5G网络架构的探讨

阳旭艳 李海涛

摘 要：根据NGMN 5G白皮书对5G愿景的描述，文章从5G的设计原则、5G的组件、5G网络切片等方面分析了5G网络架构中涉及的关键问题。其中，对5G系统架构及网络组件进行了重点阐述，希望对今后5G网络的设计和部署起到引导作用。

关键词：5G网络架构；5G设计原则；5G无线接入技术；网络切片；NGMN

5G是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统。5G将满足人们超高流量密度，超高连接数密度，超高移动性的需求，能够为用户提供高清视频、虚拟现实、增强现实、云桌面、在线游戏等极致业务体验。5G将与其他无线移动通信技术密切结合，构成新一代无所不在的移动信息网络，满足未来10年移动互联网流量增加1000倍的发展需求。然而，并不是所有的应用都需要相同的网络性能，因此5G将放弃完全统一的网络设计，使用嵌入式的和可扩展式的设计方案，通过多种商业模式和合作模式为用户提供更加广泛的应用。利用虚拟化的可编程网络，运营商可以为网络设计模块化的功能，从而实现网络的按需部署。5G网络是一种多形态网络，它由新的增强型无线接入技术、可灵活部署的网络功能以及端到端的网络编排等功能来共同驱动。

1 网络挑战与技术发展趋势

移动通信产业生态的变化使未来移动通信不再仅仅追求更高速率、更大带宽、更强能力的空中接口技术，而是以用户为中心的智能弹性网络。未来，人们之间的通信速率可以在任何时间、任何地点达到1Gbit/s，峰值速率甚至能到达50 Gbit/s（下行）。此外，用户还能获得更高的移动数据容量（1000 倍）、更长的电池使用寿命、更低的功耗的设备（10倍以上）、更多的终端连接设备（100倍）、更低的时延（小于1ms）以及在500 km/h 高速行驶的火车上体验类似于静止的通信体验。5G 网络将是一个完整的无线通信系统，没有任何限制，因此，也有人将5G 网络称为真正的无线世界或者世界级无线网。

在未来的时间里，4G网络可使用以下技术持续演进以弥补和5G网络之间的差距。

频谱访问——灵活的使用授权频谱，整合未授权频谱，同时利用更高频段和双工模式。

无线链路——先进的多址接入技术，无线帧的设计，大规模MIMO，增强型的多天线技术，先进的接收机，干扰协调技术，小分组包传输技术以及以UE为中心的网络。

无线访问能力——密集的双向连通性，增强型多无线接入技术的协调，设备与设备之间的通信，无线回程（如：自回程和中继技术）。

网络灵活性——软件定义网络，虚拟化的移动核心网，虚拟化的RAN，网络节点功能的灵活分离，微服务器。

高效的/自适应的网络资源利用方式——业务优化，增强性型多运营商网络共享，可扩展的服务架构，大数据，上下文感知/以用户为中心的网络，内容优化和自适应流媒体传输，智能化的多种管理，网络性能的嵌入式测量。

其他——全光传送网络，以信息为中心的网络，网状网，增强的前传功能，隐私和安全性。

2 5G的设计原则

考虑到以上技术和发展趋势，5G系统应该根据以下原则进行设计：（1）频谱优势。利用更高的频段和未授权频段，整合剩余的低频段。由于不同频谱的特性不同，需使用多频谱优化，同时也引出了分离的概念。例如，控制平面和用户平面的路径分离和上下行链路的分离。这都意味着系统需要支持同时将用户连接至多个接入点。（2）经济的密集化部署。为了实现密集化部署，需引入一些新的部署模式，如：第三方/用户部署以及多运营商/共享部署等部署方式。系统可以处理无计划的部署、无秩序部署并在这些部署下获得最佳性能。网络可以自优化负荷均衡以及干扰。（3）协调和去干扰。使用MIMO和CoMP技术来改善系统中的SIR，同时提高QoS和整体频谱利用率。引入非正交多路复用技术，利用先进的接收机来减小干扰。（4）支持动态的无线拓扑。设备应通过拓扑结构进行连接，从而最小化耗电量和信令流量，网络不应限制设备的可见性和可达性。如果智能手机断电，可穿戴设备可以直接连接至网络。在某些情况下，可利用D2D通信以减轻网络业务负荷。因此，无线拓扑应根据环境和上下文动态变化。（5）创建公共的可组合核心网。系统设计将抛弃掉之前4G网络完全统一设计的理念。网络中网元的某些功能将被剥离出来，控制面/用户面功能能够通过开放的接口完全分离以支持功能的灵活利用率及可扩展性。（6）灵活的功能。利有相同的基础设施创建网络切片以支持多种用户场景。也就是说，可利用NFV和SDN，实现网络/设备功能和RAT配置的定制化。为了增强网络的鲁棒性，状态信息应从功能和节点中分离出来，这样才能更加容易的重定位并还原上下文。（7）支持新价值的创建。大数据分析和上下文感知是优化网络利用率的基础，同时也能为终端用户提供增值业务。在设计网络时，应注意重要数据的采集、存储和处理。此外，需充分利用网络的多种性能以促进XaaS（一切皆服务）的实现。（8）安全和隐私。安全性是5G网络必须考虑的问题，而且必须成为系统设计的重要部分。特别是用户位置和身份等信息必须受到严格的保护。（9）简化的操作和管理。扩展的网络性能和灵活的功能分配并不意味着需要增加操作和管理的复杂度。繁杂的操作和管理可尽量自动化完成。明确定义的开放性接口可以解决多厂商之间的互操作性和互通问题。此外，网络还将嵌入监控功能而不需要运营商使用专门的监控工具。

3 5G架构

根据以上的设计原则，5G系统整体架构如图1所示。

5G系统由3层组成：（1）基础设施资源层。它是固定与移动融合网络的物理资源，由接入节点、云节点（用于处理或存储资源）、5G设备、网络节点和相关链路组成。通过虚拟化原则，这些资源对于5G系统的更高层次和网络编排实体而言是可见的。（2）业务实现层。在融合网络中所有的功能应以模块化的形式进行构建并录入资源库中。由软件模块实现的功能以及网络特定部分的配置参数可从资源库下载至所需的位置。这些功能将根据要求，通过相关的API由网络编排实体进行调用。（3）业务应用层。该层部署了利用5G网络实现的具体应用和业务。

这3层通过网络编排实体相互关联，因此，在架构中起到至关重要的作用。网络编排实体能够管理虚拟化的端到端网络以及传统的OSS和SON。该实体作为接入点可将用户实例和业务模式转化成实际的业务和网络切片，并为给定的应用场景定义相应的网络切片，关联相关的模块化网络功能，分配性能配置参数并将其映射至基础设施资源层。与此同时，网络编排实体还能管理这些功能的扩展和地理分布。在确定的商业模式中，第三方（如：MVNO、垂直行业）还能利用该实体的某些性能，通过API和XaaS创建和管理自己的网络切片。

3.1 网络切片

网络切片，也叫做“5G切片”，支持具体的通信业务，能通过具体的方法来操作业务的控制平面和用户平面。通常，5G切片由大量的5G网络功能和具体的RAT集组成。网络功能和RAT集如何组合由具体的使用场景或商业模式而定。因此，5G切片可以跨越所有的网络域，它包括运行在云节点上的软件模块，支持功能位置灵活化的传输网络配置，专用的无线配置或是具体的RAT，以及5G设备的配置。但并非所有的切片都包括相同的功能，一些现在看来必不可少的移动网络功能可能不会出现在这些切片中。

5G切片的目的为用户实例提供必要的业务处理功能，而省去其他不必要的功能。切片背后的灵活性是扩展现有业务和创建新业务的关键。允许第三方实体通过适当的API来控制切片的某些方面，以提供定制化业务。图2说明了如何在相同的基础设施上同时运作多个5G切片。

例如，智能手机应用的5G切片可通过设置成熟的分布式功能来实现。对于5G分片所支持的汽车使用场景而言，安全性、可靠性和时延是非常关键的。所有的关键功能可在云边缘节点中实例化，包括对时延要求严格的垂直化应用。为了在云节点中加载垂直化应用，系统必须定义开放的接口。为了支持大量的机械类设备（如传感器），5G切片还将配置一些基本的控制平面功能，而省去移动性功能，针对这类设备的接入还可以适当地配置一些基于竞争的资源。

不考虑网络所支持的切片，5G网络还应该包括相应的功能以确保在任何环境下对网络端到端业务的控制和安全性操作。

3.2 基于应用场景的功能分布

5G系统与之前网络“一刀切”的方式不同，5G网络可以通过将5G网络功能与适当5GRAT相结合的方式，为具体的应用量身定制最佳的网络。图3显示了该系统中可能用到的不同的物理实例。

虽然使用NFV的通用可编程硬件可以实现所有的网络处理功能，但在这种方式下，用户平面功能需使用专用的硬件才可以在降低成本的同时达到一定的性能目标。最近在虚拟化技术方面的研究，控制平面功能的实现则可以不使用专门的硬件。

5G网络的独特之处在于它能够定制网络功能以及这些功能在网络中实现的位置。因此，希望控制和用户平面在逻辑上是分离的，物理上也希望尽可能地分离。这样可以实现独立的扩容和位置的灵活性，使得以设备中心的方式更易实现。在这种以设备为中心的方式下，控制平面可由宏小区处理，用户平面由微小区处理。将某些功能放置在最接近无线接口的位置还能降低时延，还能通过直接在微基站中放置必要的功能实现本地数据分流机制。因此，专用核心网络的概念将过时，5G网络的将功能不再与硬件绑定，而是在最适合的位置灵活的实例化。

如果要在5G网络中完成优化工作，上下文感知功能就必不可少了。网络需要检测业务行为，而不管设备处于什么状态。因此，网络应能灵活地使用最佳的功能并将这些功能置于最佳的位置。例如，高速行驶的火车上使用视频流业务的体验类似于静止用户的体验。上下文感知是端到端管理和网络编排实体不可分割的一部分，还应与跨越整网的测量功能和数据采集功能配合使用。大数据统计分析则是提高控制精确度必不可少的组成部分。

3.3 5G系统组件

上述系统架构和原则引出了5G系统的关键组件及术语，详情如下：

5G RAT簇（5GRF）：作为5G系统的一部分，5G RAT簇由一个或多个标准化的5G RAT组成，共同支持NGMN 5G需求，为用户提供更加完善的网络覆盖。

5G RAT（5GR）：5G RAT是5G RAT簇之间的无线接口。

5G网络功能（5GF）：5G网络功能主要支持5G网络内用户之间的通信。它是一种典型的虚拟化功能，但一些功能仍需5G基础设施通过专门的硬件实现。5GF由具体的RAT功能和与访问无关的功能组成，包含支持固定接入的功能、必选功能和可选功能。必选功能是所有用户实例所需要的公共功能，如鉴权和身份管理等。可选功能并不适用于所有的应用场景，如：移动性，可根据业务类型和应用场景有所不同。

5G基础设施（5GI）：5G基础设施是基于5G网络的硬件和软件，包括传输网络、运算资源、存储单元、RF单元和电缆。5GR和5GF可通过5GI实现。

5G端到端管理和网络编排实体（5GMOE）：5G端到端管理和网络编排实体创建并管理着5G切片。它将用户实例和商业模式翻译成具体的业务和5G切片，确定相关的5GF、5GR和性能配置，并将其映射至5GI。它还管理着5GF的容量、地理分布、OSS和SON。

5G网络（5GN）：5G网络由5GF、5GR、相关5GI（包括中继设备）和支持与5G设备进行通信的5GMOE组成。

5G设备：5G设备是用于连接至5G网络以获得通信业务的所有设备。

5G系统：由5G网络和5G设备组成的通信系统。

5G分片（5GSL）：5G分片由1组5GF以及在5G系统中建立起来的相关设备功能组成，以支持特定的通信业务和用户类型。

4 结论

5G可利用最新的技术扩大现有网络的容量。为了支持大相径庭的用户场景和商业模式，5G系统应能按需组合网络功能和网络性能，因此，应创建基于相同5G基础设施的5G网络分片。在技术日新月益的今天，5G还应充分利用全球化的生态体系、免费的存储碎片和开放的接口以完成技术创新，从而满足2020年及未来的移动互联网和物联网的业务要求。

[参考文献]

[1]月球，王晓周，杨小乐.5G网络新技术及核心网架构探讨[J].现代电信科技，2014（12）：27-31.

Discussion on 5G Network Architecture

Yang Xuyan，Li Haitao

（Sichuan Post and Telecommunication College， Chengdu 610067， China）

Abstract： According to the 5G concrete vision in NGMN 5G whitepaper， this paper describes the key points， such as 5G design principles， 5G components， network slicing， and highlight the 5G architecture and 5G components. Hope that this paper has a reference value for the design and deployment of 5G network in the future.

Key words： 5G network architecture； 5G design principles； 5G radio access technology； network slicing； NGMN