE網絡創新研討會”上，來自工信部、三大運營商、設備廠商和產業鏈的伙伴共同探討了4G LTE網絡向5G網絡演進的諸多話題。

　　1、工信部：支持5G和LTE薄弱環節的研發

　　工業和信息化部信息通信發展司副司長陳家春表示，國家高度重視信息對經濟發展的重要作用，也為信息通信行業的發展提出了更新和更高的要求。近10年間，我國實現了4G的跨越，建成了全球規模最大的4G網絡，全球TD-LTE用戶超過11.43億。

　　5G作為新一代信息通信發展的主要方向，深刻地影響著各行各業。與4G相比，5G具有高速率等新特性，在用戶體驗方面需滿足消費者對虛擬現實及超高清網絡的需求，進一步提升用戶的網絡體驗，能夠滿足各行業的應用需求，支撐社會創新發展。

　　為抓住5G發展的機遇，我國已于2016年1月率先啟動了5G技術的研發實驗。2016年9月，第一階段測試已順利完成，在支持5G研發的同時，還要繼續大力支持LTE的發展，繼續支持LTE增強性芯片和儀表等薄弱環節的研發。

　　2、信通院魏克軍：二階段結果滿足ITU指標

　　在5G測試方面，我國已取得階段性成果。中國信息通信研究院高級工程師魏克軍做了以下總結。我國按計劃有序組織5G技術研發試驗，5G關鍵技術和技術方案性能得到初步驗證，當前的測試結果可全面滿足ITU確定的5G性能指標需求。我國以5G技術研發試驗為平臺，支持5G技術研發、標準化和產業發展，推動5G完整產業鏈的形成，為2020年5G商用目標順利實現奠定基礎。

　　同時，魏克軍總結了中國5G第二階段測試進展情況。華為、中興基本完成了第二階段的測試任務，愛立信、諾基亞已啟動測試，大唐、三星后續將按計劃啟動測試工作。測試場景涵蓋連續廣域覆蓋、熱點高容量（低頻和高頻）、低時延高可靠和低功耗大連接場景，測試驗證了不同系統廠商技術方案的可行性。是德、羅德、大唐聯儀、展訊、MTK等芯片和儀表廠商也參與了測試，實現了儀表與系統設備的物理層互通，推動了5G產業鏈的構建。

　　3、中國電信韋樂平：5G核心網要做“減法”

　　在網絡創新方面，中國電信集團公司科技委主任韋樂平表示，5G的使能技術包括SDN、NFV、Clouds、MEC、網絡切片、大數據和機器學習六大核心。這其中，SDN/NFV是5G網絡創新的關鍵，因為其能滿足5G對網絡的期望，即5G網絡要提供差異化新業務、足夠的包容性/靈活性、水平集成的云化網絡架構。

　　談及4G承載網絡如何向5G承載網絡演進，韋樂平表示可分3步。第一步，網絡功能軟件化、虛擬化乃至云化，硬件也需要標準化；控制面和用戶面分離（CU分離）。第二步，網絡功能模塊化，可靈活調用；網絡功能架構重構，適應5G業務的需要。第三步，業務功能微業務化，凸顯其原子化、組件化、敏捷化和輕量化特征，進入虛擬化的高級階段；應用也應該容器化，架構簡單，性能接近裸機，同時擴展性和遷移性好、部署快、效率高；網絡切片化和MEC化，以適應不同的業務和應用。

　　談及未來5G核心網架構，韋樂平分享了自己的觀點。他表示，5G核心網架構應該簡化，因為從2G到4G的時候做的是“加法”，網元、接口和信令等不斷繁衍，這就造成新特性/功能/應用等引入很慢。當部署5G網絡的時候，應該做“減法”，核心網可能僅考慮NR與4G間的互操作，運營商可以通過CU分離和控制面融合達架構進一步簡化。

　　對于當前熱門的5G承載網話題，韋樂平表示，為滿足5G時代的低時延、高帶寬和靈活多樣業務的需求，5G承載網需要向分布式、虛擬化、云化、可編程的方向演進。他認為，構筑單一的5G統傳網（xHaul）是關鍵，運營商可以將回傳和前傳結合在一起形成統一的承載傳送網。因為統傳網有利于簡化規劃、設計、運維，提供定時功能，也易于通過IPv6分段路由提升網絡擴展性和靈活性，協助運營商實現分布式智能和集中編程間的最佳平衡。在韋樂平看來，WDM-PON和IP+Optics是兩種可滿足前傳帶寬和延時要求的候選方案，與現有網絡狀況有關。

　　4、中國移動黃宇紅：三步走加快5G商用

　　中國移動一直是中國5G發展的領頭羊，中國移動對4G向5G演進的規劃備受產業關注。中國移動通信集團公司研究院副院長黃宇紅表示，4G標準成熟后幾年后才開始商用，而按照2020年規模商用的目標，5G要在標準完成一兩年后就開始大規模商用，時間緊、任務重、挑戰大。因此，中國移動計劃以終為始，加快5G商用的試驗準備。

　　在具體計劃方面，中國移動將在2017年中到2018年中開展5G技術試驗，包括無線基本性能驗證、標準方案驗證及參數選擇、面向規劃技術驗證以及面向組網技術驗證。

　　在2018年中到2019年中，中國移動將開展5G規模試驗，包括無線基本型技術驗證，端到端互通，面向建設、組網、新技術的試驗，以及發展終端樣機。

　　在2019年中到2020年中，中國移動將開展5G網絡預商用和商用，包括形成面向運營商的技術體系，面向友好用戶的業務體驗測試，開展規劃、組網和建設工作。

　　黃宇紅還表示，中國移動將通過部署3D-MIMO、TDD/FDD融合組網，進一步提升4G網絡性能，滿足多場景需求。在物聯網方面，中國移動立足“云-管-端”，打造最強移動物聯網生態。

　　5、中國電信孫震強：網絡切片是重要抓手

　　中國電信股份有限公司北京研究院副總工程師孫震強表示，5G是面向產業的網絡，垂直行業應用將成為5G產業發展的新方向，網絡切片是解決垂直行業個性化需求的重要抓手。

　　網絡切片可以實現在同一套硬件資源上利用虛擬化技術，根據用戶的需求定制劃分不同的網絡資源，形成多個虛擬專網，從而集約高效地使用基礎網絡資源，還可以減少基礎設施的重復投資，切片間業務還可實現完全隔離，還可提升端到端的用戶體驗。

　　5G網絡切片可以按照關鍵場景進行劃分。中國電信目前在做智能電網、智能城市的應用，這些企業可以采用無線技術和統一的網管，使用中國電信的網絡來滿足不同行業的需求。

　　6、中國聯通唐雄燕：LTE向5G平滑演進

　　在網絡架構的挑戰方面，中國聯通網絡技術研究院首席專家唐雄燕表示，5G總體系統架構和無線接入架構都將發生革命性變化。OTT的主導作用更強，業務模式前所未有。另外5G網絡云化、虛擬化、切片化趨勢更加明顯，所以5G網絡架構的創新面臨巨大挑戰。目前運營商希望以LTE為起點，實現5G平滑演進。

　　中國聯通目前在多方面發力，全面向5G進發。在語音業務方面，中國聯通已經成功開通千兆級LTE網絡，運用了3CA、4MIMO、256QAM等技術，最高傳輸速率達1.2~1.6Gbit/s。

　　在5G日程表方面，聯通今年正在開展技術驗證，2018年將開展大規模測試，2019年預商用，爭取2020年正式商用。

　　7、華為徐學兵：4.5G持續演進，三個不等待

　　華為很早就提出了4.5G概念，在4G向5G演進方面助力全球諸多運營商積極開展實踐。華為技術有限公司LTE產品線副總裁徐學兵表示，業界應以創新引領5G，加速4.5G演進，做大移動物聯。

　　“5G不一定要等到2020年發號槍響才行動，在5G‘冰山’下有大量工作需要做。”對于4.5G演進，徐學兵說，華為提出5G商用的“三個不等待”。

　　首先，網絡不等待。在頻譜方面，5G競爭力始于4G，Sub-3GHz頻段持續演進，構建5G體驗基礎網。在架構方面，一方面5G NSA要以4G為錨點建設5G，4G和5G一張網，5G的建設始于4G。另一方面運營商建設5G SA，使用上下行解耦可提升高頻覆蓋，存量低頻覆蓋任然是關鍵。

　　在站點和技術方面，基于存量4G，運營商打造面向5G的網絡，如天面提前改造，可快人一步構建5G競爭力。4T4R是全球公認建網基準，是5G起步配置。Massive MIMO商用啟航，滿足話務熱點的容量和體驗需求。此外，運營商進行室內數字化改造，可提升4G室內體驗，預埋5G演進能力。

　　其次，業務不等待。NB-IoT加速物聯網發展，助力垂直行業數字化轉型。通過在“端-管-云”發力，華為NB-IoT解決方案可成熟商用，助力中國物聯業務探索。

　　最后，產業不等待?；?G演進培育移動物聯網生態，促進產業蓬勃發展，更多新物聯網正在成長，揭開萬物互聯新紀元。華為正通過X Labs引領產業合作，探索新領域。