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    扉页

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    内容提要

    前言

    第1章 5G网络发展与业务需求

    1.1 移动通信发展近况和5G国际研究情况

    1.1.1 移动通信发展近况

    1.1.2 5G研究情况

    1.2 5G业务需求、应用场景与性能指标

    1.2.1 5G业务需求

    1.2.2 5G应用场景与性能目标

    1.3 5G网络建设部署及运营维护需求

    1.3.1 5G网络建设部署需求

    1.3.2 5G网络运营维护需求

    1.4 ITU定义的5G

    1.5 3GPP定义的5G

    1.6 5G网络架构特征分析

    1.6.1 更高数据流量和用户体验

    1.6.2 更低时延

    1.6.3 海量终端连接

    1.6.4 更低成本

    1.6.5 更高能效

    1.6.6 5G网络架构特征总结

    第2章 5G网络架构

    2.1 4G网络架构局限性2.2 欧洲METIS 5G架构

    2.2.1 网络功能架构

    2.2.2 拓扑和功能部署架构

    2.2.3 4G和5G架构比较

    2.3 日本5G架构

    2.4 韩国5G架构

    2.4.1 架构综述

    2.4.2 数据面

    2.4.3 控制面

    2.5 北美5G生态系统架构

    2.6 NGMN 5G架构

    2.6.1 5G设计原则

    2.6.2 5G架构

    2.6.3 网络切片

    2.6.4 5G系统组件

    2.7 中国IMT-2020 5G网络架构

    2.7.1 “三朵云”概念架构

    2.7.2 系统参考架构

    2.7.3 部署架构示例

    2.8 总结及展望

    第3章 5G智能无线网络架构

    3.1 典型部署场景

    3.1.1 室内热点场景[2-5]

    3.1.2 密集城区场景

    3.1.3 城区宏覆盖场景

    3.1.4 郊区场景

    3.1.5 荒野场景(广覆盖和最小服务)

    3.1.6 荒野场景(超广覆盖)3.1.7 大规模连接城区覆盖场景

    3.1.8 高速路场景

    3.1.9 车联网场景

    3.2 功能与性能要求

    3.2.1 性能要求

    3.2.2 功能需求

    3.3 无线网络关键技术

    3.3.1 无线控制承载分离

    3.3.2 无线网络虚拟化

    3.3.3 增强C-RAN

    3.3.4 移动边缘计算

    3.3.5 多制式协作与融合

    3.3.6 融合资源协同管理

    3.3.7 灵活移动性

    3.3.8 网络频谱共享

    3.3.9 邻近服务

    3.3.10 无线mesh

    3.4 5G智能无线网络

    3.4.1 5G无线网络设计原则

    3.4.2 5G无线网络逻辑架构

    3.4.3 5G无线网络部署架构

    3.5 典型场景下5G智能无线网络

    3.5.1 热点高容量场景下5G智能无线网络

    3.5.2 低时延高可靠场景下5G智能无线网络

    3.5.3 网络部署设计

    第4章 无线网控制承载分离技术

    4.1 引言

    4.2 技术概念4.3 宏微异构组网场景

    4.3.1 多连接技术

    4.3.2 移动性管理

    4.3.3 连接增强技术

    4.4 微微组网场景

    4.4.1 虚拟分层技术

    4.4.2 虚拟层覆盖扩展技术

    4.4.3 多系统组网下控制与承载分离

    第5章 多制式协作与融合技术

    5.1 概述

    5.2 移动网络与WLAN核心网侧互操作

    5.2.1 技术方案

    5.2.2 相关研究

    5.3 移动网络与WLAN无线网侧互操作

    5.3.1 网络场景

    5.3.2 技术方案

    5.3.3 相关研究

    5.4 移动网络与WLAN无线网侧PDCP层融合

    5.4.1 网络场景

    5.4.2 共站部署技术方案

    5.4.3 不共站部署技术方案

    5.4.4 相关研究

    5.5 基于IPSec隧道的LTEWLAN 无线集成

    5.5.1 网络场景

    5.5.2 技术方案

    5.5.3 相关研究

    5.6 基于MP-TCP的多连接技术

    5.6.1 网络场景5.6.2 技术方案

    5.7 以UE为锚点的多制式协作技术

    5.8 基于情景感知的多制式选择技术

    第6章 5G网络资源管理

    6.1 资源管理研究范畴

    6.1.1 资源管理与垂直功能

    6.1.2 资源管理与水平概念

    6.1.3 小结

    6.2 UDN资源管理

    6.2.1 UDN概述

    6.2.2 干扰识别

    6.2.3 干扰管理

    6.2.4 回传资源管理

    6.2.5 能耗管理

    6.3 D2D无线资源管理

    6.3.1 D2D技术概述

    6.3.2 分簇化集中控制的5G网络D2D通信

    6.3.3 集中控制的5G网络D2D通信无线资源管理研究

    6.4 MMC无线资源管理

    6.4.1 降低碰撞风险的MMC高效接入方式

    6.4.2 MMC类型的D2D连接

    6.4.3 降低信令负荷的MMC接入方式

    6.5 MN无线资源管理

    6.5.1 基于D2D方式V2V通信中的资源分配和功率控制

    6.5.2 基于网络辅助资源分配方式的直接V2V通信

    6.6 Ad Hoc网络

    第7章 移动边缘计算

    7.1 MEC技术概述7.1.1 MEC技术应用场景

    7.1.2 MEC技术标准研究进展

    7.2 MEC服务器平台

    7.2.1 MEC平台部署策略

    7.2.2 MEC平台框架

    7.3 MEC技术基础与挑战

    7.3.1 MEC技术基础

    7.3.2 MEC技术挑战

    7.4 MEC在5G网络中的应用

    7.4.1 增强无线宽带场景

    7.4.2 低时延高可靠场景

    7.4.3 大规模MTC终端连接场景

    7.4.4 MEC技术在5G网络中的其他应用

    7.5 基于MEC技术的本地分流方案介绍

    7.5.1 基于MEC技术的本地分流方案

    7.5.2 LIPASIPTO本地分流方案

    7.5.3 本地分流方案对比

    7.5.4 基于MEC技术本地分流方案的挑战

    7.6 MEC技术概念验证

    7.6.1 概念验证环境

    7.6.2 评估验证步骤及结果分析

    7.7 小结

    第8章 无线网络虚拟化技术

    8.1 网络虚拟化概述

    8.1.1 网络虚拟化概念

    8.1.2 NFV

    8.2 无线网络虚拟化概述

    8.2.1 动机与触发点8.2.2 虚拟化的维度与分类

    8.2.3 无线网络虚拟化的若干层面

    8.3 无线网络平台虚拟化

    8.3.1 x86虚拟化技术

    8.3.2 基于通用处理器平台的虚拟化基站架构

    8.3.3 BBU功能划分与硬件加速方案[7]

    8.4 无线网络资源虚拟化

    8.4.1 5G网络切片

    8.4.2 基站资源切片

    8.4.3 无线资源切片

    8.5 技术挑战

    8.5.1 挑战一：资源隔离

    8.5.2 挑战二：控制信令与接口的标准化

    8.5.3 挑战三：物理和虚拟资源的分配

    8.5.4 挑战四：移动性管理

    8.5.5 挑战五：网络管理

    8.5.6 挑战六：安全性

    第9章 频谱共享技术

    9.1 独占授权式频谱分配

    9.2 动态式频谱分配

    9.2.1 相邻动态频谱分配

    9.2.2 分片动态频谱分配

    9.3 频谱共享

    9.3.1 共存式频谱共享

    9.3.2 覆盖式频谱共享

    9.4 认知无线电系统

    9.4.1 频谱检测

    9.4.2 频谱共享池9.4.3 功率控制

    9.5 授权的频谱共享(LSA)

    9.5.1 LSA

    9.5.2 LSA技术实现方式

    9.6 LTE-ULAA

    9.6.1 LTE-U

    9.6.2 LAA

    9.6.3 LTE-ULAA关键技术

    9.6.4 LTE-ULAA部署场景“十三五”国家重点图书出版规划项目

    5G丛书

    5G无线网络及关键技术

    5G Wireless Network and Key Technologies

    杨峰义 谢伟良 张建敏 等 编著

    人民邮电出版社

    北京图书在版编目(CIP)数据

    5G无线网络及关键技术杨峰义等编著.--北京：人民邮电出版社，2017.2

    (5G丛书)

    ISBN 978-7-115-43649-8

    Ⅰ.①5… Ⅱ.①杨… Ⅲ.①无线电通信—移动网 Ⅳ.①TN929.5

    中国版本图书馆CIP数据核字(2016)第224934号

    ◆编著 杨峰义 谢伟良 张建敏 等

    责任编辑 吴娜达

    执行编辑 李彩珊

    责任印制 彭志环

    ◆人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号

    邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn

    网址 http:www.ptpress.com.cn

    北京艺辉印刷有限公司印刷

    ◆开本：800×1000 116

    印张：24.5 2017年2月第1版

    字数：459千字 2017年2月北京第1次印刷

    定价：98.00元

    读者服务热线：(010)81055488 印装质量热线：(010)81055316

    反盗版热线：(010)81055315内容提要

    本书全面讨论了5G移动通信无线网络架构和相关关键技术，内容

    涵盖5G网络发展与业务需求、5G网络架构、5G智能无线网络架构、无

    线网控制承载分离技术、多制式协作与融合技术、5G网络资源管理、移动边缘计算、无线网络虚拟化技术、频谱共享技术等不同层面。

    本书可供具有一定移动通信技术基础的专业技术人员或管理人员阅

    读，也可作为通信院校相关专业师生的参考读物。前言

    2012年9月，欧盟在第七框架计划(FP7)下启动了面向第五代移动

    通信技术(以下简称 5G)研究的 5GNOW(5th Generation Non-

    Orthogonal Waveforms for Asynchronous Signalling)研究课题，拉开了

    全球5G研究的序幕。同年11月，同样在FP7，欧盟正式启动了名为

    METIS(Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-

    Twenty Information Society)的5G研究项目，并在2014年1月推出了5G

    PPP(5G Public-Private Partnership)计划，旨在推动5G技术研究，促进

    5G在2020前后投入商用。

    2013年2月，由科学技术部、工业和信息化部、国家发展和改革委

    员会三部委联合组织成立了中国IMT-2020(5G)推进组，旨在打造聚

    合中国产学研用力量、推动中国5G技术研究和开展国际交流与合作的

    主要平台。与此同时，国家高技术研究发展计划(“863”计划)也于

    2013年6月启动了“5G关键技术研究”重大项目，前瞻性地部署5G需求、技术、标准、频谱、知识产权等研究，建立5G国际合作推进平台。

    2013年6月，韩国政府成立了5G技术论坛(5G Forum)，提出了韩

    国5G国家战略和中长期发展计划，推动5G关键技术研究，计划在2018

    年平昌冬奥会上示范5G应用，2020年正式商用。

    2013年10月，日本无线工业及商贸联合会(Association of Radio

    Industries and Businesses， ARIB)正式成立5G 研究组“2020 and Beyond

    Ad Hoc”，旨在对 5G 服务、系统构成以及无线接入技术等进行研究，计划2020年东京奥运会前实现商用。5G经过近几年全球业界的共同努力，目前已形成一致的5G目标。

    在2015年6月召开的ITU-R WP5D第22次会议上，ITU完成了5G发展

    史上的一个重要里程碑，ITU正式命名5G为IMT-2020，并确定了5G的

    愿景和时间表等关键内容。

    ITU确定5G的主要应用场景为增强移动宽带、高可靠低时延通信、大规模机器类通信。

    增强移动宽带：移动宽带强调的是以人为中心接入多媒体内容、业

    务和数据的应用场景。增强移动宽带应用场景将在现有移动宽带的基础

    上带来新的应用领域，同时也会进一步改进性能，提高无隙的用户体

    验。该应用场景主要包括广域覆盖和热点。对热点地区，需要有高用户

    密度、高业务容量，用户的移动速度较低，但是用户的数据速率高于广

    域覆盖。对广域覆盖，期望无隙覆盖和中到高的移动性，同时与现有数

    据速率相比，期望明显提高用户数据速率，但是数据速率的需要与热点

    地区相比可以适度放松。

    高可靠低时延通信：该场景对吞吐率、时延、可用性等能力有严格

    的要求。典型例子包括通过无线系统控制工业制造或生产过程、远程医

    疗、智能电网的自动配电、传输安全等。

    大规模机器类通信：该应用场景的特征是大量的连接终端，每个终

    端发送小量的时延不敏感数据。终端需要低成本、超长的电池寿命。

    同时，我们期待着今天没有预见到的其他应用场景的出现。因此，对未来的IMT系统，需要足够的灵活性以适配指标宽泛的新应用。

    取决于应用环境和不同国家的不同需要，未来的IMT系统将具有很

    多不同的特征。未来IMT系统应该设计为高度模块化的形态，并非所有

    特征都需要同时体现在所有网络中。

    5G的主要能力指标见下表。

    5G标准化的主要时间点是2017年底，主要是为征集候选技术做准备，制定技术评估方法；到2020年，完成征集候选技术、技术评估、关

    键技术选择等工作，最终形成5G标准。

    2015年 9月 17—18 日，5G 的主要标准化组织 3GPP RAN 在美国凤

    凰城召开 5G Workshop。

    来自全球80余个通信组织及电信运营、设备、终端、芯片企业的代

    表就5G场景、需求、潜在技术方案、标准化工作计划进行了讨论。与

    会代表均认同5G应引入不考虑后向兼容的新空口，同时，作为5G的重

    要组成部分，LTE-Advanced应继续保持演进。

    在标准研究与标准定义的优先级方面，中国和部分欧洲公司倾向于

    5G应首先聚焦6 GHz以下的低频段新空口；日韩和部分美国公司倾向于

    首先完成高于6 GHz的高频段新空口，目标主要是增强移动宽带(e

    MBB)；部分欧洲运营商希望认真评估 6 GHz 以下新空口相比LTE-

    Advanced增强的实际增益。

    会议最后以主席总结的形式给出5G标准化路标。

    场景和业务：基本确定了5G的三大类场景，即增强移动宽带(e

    MBB)、大规模物联网(massive MTC)、低时延高可靠通信(ultra-

    reliable and low latency communication)。5G技术需满足3类场景下的多

    种业务类型。

    新空口和演进：5G新空口和LTE-Advanced演进将在3GPP R14及后

    续版本中同时开展标准定义工作。2016年3月将在各工作组开展具体技

    术方案的评估。

    标准工作计划：5G标准化工作分为3个版本完成，分别是2016年在

    R14阶段启动5G需求和技术方案的研究工作；2017年R15版本作为5G的

    第一个阶段，满足市场上比较急迫的商用需求；2018年启动R16作为5G

    标准的第二个阶段，在2019年底完成，满足ITU IMT-2020提出的要求，并在2020年作为5G标准提交ITU-R。

    5G第一阶段的工作范围：在设计5G第一阶段标准协议(R15)时，应保证对第二阶段标准(R16)的前向兼容性。

    5G 囊括了所有能够想象的应用场景和案例，这些应用场景和案例

    在很多时候提出的系统实现指标也是相互矛盾的。因此，在有新的空中

    接口技术和新的工作频段的同时，5G 也必须要有新的网络能力，能够

    将这些新的技术和相互矛盾的需求在一张网络上体现出来。这是以前的

    移动通信系统所不具备的。也就是说，5G 除了无线接入技术的创新以

    外，网络架构也必须创新。

    本书主要关注5G无线网络架构及其相关的关键技术。

    全书共分9章，基本涵盖了未来无线网络架构部分的主要内容。第1

    章5G网络发展与业务需求，主要描述国际上5G研究的现状和5G的业务

    需求、网络架构特征。第2章5G网络架构，描述了4G网络架构的弱势，给出了国际上5G网络架构的研究情况，重点讨论三朵云的IMT-2020网

    络架构以及网络架构如何随需而变的理念。第3章5G智能无线网络架

    构，描述了5G无线接入网络的功能与性能要求，重点讨论了称为智能

    无线接入网络的5G无线接入网络架构、设计理念、主要关键技术、特

    殊场景下的架构与演变等。第4章无线网控制承载分离技术，介绍了无

    线网控制与承载分离技术的概念，讨论了无线网控制与承载分离技术在

    5G宏微异构组网场景与微微组网场景下的应用。第5章多制式协作与融

    合技术，讨论了未来5G网络中多制式融合的理念，多制式协作与融合

    技术，移动网络与WLAN协作与融合技术等。第6章5G网络资源管理，从“垂直功能”和“水平概念”两个维度梳理了5G接入网资源管理的主要范

    畴和内容，并重点讨论了UDN、D2D、MMC、MN、Ad Hoc等方面的

    资源管理技术与算法。第7章移动边缘计算，描述了MEC技术的概念、MEC平台、技术基础以及挑战等；针对5G应用场景，讨论了MEC技术

    的潜在优势并给出了基于LTE系统的概念验证结果。第8章无线网络虚

    拟化技术，介绍了虚拟化的概念和基本情况，讨论了实现无线网络虚拟

    化的主要技术和挑战。第9章频谱共享技术，描述了未来5G网络频谱共享技术的应用场景和需求，并提出相应的技术方案。

    本书由杨峰义、谢伟良、张建敏组织编写并统稿。第1、7章由张建

    敏执笔，第2章由杨峰义、王海宁执笔，第3章由王敏执笔，第4章由陆

    晓东、谢伟良执笔，第5章由武洲云、赵勇执笔，第6章由乔晓瑜、谢伟

    良执笔，第8章由许悠、杨涛执笔，第9章由王楠执笔。

    本书的主要内容是中国电信技术创新中心在参加国家“863”计划信

    息领域重大项目“5G关键技术研究”、“新一代宽带无线移动通信网”国家

    重大专项、中国电信“5G 关键技术研究”等科研项目中的部分研究成

    果。由于国际上5G目前尚处在标准化前期，技术观点尚处于发散阶

    段，限于笔者认知水平，相关的观点和技术方向可能不一定准确，错误

    和遗漏在所难免，欢迎读者不吝赐教。

    作者

    2016年7月于北京未来科技城第1章 5G网络发展与业务需求

    1.1 移动通信发展近况和5G国际研究情况

    1.1.1 移动通信发展近况

    始于20世纪70年代的移动通信技术，经过40多年的蓬勃发展，已经

    渗透到现代社会的各个行业，深刻影响着人类的工作、生活方式以及各

    行各业的发展趋势。在40余年的发展历程中，移动通信系统经历了从第

    一代(1G)到第四代(4G)的飞跃。基于模拟技术的第一代(1G)无

    线通信系统仅支持模拟语音业务，第二代(2G)GSM数字通信系统开

    始支持数字语音和短消息等低速率数据业务，第三代(3G)宽带通信

    系统则将业务范围扩展到图像传输、视频流传输以及互联网浏览等移动

    互联网业务。纵然3G时代的用户体验速率相对较低，但移动互联网经

    过3G时代的培育已经进入了爆发期。人们对信息的巨大需求为4G移动

    通信系统的发展提供了充足的动力。

    以OFDM、MIMO等为核心技术的LTE网络，2004年在3GPP开始研

    究，2008年底形成了第一个版本的技术规范R8，2009年12月全世界第一

    张LTE网络商用由Telia Sonera在挪威奥斯陆和瑞典斯德哥尔摩建成，为

    终端用户真正带来了每秒百兆比特的数据业务传输速率，极大程度地满

    足宽带移动通信业务应用需求。目前，全球范围内LTE网络的商用部署

    正在紧锣密鼓地进行，截止到2014年10月底，全球共有119个国家和地区开通354个LTE商用网络[1]

    ，已超过3G网络的一半，成为史上发展速

    度最快的移动通信技术。据GSA统计，截止到2014年10月底，全球范围

    内LTE服务用户总数已达到3.73亿户[2]

    ，LTE终端种类已多达2 218款[3]

    ，如图1-1和图1-2所示。

    LTE网络全球范围的大规模部署以及LTE终端的日趋成熟，极大促

    进了移动互联网和物联网的快速发展，涌现出多种多样的新型业务和琳

    琅满目的终端，持续刺激并培养人们数据消费的习惯。据统计，仅2013

    年全球移动数据增长率为70%[1]。更进一步，预计到2020年，移动互联

    网和物联网各类新型业务和应用持续涌现将带来1 000倍的数据流量增

    长以及超过百亿量级的终端设备连接[4-6]

    ，如图1-3和图1-4所示。

    为了能更好地应对未来移动互联网和物联网的高速发展带来的移动

    数据流量的高速增长、海量的设备连接以及各种各样差异化新型业务应

    用不断涌现的局面，需要更加高速、更加高效、更加智能的新一代无线

    移动通信网络来支撑这些庞大的业务量和连接数。

    图1-1 全球LTE服务用户数目增长趋势[2]

    图1-2 LTE终端种类数目增长趋势[3]

    图1-3 2010—2030年全球和中国移动数据流量增长趋势[6]

    图1-4 2010—2030年全球和中国移动终端及物联网连接数增长趋势[6]

    因此，在全世界范围内4G移动通信网络的部署方兴未艾之时，未

    来5G移动通信技术的研发已拉开帷幕，成为学术界和信息产业界热门

    的课题之一，掀起了全球移动通信领域新一轮的技术竞争。

    1.1.2 5G研究情况

    1.欧盟

    2012年9月，欧盟在第七框架计划(FP7)下启动了面向5G研究的5GNOW(5th Generation Non-Orthogonal Waveforms for Asynchronous

    Signalling)研究课题，该课题主要由来自德国、法国、波兰和匈牙利等

    国的6家研究机构共同承担。5GNOW课题主要面向5G物理层技术进行

    研究，该计划已于2015年2月完成[7]。

    同年 11月，同样在 FP7 下，欧盟正式启动了名为 METIS(Mobile

    and Wireless Communications Enablers for the Twenty-Twenty Information

    Society)的5G研究项目，针对如何满足未来移动通信需求进行广泛研

    究[8]。METIS共有约29个参与单位共同承担，参与单位除了包括阿尔卡

    特朗讯、诺基亚、爱立信、中兴通讯和华为等顶级通信设备厂商外，还

    包括德国电信、日本NTT、法国电信、意大利电信、西班牙电信等电信

    运营商，此外还包括汽车制造商和学术研究机构。

    除此之外，欧盟在2014年1月正式推出了5G PPP(5G Public-Private

    Partnership)项目，计划在2020年前开发5G技术，到2022年正式投入商

    业运营。该计划的成员主要包括通信设备制造商、网络运营商、电信运

    营商以及科研院所。

    2.中国

    中国政府在2013年2月，由科学技术部、工业和信息化部、国家发

    展和改革委员会三部委联合组织成立了IMT-2020(5G)推进组，其组

    织架构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的电信运营

    商、制造商、高校以及研究机构[6]。IMT-2020(5G)推进组的成立旨

    在打造聚合中国产学研用力量、推动中国5G技术研究和开展国际交流

    与合作的主要平台。

    除此之外，国家“863”计划也分别于2013年6月和2014年3月启动了

    5G 重大项目一期和二期研发课题，前瞻性地部署5G需求、技术、标

    准、频谱、知识产权等研究，建立5G国际合作推进平台。在2020年之

    前，上述“863”计划课题将系统地研究5G领域的关键技术，主要包括体系架构、无线传输与组网、新型天线与射频、新频谱开发与利用等。

    3.日韩

    在移动通信领域一直走在全球前沿的韩国，在5G研发机构设立、长远规划、促进战略以及研发投入等方面表现都非常积极，相关政策的

    制定也更加明确。2013年6月，韩国政府组织国内主要的电信设备制造

    商、电信运营商、研究机构和高校等成立了5G技术论坛(5G

    Forum)。该论坛提出了韩国5G国家战略和中长期发展计划，推动5G关

    键技术研究。根据韩国2013年下半年制定的“5G移动通信促进战略”，韩

    国将在2015年之前实现Pre-5G技术，并在2018年平昌冬奥会上示范5G应

    用，最终达到2020年正式实现5G商用的目标。

    同样在通信技术领域走在前沿的日本，在 2013年10月由日本无线

    工业及商贸联合会(Association of Radio Industries and Businesses，ARIB)正式成立5G研究组“2020 and Beyond Ad Hoc”，旨在对5G服务、系统构成以及无线接入技术等进行研究。该研究组主要包括服务与系统

    概念工作组和系统结构与无线接入技术组，分别研究2020年及以后移动

    通信系统中的服务与系统概念以及2020年及之后的技术，比如无线接入

    技术、网络技术等。日本计划在2020年东京奥运会前实现5G网络的商

    用。

    除此之外，目前全球范围内还有很多组织论坛等正针对5G发展愿

    景、应用需求、候选频段、关键技术指标以及使能技术等进行更加广泛

    深刻的研究[9-12]。

    1.2 5G业务需求、应用场景与性能指标

    1.2.1 5G业务需求移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力，将为

    5G提供广阔的应用前景。目前国内外学术和产业界研究机构已经从各

    种不同角度阐述了对未来5G网络的展望，并根据未来业务需求讨论了

    5G网络的性能指标要求。总体来讲，未来5G网络将构建以用户为中心

    的全方位信息生态系统，最终实现任何人和物在任何时间、任何地点可

    以与任何人和物实现信息共享的目标。

    图1-5给出了中国IMT-2020(5G)推进组于2014年5月发布的《5G

    愿景与需求》白皮书中描述的未来5G总体愿景。可以看出，未来移动

    互联网主要面向以人为主体的通信，注重提供更好的用户体验，进一步

    改变人类社会信息交互方式，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清

    视频、云端办公、休闲娱乐等更加身临其境的极致业务体验。为了保证

    未来人们在各种应用场景，如体育场、露天集会、演唱会等超密集场景

    以及高铁、快速路、地铁等高速移动环境下获得一致的业务体验，5G

    在对上下行传输速率和时延有更高要求的同时，还面临着超高用户密度

    和超高的移动速度带来的挑战。

    图1-5 5G总体愿景[6]

    不同于主要面向以人为主的移动互联网通信，物联网进一步扩大了

    移动通信的服务范围，从人与人之间的通信延伸到物与物、人与物之间

    的智能互联，促使移动通信渗透到工业、农业、医疗、教育、交通、金

    融、能源、智能家居、环境监测等领域。未来，物联网在各类不同行业

    领域进一步推广应用将会促使各种具备差异化特征的物联网业务应用爆

    发式增长，将有数百亿的物联网设备接入网络[5,6]

    ，真正实现“万物互

    联”。为了更好地支持物联网业务推广，5G 需要解决海量终端连接以及

    各类业务的差异化需求(低时延、低能耗、低成本、高可靠等)。

    可以预想到，未来5G网络将为用户提供光纤般的接入速率，“零”时

    延的使用体验，百亿设备的连接能力，超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性等多个场景的一致服务，业务及用户感知的智能优化，同

    时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，最终实

    现“信息随心至，万物触手及”的总体愿景[6]。

    综上所述，5G 将是以人为中心的通信和机器类通信共存的时代，各种各样具备差异化特征的业务应用将同时存在，这些都对未来5G网

    络带来极大挑战。这些挑战主要包括如下5个方面[6,10-13,16-19]

    ，如图1-6

    所示：

    超高的速率体验；

    超高的用户密度；

    海量终端连接；

    超低时延；

    超高移动速度。

    图1-6 5G网络面临的挑战[12]

    1.2.2 5G应用场景与性能目标

    为了能够更好地剖析5G所需关键技术，将上述5G网络所面临的主

    要挑战分别对应为5个应用场景的业务需求。这些应用场景主要包括：

    超高速体验场景、超高用户密度场景、超高速移动场景、低时延高可靠

    连接场景、海量终端连接等，如图1-7所示。

    图1-7 5G应用场景[13]

    1.超高速体验场景

    超高速体验场景主要关注为未来移动宽带用户提供更高的接入速

    率，保证终端用户瞬时连接以及时延无感知的业务体验，使用户获

    得“一触即发”的感觉。超高的速率以及时延无感知的用户体验将成为未

    来各类新型业务，包括视频会话、超高清视频播放、增强现实、虚拟现实、实时视频分享、云端办公、云端存储等业务得以发展推广的关键因

    素。

    以虚拟现实办公为例，远程用户之间的高清3D实时互动需要网络

    能够实时提供数吉字节的数据量交换，从而使用户达到身临其境的感

    受。为满足上述用户体验，办公区95%以上区域内用户体验速率需大于

    1 Gbits，20%以上的区域内用户体验速率需大于5 Gbits[12,13]。

    2.超高用户密度场景

    超高用户密度场景重点关注诸如密集住宅、办公室、体育场馆、音

    乐厅、露天集会、大型购物广场等用户高密度分布场景下的用户业务体

    验。

    对于用户密度超高的场景，现有的移动宽带网络会出于网络负载等

    方面的考虑，拒绝更多的用户接入，降低用户的业务体验。未来，用户

    希望即使在用户密度非常高的情况下，依然能够接入网络并获得一定的

    业务体验，这对5G网络的设计提出了更高的要求。

    以体育场举办大型赛事为例，预计在忙时段每用户的数据量超过9

    GBh，即使在体育场观众爆满的情况下，同样需要保证用户体验速率在

    0.3～20 Mbits[12,13]。

    3.超高速移动场景

    超高速移动场景主要考虑用户在快速路、高铁等快速移动情况下的

    业务体验。

    对于高速移动的场景，未来5G网络希望为用户提供与在家庭、办

    公室以及低速移动场景下一致的业务体验，给用户一种高速业务体验无

    处不在的感觉。对于移动速度大于500 kmh的用户，依然能够满足视频

    类和文件下载类等典型业务速率需求，即上下行速率至少分别大于100

    Mbits和20 Mbits以及端到端低于100 ms的时延要求。

    4.低时延高可靠连接场景低时延高可靠场景重点考虑未来新业务在时延和可靠性方面提出的

    苛刻要求。当前移动通信系统主要是以人为中心进行设计考虑的，其时

    延要求主要来自人类相互对话时听力系统的时延要求。当人类接收声音

    信号的时延在70～100 ms范围内，会感觉到实时效果很好，这也是ITU

    将100 ms设定为语音通信最低时延要求的主要原因[14]。然而，未来基

    于机器到机器的新业务应用将广泛应用到工业控制、智能交通、环境监

    测等领域，对数据的端到端传输时延和可靠性提出了更为严格的要求。

    以交通安全为例，为了避免交通事故的发生，智能交通系统需要与车辆

    间进行即时可靠的信息交互，端到端时延必须小于5 ms。与智能交通相

    类似，智能电网应用同样对信息交互时延和可靠性提出了严格要求，即

    毫秒级的时延和99.999%的可靠性。

    除此之外，更具挑战的时延要求来自于虚拟现实的应用，例如当用

    操作杆在虚拟现实的环境中移动3D对象时，如果响应时延超过1 ms，会

    导致用户产生眩晕的感觉[14]。因此，为了满足上述应用的需求，未来

    5G网络需支持端到端1 ms的时延要求和更高的可靠性。

    5.海量终端连接场景

    海量终端连接场景则主要针对诸如MTC(machine type

    communication)设备以及传感器等设备大量连接且业务特征差异化的

    场景。MTC设备范围很广，从低复杂度的传感器设备到高度复杂先进的

    医疗设备。MTC终端繁多的种类以及应用场景也将导致各种各样差异化

    的业务特征与需求，如发送频率、复杂度、成本、能耗、发送功率、时

    延等，这些都是现有移动网络无法同时满足的。

    以大量传感器的部署为例，到2020年预计移动网络每个小区需要提

    供30万的设备连接能力[12]

    ，同时需要降低终端的成本并使得终端待机

    时长延长至10年量级，从而保证未来网络数百亿的设备连接能力。海量

    的设备连接将导致网络负载的急剧增加，需要在5G网络设计之初就进行重点考虑。

    为了能够评估未来移动网络流量密度要求，还需要将上述几个场景

    进行综合考虑。以METIS提供的虚拟现实办公的典型场景为例[13]

    ，其

    中要求95%以上的区域和时间内用户的上下行体验速率为1 Gbits，对应

    的数据流量密度为每用户每月36 TB，相当于上下行的流量密度为95

    TBkm2 ，约为现有网络数据流量密度的1 000倍左右。

    综上所述，相比于LTE网络，未来5G网络目标性能预期提升如图1-

    8所示

    [12,13,31]。

    数据流量密度：1 000倍。

    设备连接数目：10～100倍。

    用户体验速率：10～100倍。

    MTC终端待机时长：10倍。

    端到端时延：5倍。

    1.3 5G网络建设部署及运营维护需求

    为了更加全面地满足未来移动互联网以及物联网爆炸式增长带来的

    挑战，5G 网络的发展面临着网络建设部署以及运营维护的巨大压力。

    图1-8 5G业务性能指标[12,13]

    1.3.1 5G网络建设部署需求

    未来网络千倍流量增长、海量终端连接以及极致用户体验等发展需

    求，需要5G网络提供更高的网络容量和更好的覆盖。为了缓解运营商

    增量不增收的发展压力，5G 网络需要重点考虑网络设备、网络建设维护、新业务引入带来的复杂度和成本增加以及网络能耗增大导致的成本

    增加，从而降低网络建设部署成本，提升网络能效。除此之外，针对越

    来越稀缺的频谱资源，5G需要灵活高效地利用各类频谱，包括对称和

    非对称频段、重用频谱和新频谱、低频段和高频段、授权和非授权频段

    等，提升稀缺频谱资源的利用率。

    1.3.2 5G网络运营维护需求

    随着用户需求的不断提高和多元化，移动互联网和物联网业务种类

    也更加丰富多彩。5G网络除了需要提供更高的网络性能外，还需要提

    供更加灵活开放的网络适配和编程能力，以适应不同虚拟运营商用户

    业务的定制化需求，从而实现多种业务的快速部署与差异化运营，提升

    运营服务水平和竞争力。可以看出，通过构建网络能力开放，合理开放

    网络基础资源、增值业务、数据信息以及运营支撑等能力成为运营商构

    建未来竞争力的关键所在。虚拟运营商、M2M 服务提供商、互联网提

    供商、企业以及个人等第三方则通过网络能力开放接口实现业务的个性

    化定制，并能够实现对用户行为和业务内容进行智能感知和优化。

    除此之外，为了保护网络和用户的信息安全，5G 需要能提供多样

    化的网络安全解决方案，以满足各类移动互联网和物联网设备及业务的

    需求。

    可以看出，从运营维护角度分析，为了更好地适应未来业务发展，5G网络需要具备：

    网络开放能力；

    用户行为和业务感知能力；

    可编程性；

    灵活性；

    可扩展性。1.4 ITU定义的5G

    经过近几年全球业界的共同努力，在2015年6月份召开的ITU-R

    WP5D第22次会议上， ITU完成了5G移动通信发展史上的一个重要里程

    碑，ITU正式命名5G为IMT-2020，并确定了5G的愿景和时间表等关键

    内容。

    ITU确定的5G主要应用场景为增强移动宽带、高可靠低时延通信、大规模机器类通信，如图1-9所示。

    图1-9 5G应用场景及技术指标

    增强移动宽带场景：移动宽带强调的是以人为中心接入多媒体内

    容、业务和数据的应用场景。增强移动宽带应用场景将在现有移动宽带

    的基础上带来新的应用领域，同时也会进一步改进性能，提高无隙的用

    户体验。该应用场景主要包括热点和广域覆盖。对热点地区，需要有高

    用户密度、高业务容量，用户的移动速度较低，但是用户的数据速率高

    于广域覆盖。对于广域覆盖，期望无隙覆盖和中到高的移动性，同时与

    现有数据速率相比，期望明显提高用户数据速率，但是对数据速率的需

    要与热点地区相比可以适度放松。

    高可靠低时延通信场景：该场景对吞吐率、时延、可用性等能力有

    严格的要求。典型例子包括：通过无线系统控制工业制造或生产过程、远程医疗、智能电网的自动配电、传输安全等。

    大规模机器类通信场景：该应用场景的特征是大量的连接终端，每

    个终端发送小量的时延不敏感数据。终端需要低成本、超长的电池寿

    命。

    同时，期待着其他今天所没有预见到的应用场景的出现。因此，未

    来的IMT系统需要足够的灵活性以适配指标宽泛的新应用。

    取决于应用环境和不同国家的不同需要，未来的IMT系统将具有很多不同的特征。未来IMT系统应该设计为高度模块化的形态，并非所有

    特征都需要同时体现在所有网络中。

    5G的主要能力指标见表1-1。

    表1-1 5G的主要能力指标

    5G标准化的主要时间点如图1-10所示。可以看出，到2017年底，为

    征集候选技术做准备，并制定技术评估方法；到2020年，完成候选技术

    征集、技术评估、关键技术选择等工作，最终制定5G标准。

    图1-10 5G时间表

    可以看出，ITU定义的5G囊括了所有能够想象的应用场景和案例，这些应用场景和案例在很多时候与提出的系统实现指标是相互矛盾的。

    因此，5G 必须有新的空中接口技术和新的工作频段，也必须有新的网

    络能力，能够将这些新的技术和相互矛盾的需求在一张网络上体现出

    来。这是以前的移动通信系统所不具备的。也就是说，5G 除了无线接

    入技术的创新以外，网络架构也必须创新。因此后续将根据未来5G网

    络需求重点分析5G网络架构需要具备的特征。

    1.5 3GPP定义的5G

    除了ITU定义的增强移动宽带、高可靠低时延通信以及大规模机器

    类通信3类应用场景外，3GPP SA1增加了网络运营方面的要求，主要包

    括网络切片、灵活路由以及互操作和节能等方面，如图1-11所示。

    可以看出，5G系统的配置优化需要支持多样化的需求，而这些需

    求可能是互相冲突的。例如某些配置需要高可靠性和低时延，而其他配

    置需要支持低可靠性和高时延。与以往3GPP系统试图提供一个满足所

    有需求的统一系统不同，5G 系统需要通过多种方式同时对多种配置提供优化支持。因此需要5G网络具备网络开放的能力、可编程性、灵活

    性和可扩展性，以适应未来网络业务发展的需求。下面将从5G网络的

    主要需求，分析并总结5G网络架构的主要特征。

    图1-11 3GPP定义的5G网络应用场景[15]

    1.6 5G网络架构特征分析

    移动互联网和物联网业务的迅猛发展以及网络部署运营需求为未来

    5G网络带来了极大的挑战，需要从无线频谱、接入技术以及网络架构

    等多个层面综合考虑。为了能够更加清楚地刻画未来5G网络架构的特

    征，下面将从5G网络主要性能目标出发，分析讨论5G网络的关键技

    术，并重点分析未来5G网络架构应该具备的技术特征和目标。

    1.6.1 更高数据流量和用户体验

    为适应未来移动网络数据流量增加1 000倍以上以及用户体验速率

    提升10～100倍的需求[4,16]

    ， 5G 网络不仅需要大幅提升无线接入网络

    的吞吐量，同时也需提升核心网、骨干传输链路以及回传链路的容量。

    对于无线接入网面临的挑战，5G 网络则需要从如何利用先进的无

    线传输技术、更多的无线频谱以及更密集的小区部署等方向进行规划设

    计[17,18]。

    1.先进的无线传输技术

    为了最大程度地提升无线系统容量，5G 网络需要借助一系列先进

    的无线传输技术进一步提升无线频谱资源的利用率，主要包括大规模天

    线技术、高阶编码调制技术、新型多载波技术、新型多址接入技术、全

    双工技术等。其中大规模天线技术是在现有多天线技术的基础上通过大幅度增加

    发射端和接收端天线数目提升无线信道的空间分辨率，使得网络中的多

    个用户可以在同一时频资源上利用大规模天线技术提供的空间自由度与

    基站进行通信，从而在不需要增加基站密度和带宽的情况下大幅度提高

    频谱效率[17-21]。同时，大规模天线还具有其他优势：第一，可以将波

    束集中在很窄的范围内，从而大幅度降低干扰；第二，可大幅度降低发

    射功率，提高功率效率；第三，当天线数目足够大时，最简单的线性预

    编码和线性检测器趋于最优，且噪声和不相关干扰可忽略不计。除此之

    外，大规模天线技术与高阶调制编码技术(如256QAM)结合使用，则

    可以更进一步提升频谱利用率和整个无线网络的系统容量。

    另外，新型多载波技术、新型多址接入技术、新型干扰消除技术、全双工技术等无线传输技术都可以有效提升频谱利用率[22-26]。

    2.无线频谱

    不同的无线频段具备不同的无线信道特征，频段的选择直接影响了

    移动通信系统空口以及网络架构的设计。由于3 GHz以下频段具备较好

    传播特性，目前大部分移动通信系统主要工作在该频段范围，导致该频

    段已经消耗殆尽。为了适应未来移动通信对频谱带宽的要求， 5G 网络

    需要对高频段甚至超高频段(例如毫米波频段)进行深度开发利用。除

    此之外，非授权频段的使用、离散频段的聚合以及低频段的重耕等都为

    满足未来频谱资源的需求提供了可能的解决方案。由于高频段具有较高

    的路径传播损耗，使得其更适用于视距范围内的短距离通信传输。但是

    高频段却更易于实现大规模天线的小型化，此时通过大规模天线技术的

    波束成形增益可以有效解决高频段覆盖可能存在的不足[27]。

    3.小区加密

    目前提升无线接入系统容量的三大主要方案，除了增加频谱带宽和

    提高频谱利用率外，最为有效的办法依然是通过加密小区部署从而提升空间复用。据统计，1957—2000年，通过采用更宽的无线频谱资源使得

    无线系统容量提升了约25倍，而大带宽无线频谱细分成多载波同样带来

    了无线系统容量约5倍的性能增益，并且先进的调制编码技术也将无线

    系统性能提升了5倍。然而，通过小区半径减小增加频谱资源空分复用

    的方式则带来了系统吞吐量约1 600倍的性能提升[28-30]。传统的无线通

    信系统通常采用小区分裂的方式减小小区半径，然而随着小区覆盖范围

    的进一步缩小，小区分裂将很难进行，需要通过在室内外热点区域密集

    部署低功率小基站(包括小小区基站、微小区基站、微微小区基站以及

    毫微微小区基站等)，提升整个系统容量，形成超密集网络(ultra

    dense network，UDN)。在超密集网络的环境下，整个系统吞吐量随着

    小区密度的增加近乎线性增长[27,31]。同时，由于超密集组网缩短了基

    站与终端用户的距离，可以一定程度克服高频段传输损耗较高的问题。

    可以看出，超密集网络是解决未来5G网络数据流量1 000倍以及用

    户体验速率10～100倍提升的有效解决方案。据预测，在未来无线网络

    中，在宏基站覆盖的区域中，各种无线接入技术(RAT)的小功率基站

    的部署密度将达到现有站点密度的10倍以上[17]

    ，形成超密集的异构网

    络，如图1-12所示。

    图1-12 超密集异构组网示意

    然而超密集网络通过降低基站与终端用户间路径损耗、增大有效接

    收信号，同时提升了干扰信号。换句话说，超密集网络降低了热噪声对

    无线网络系统容量的影响，使其成为一个干扰受限系统。如何有效进行

    干扰消除、干扰协调，成为超密集组网场景下提升链路容量需要重点考

    虑的问题。更进一步，小区密度的急剧增加也使得干扰变得异常复杂。

    此时，5G网络除了需要在接收端采用更先进的干扰消除技术外，还需

    要具备更加有效的小区间干扰协调机制。考虑到现有LTE网络采用的分

    布式干扰协调技术(ICIC)，其小区间交互控制信令负荷会随着小区密度的增加以二次方趋势增长，极大地增加网络控制信令负荷。因此，在

    未来5G网络超密集部署的场景下，通过局部区域内的簇化集中控制，解决小区间干扰协调问题，成为未来5G网络架构的一个重要技术特

    征。

    基于簇化的集中控制，不仅能够解决未来5G网络超密集部署的干

    扰问题，而且能够更加容易地实现相同RAT下不同小区间的资源联合优

    化配置、负载均衡等以及不同RAT系统间的数据分流、负载均衡等，从

    而提升系统整体容量和资源整体利用率。

    考虑到超密集组网场景下单小区的覆盖范围较小，会导致具有较高

    移动速度的终端用户遭受频繁切换，从而导致用户体验速率显著下降。

    为了能够同时考虑“覆盖”和“容量”这两个无线网络重点关注的问题，未

    来5G接入网络可以通过控制面与数据面的分离，即分别采用不同的小

    区进行控制和数据面操作，从而实现未来网络对于覆盖和容量的单独优

    化设计[33]。此时，未来5G接入网可以灵活地根据数据流量的需求在热

    点区域扩容数据面传输资源，例如小区加密、频带扩容、增加不同RAT

    系统分流等，并不需要同时进行控制面和数据面增强。因此，无线接入

    网控制面与数据面的分离将是未来5G网络的另一个主要技术特征。以

    超密集异构网络为例，通过控制面与数据面分离，室外宏基站主要负责

    提供覆盖(控制面和数据面)，小区低功率基站则专门负责提升局部地

    区系统容量(数据面)。不难想象，通过控制面与数据面分离实现覆盖

    和容量的单独优化设计，终端用户需要具备双连接甚至多连接的能力

    [34]。

    终端直通(D2D)技术作为除小区密集部署之外缩短发送端和接收

    端距离的另一种有效方法，既实现了接入网的数据流量分流，同时也提

    升了用户体验速率和网络整体的频谱利用率[35]。因此，D2D技术也是

    未来5G网络提升用户速率体验的关键技术之一。然而，在D2D场景下，不同收发终端用户对间以及不同收发用户对与小区收发用户间的干扰，依然需要无线接入网具备局部范围内的簇化集中控制，实现无线资源的

    协调管理，从而降低相互间干扰，提升网络整体性能。

    未来5G网络数据流量密度和用户体验速率的急剧增长，除了对无

    线接入网带来极大挑战，核心网同样也经受着更大数据流量的冲击。因

    此，在前述5G无线接入网增强的基础上，还需要对未来核心网的架构

    进行重新思考。

    图1-13给出了传统的LTE网络架构，可以看出核心网负责基站与互

    联网之间的数据传输。其中服务网关(SGW)和PDN(分组数据网

    络)网关(PGW)主要负责处理用户面数据转发。同时，PGW还负责

    内容过滤、数据监控与计费、接入控制以及合法监听等网络功能。数据

    从终端用户到达PGW网关并不是通过直接的三层路由方式，而是通过

    GTP(GPRS tunneling protocol)隧道的方式逐段从基站送到PGW。LTE

    网络移动性管理功能由网元MME负责，但是SGW和PGW上依然保留了

    GTP隧道的建立、删除、更新等GTP控制功能。

    图1-13 传统LTE网络架构

    因此，传统LTE核心网控制面与数据面分割不彻底，且数据面功能

    过于集中，使得网络存在如下局限性[36-38]。

    (1)数据面功能过度集中在LTE网络与互联网边界的PGW上，要

    求所有数据流必须经过PGW，即使是同一小区用户间的数据流也必须

    经过PGW，给网络内部新内容应用服务的部署带来困难。同时数据面

    功能的过度集中也对PGW的性能提出更高要求，且易导致PGW成为网

    络吞吐量的瓶颈。

    (2)网关设备控制面与数据面耦合度高，导致控制面与数据面需

    要同步扩容。由于数据面的扩容需求频度通常高于控制面，二者同步扩

    容一定程度上增加了设备的更新周期，同时带来设备总体成本增加。(3)用户数据从PGW到e NB的传输仅能根据上层传递的Qo S参数

    转发，难以识别用户的业务特征，导致很难对数据流进行更加灵活精细

    的路由控制。

    (4)控制面功能集中在SGW、PGW，尤其是PGW上，包括监控、接入控制、Qo S控制等，导致PGW设备变得异常复杂，可扩展性变

    差。

    (5)网络设备基本是各设备商基于专用设备开发定制而成，运营

    商很难将由不同设备商生产的网络设备进行功能合并，导致灵活性变

    差。

    针对传统LTE核心网面临的问题，未来5G网络为了能够更好地适应

    网络数据流量的激增，核心网架构需要支持本地分流、控制面与数据面

    分离、控制面集中化以及基于通用硬件平台实现软件与硬件解耦等，从

    而具备灵活性和可扩展性。

    通过数据面下沉本地分流的方式可以有效避免未来5G核心网数据

    传输瓶颈的出现，同时提升了数据转发效率。其次，通过核心网网关控

    制面与数据面的分离，使得网络发展能够根据需求实现对控制面与数据

    面的单独扩容、升级优化，从而加快了网络升级更新和新业务上线速

    度，并一定程度地降低了网络升级和新业务部署成本。更进一步，通过

    控制面集中化使得5G网络能够根据网络状态和业务特征等信息，实现

    灵活细致的数据流路由控制。除此之外，基于通用硬件平台实现软件与

    硬件解耦可有效提升5G核心网的灵活性和可扩展性，从而避免基于专

    用设备带来的问题，且更易于实现控制面与数据面分离以及控制面集中

    化。

    除上述通过提升未来5G核心网数据处理能力应对数据流量爆炸式

    增长的技术外，缓存和移动边缘计算可以根据用户需求和业务特征等信

    息，有效降低网络传输所需数据流量[39-41]。数据统计证明，缓存技术在3G网络和LTE网络的应用可以降低13～23的移动数据量[42,43]。为了

    能够更好地发挥缓存以及移动边缘计算技术可能带来的性能提升，未来

    5G网络需要基于网络大数据实现智能化的分析处理。

    1.6.2 更低时延

    为了能够应对未来基于机器到机器的物联网新型业务在工业控制、智能交通、环境监测等领域应用带来的毫秒级时延要求，5G 网络需要

    从空口、硬件、协议栈、骨干传输、回传链路以及网络架构等多个角度

    联合考虑。

    据估算，以未来5G无线网络能够满足的1 ms的时延要求为目标，留

    给物理层的时间最多只有100 μs[14,44]

    ，LTE网络中1 ms传输时间间隔

    (TTI)以及67 μs的OFDM符号长度已经无法满足要求，如图 1-14 所

    示。然而，广义频分复用(generalized frequency division

    multiplexing,GFDM)技术作为一种潜在的物理层技术，成为有效解决

    5G网络毫秒级时延要求的潜力技术[44]。

    除此之外，通过内容缓存以及D2D技术同样可以有效降低数据业务

    端到端时延[40,41]。以内容缓存为例，通过将受欢迎内容(热门视频

    等)缓存在核心网，可以有效避免重复内容的传输，更重要的是降低了

    用户访问内容的时延，很大程度提升了用户体验。图1-15给出了目前3

    种缓存机制与无缓存的示意。可以看出，通过合理有效的受欢迎内容排

    序算法和缓存机制，将相关内容缓存在基站或者通过D2D方式直接获取

    所需内容，可以更进一步地提高缓存命中率，提升缓存性能。

    考虑到基站的存储空间限制以及在UDN场景下每小区服务用户数目

    较少使得缓存命中率降低，从而无法有效降低传输时延。因此，未来

    5G网络除了要支持核心网缓存外，还需要能够支持基站间合作缓存机

    制，并通过簇化集中控制的方式判断内容的受欢迎度以及内容存储策略。同理，不同RAT系统间的内容缓存策略，同样需要5G网络能够进

    行统一的协调管理。

    图1-14 1 ms时延分解示例[14]

    除此之外，更高的网络传输速率、本地分流、路由选择优化以及协

    议栈优化等都对降低网络端到端时延有很大帮助。

    1.6.3 海量终端连接

    为了能够应对到2020年终端连接数目10～100倍的迅猛增长，一方

    面可以通过无线接入技术、合理利用频谱、小区加密等方式提升5G网

    络整体容量满足海量终端连接，譬如超密集组网使得每个小区的服务终

    端数目降低，缓解了基站负荷。另一方面，用户分簇化管理以及中继等

    技术可以将多个终端设备的控制信令以及数据进行汇聚传输，降低网络

    的信令和流量负荷。同时，对于具有小数据突发传输的MTC终端，可以

    通过接入层和非接入层协议的优化合并以及基于竞争的非连接接入方式

    等，降低网络的信令负荷。

    值得注意的是，海量终端连接除了带来网络信令和数据量的负荷

    外，最棘手的是海量终端连接意味着网络中将同时存在各种各样需求迥

    异、业务特征差异巨大的业务应用，即未来 5G 网络需要能够同时支持

    各种各样差异化业务。以满足某类具有低时延、低功耗的MTC终端需求

    为例，协议栈简化处理是一种潜在的技术方案。然而，同一小区内如何

    同时支持简化版本与非简化版本的协议栈则成为5G网络需要面临的棘

    手问题。因此，未来5G网络首先需要具备可编程性，即可以根据业

    务、网络等要求实现协议栈的差异化定制。其次，5G网络需能够支持

    网络虚拟化，使得网络在提供差异化服务的同时保证不同业务相互间的

    隔离度要求。

    图1-15 缓存机制比较[40]1.6.4 更低成本

    未来 5G 网络超密集的小区部署以及多种多样移动互联网业务和物

    联网业务的推广运营，极大程度地增加了网络建设部署和运营维护成

    本。根据Yankee Group统计，网络成本占据整个服务提供商成本的

    30%，如图1-16所示。

    首先，为了能够降低超密集组网带来的网络建设、运营和维护复杂

    度以及成本的增加，一种可能的办法是通过减少基站的功能，从而降低

    基站设备的成本。例如基站可以仅完成层一和层二的处理功能，其余高

    层功能则利用云计算技术实现多个小区的集中处理[45]。对于这种轻量

    级基站，除了功能减少带来的成本降低外，第三方或个人用户部署的方

    式则会更进一步降低运营商的部署成本。除此之外，轻量化基站的远程

    控制、自优化管理等同样可以降低网络的运营维护成本。

    图1-16 服务提供商成本组成[45]

    其次，传统的网络设备是各设备商基于专用设备开发定制而成，新

    的网络功能以及业务引入通常意味着新的网络设备实体的研发部署。新

    的专用网络设备将带来更多的能耗、设备投资以及针对新的设备而需要

    的技术储备、设备整合以及运营管理成本的增加。更进一步，网络技术

    以及业务的持续创新使得基于专用硬件的网络设备生命周期急剧缩短，降低了新业务推广带来的利润增长。因此，对于服务提供商，为了能够

    降低网络部署和业务推广运营成本，未来5G网络有必要基于通用硬件

    平台实现软件与硬件解耦，从而通过软件更新升级方式延长设备的生命

    周期，降低设备总体成本。另外，通过软硬件解耦加速新业务部署进

    度，为新业务快速推广赢得市场提供有力保证，从而带来服务提供商利

    润的增加。

    考虑到传统的电信运营商为保持核心的市场竞争力、低成本以及高效率的运营状态，未来可能将重点集中于其最为擅长的核心网络的建设

    与维护，对于大量的增值业务和功能化业务则将转售给更加专业的企

    业，合作开展业务运营。同时用户对于业务的质量和服务的要求也越来

    越高，促使了国家首批移动通信转售业务运营试点资格(虚拟运营商牌

    照)的颁发。从商业的运作上看，虚拟运营商并不具有网络，而是通过

    网络的租赁使用为用户提供服务，将更多的精力投入对于新业务的开

    发、运营、推广、销售等领域，从而为用户提供更为专业的服务。为了

    能够降低虚拟运营商的投资成本，适应虚拟运营商差异化要求，传统的

    电信运营商需要在同一个网络基础设施上为多个虚拟运营商提供差异化

    服务，同时保证各虚拟运营商间相互隔离，互不影响。

    因此，未来5G网络首先需要具备可编程性，即可以根据虚拟运营

    商业务要求实现网络的差异化定制。其次，5G 网络需能够支持网络虚

    拟化，使得网络在提供差异化服务的同时保证不同业务相互间的隔离度

    要求。

    1.6.5 更高能效

    不同于传统的无线网络仅仅以系统覆盖以及容量为主要目标进行设

    计，未来5G网络除满足覆盖和容量这两个基本需求外，还需进一步提

    高5G网络的能效。5G网络能效的提升一方面意味着网络能耗的降低，缩减了服务提供商的能耗成本，另一方面代表终端待机时长的延长，尤

    其是MTC类终端的待机时长。

    首先，无线链路能效的提升可以有效降低网络和终端的能耗。例

    如，超密集组网通过缩短基站与终端用户距离，极大地提升无线链路质

    量，有效提升链路的能效。大规模天线通过无线信号处理的方法可以针

    对不同用户实现窄波束辐射，增强无线链路质量的同时减少能耗以及对

    应的干扰，从而可以有效提升无线链路能效。除此之外，针对网络设备以及终端，高能效的硬件设备以及数据处理算法等同样对提升网络能效

    有一定帮助。

    其次，在通过控制面与数据面分离实现覆盖与容量分离的场景下，其中用于提升系统容量的小区，由于其较小的覆盖范围以及终端的快速

    移动，使得此类小区负载以及无线资源使用情况骤变。此时，用于提升

    容量的小区可以在统一协调的机制下根据网络负荷情况动态地实现打开

    或者关闭，从而在不影响用户体验的情况下降低网络能耗。同时，终端

    选择合适的小区接入对于其能耗的影响也需要加以考虑。因此，未来

    5G网络需要通过簇化集中控制的方式并基于网络大数据的智能化分析

    处理，实现小区动态关闭打开以及终端合理的小区选择，提升网络和

    终端能效。

    对于无线终端，除通过上述办法提升能效延长电池使用寿命外，采

    用低功耗高能效配件(如处理器、屏幕、音视频设备等)也可以有效延

    长终端电池寿命。更进一步，通过将高能耗应用程序或其他处理任务从

    终端迁移至基站或者数据处理中心等，利用基站或数据处理中心强大的

    数据处理能力以及高速的无线网络，实现终端应用程序的处理以及反

    馈，可有效缩减终端的处理任务，延长终端电池寿命。

    1.6.6 5G网络架构特征总结

    综上所述，为了满足未来5G网络目标性能要求，即数据流量密度

    提升1 000倍、设备连接数目提升10～100倍、用户体验速率提升10～

    100倍、MTC终端待机时长延长10倍以及端到端时延降低5倍以及未来网

    络更低成本、更高能效等可持续发展的要求，需要从无线频谱、接入技

    术以及网络架构等多个角度综合考虑。图1-17概括总结了5G网络需求、关键技术以及5G网络架构主要特征的对应关系。

    图1-17 5G网络关键技术与架构特征可以看出，未来5G网络架构的主要技术特征包括：接入网侧通过

    控制面与数据面分离实现覆盖与容量的分离或者部分控制功能的抽取，通过簇化集中控制实现无线资源的集中式协调管理。核心网侧则主要通

    过控制面与数据面分离以及控制面集中化的方式实现本地分流、灵活路

    由等功能。除此之外，通过软件与硬件解耦和前述四大技术特征的有机

    结合，使得未来5G网络具备网络开放能力、可编程性、灵活性和可扩

    展性。

    IT新技术的发展给满足5G网络架构技术特征带来了希望。其中以控

    制面与数据面分离和控制面集中化为主要特征的软件定义网络(SDN)

    技术以及以软件与硬件解耦为特点的网络功能虚拟化技术的结合，有效

    地满足未来5G网络架构的主要技术特征，使5G网络具备开放能力、可

    编程性、灵活性和可扩展性。更进一步，基于云计算技术以及网络与用

    户感知体验的大数据分析，实现业务和网络的深度融合，使5G网络具

    备用户行为和业务感知能力，更加智能化。

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    option=com_contentview=articleid=4Itemid=106jsmallfib=1dir=JSROOT%5CDocumentsRAS+White+Papers.第2章 5G网络架构

    每一代移动通信系统都需要根据未来业务或应用的发展而确定其适

    宜的网络架构，而网络又决定了未来业务、应用发展的潜力。如第1章

    所述，5G时代业务种类更加丰富，业务对网络能力的要求比以往任何

    一代系统都更加多样化，且这些要求之间很多时候是相互冲突的。因此

    5G必须要有全新的网络架构来适应各种业务的多种需求。

    网络要满足未来多种业务的需求，需要网络能够与业务解耦，且具

    备足够的灵活性和可扩展性以适应业务的发展。SDNNFV 等技术的发

    展，为未来网络的灵活性和可扩展性带来了技术的可能。

    本章将介绍欧洲、日本、韩国、北美以及移动运营商组织NGMN关

    于5G网络架构的研究成果，再深入介绍中国的基于SDNNFV的“三朵

    云”5G网络架构的概念框架和系统参考架构以及该架构在不同应用场景

    部署时的变化。

    2.1 4G网络架构局限性

    每一代移动通信系统，其标志性的技术特征除了全新的空中接口技

    术外，整体网络架构也在不断地演进变化。移动通信系统从1G演进到

    2G，空中接口从模拟技术演进到数字技术，网络从简单的端局交换机

    的模式演进到基站—基站控制器—移动交换机的层次结构，业务领域也从电路域语音演进到电路域语音和分组域数据共存。在3G移动通信系

    统中，空中接口演进为以CDMA为主流的多址接入技术，网络架构在

    2G系统的基础上起步。在R4阶段，电路域演进到控制承载分离、控制

    集中化、承载分布化的形态，分组域则基本沿用2G的模式。4G移动通

    信系统在空中接口上采用OFDMMIMO新型多址技术，在网络架构上，如图2-1所示[1]

    ，摒弃传统电路域只考虑分组域的演进，也被称作演进

    分组系统(EPS)。

    从图2-1中可以看到，EPS网络由演进的通用无线接入网络(如图2-

    1中E-UTRAN所示)和演进的分组核心网络(EPC)组成。EPC网络主

    要网元包括MME、SGW、PGW和HSS。MME位于控制平面，负责控制

    会话的建立；SGW是连接E-UTRAN的分组数据接口的终点，当终端在

    E-UTRAN中不同的e NB间移动时，SGW作为本地的移动锚点；PGW是

    连接分组数据网络的分组数据接口的终点，作为连接外部分组数据网络

    的锚点，PGW 还支持策略增强功能(如图2-1中的PCRF(策略与计费

    规则功能)单元)以及分组过滤和增强的计费功能；HSS用于用户数据

    管理。4G EPC核心网中已不再有电路域部分，所有的业务，包括语音

    均承载在IP分组数据域上。MME通过与HSS的交互完成用户的接入控

    制，并负责SGW与基站之间的路由协商。SGW专注于数据面处理，GTP的封装、解封装、上下行GTP数据报文的转发等(图2-1中的SGSN

    是2G3G移动网络中的服务GPRS支持节点)。

    图2-1 EPS整体网络架构

    从图2-1可以看出，LTE核心网控制面与数据面并未完全分离，控制

    功能较为集中，存在以下局限性[2]。

    数据面功能集中在LTE网络与互联网边界的PGW上，要求所有数据

    流必须经过PGW，即使是同一小区用户间的数据流也必须经过PGW，给网络内部新内容应用服务的部署带来困难；同时也对PGW的性能提出了更高的要求，且易导致PGW成为网络吞吐量的瓶颈。

    网关设备控制面与数据面耦合度高，导致控制面与数据面需要同步

    扩容，由于数据面的扩容需求频度通常高于控制面，二者同步扩容在一

    定程度上缩短了设备的更新周期，同时带来设备总体成本的增加。

    用户数据从PGW到e NB的传输仅能根据上层传递的Qo S参数转

    发，难以识别用户的业务特征，导致很难对数据流进行更加灵活精细的

    路由控制。

    控制面功能过度集中在 SGW、PGW，尤其是 PGW 上，包括监

    控、接入控制、Qo S控制等，导致PGW设备变得异常复杂，可扩展性

    差。

    网络设备基本是各设备商基于专用设备开发定制而成的，运营商很

    难将由不同设备商定制的网络设备进行功能合并，导致灵活性变差。

    如第1章所述，5G时代业务种类更加丰富，且业务对网络能力的要

    求更加多样化，很多要求之间是相互冲突的。因此5G网络除了要有新

    的无线接入技术外，必须要有全新的网络架构来适应各种业务的多种需

    求。业务种类的多样化和用户需求的快速变化，要求未来的网络能够与

    业务解耦，且具备足够的灵活性和可扩展性以适应业务的发展。

    2.2 欧洲METIS 5G架构

    欧洲第七框架计划下的构建2020年信息社会的无线通信关键技术

    (Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-Twenty

    Information Society，METIS)项目发布的D6.4文档是关于5G架构的报

    告[3]。该报告从功能架构、逻辑编排和控制架构、拓扑和功能部署架构

    3 个角度阐述了对未来 5G 网络架构的理解。其中功能架构基于下述两个因素设计：METIS项目的横向主题(horizontal topic,HT)[4]

    概念指出

    的新功能(自顶向下分析)以及METIS项目工作包(work package)[4]

    提供的最相关技术组件的功能拆分(自底向上分析)。功能架构的目的

    是为研究新的5G网络功能打下基础。功能架构针对最有前景的METIS

    技术组件分析和描述了功能模块以及它们在功能架构中扮演的角色。逻

    辑编排和控制架构显示了在设置和实现网络功能时如何实现灵活性、可

    拓展性及以业务为导向。因此，逻辑编排和控制架构是连接功能架构与

    拓扑和功能部署架构的中间桥梁。最后，拓扑和功能部署架构给出了具

    体的网络功能部署的可能选项，即网络功能设置和实施后的最终系统形

    态。

    上述3种架构之间的关系可以用如图2-2所示的抽象示意图来表示。

    功能架构为基础，经过编排和控制，根据场景选择恰当的部署架构选

    项。

    图2-2 METIS 5G多面架构描述抽象示意

    下面，首先从这3种架构来介绍METIS项目提出的5G网络架构，再

    进一步介绍5G系统功能部署方式以及4G和5G架构的差异。

    2.2.1 网络功能架构

    METIS的5G系统由4个高层构件组成，如图2-3所示，这些高层构件

    从宏观的角度构建了系统功能。

    图2-3 METIS系统高级构件

    1.中心管理实体(central management entity,CME)包括了网络的

    主要功能，并且不限于特定HT。CME可能主要位于中心站点，但是根

    据用例或业务，也可能分布式部署。

    2.无线节点管理(radio node management,RNM)包括提供无线功能的构件，这些无线功能影响多个无线节点并且不限于特定HT。这些

    功能放置在中间网络层(即Cloud-RAN，有特定任务的专用无线节

    点)。功能分布受接口需求影响。

    3.空中接口(air interface,AI)功能的位置(无线节点与终端)主

    要在较低的网络层，如直接在终端、天线站点或Cloud-RAN站点。

    4.可靠业务构件代表一个无线接入网中心实体，与其他高层构件

    都有接口，用来做可用性检查和提供超可靠链接。

    CME、RNM、AI高层功能构件又分别包含多个子功能构件，如图

    2-4所示。

    CME的子功能构件的说明见表2-1，RNM的子功能构件的说明见表

    2-2，AI的子功能构件的说明见表2-3。

    图2-4 METIS系统完整功能构件

    表2-1 CME的子功能构件

    表2-2 RNM的子功能构件

    表2-3 AI的子功能构件

    图2-5所示的逻辑编排和控制架构应用了如SDN、NFV及其扩展的

    未来架构技术趋势。逻辑组合控制架构根据HT的业务和网络功能需求

    提供必要的灵活性来实现功能模块的高效集成与协作，同时提供现有蜂

    窝无线网络演进所需的功能。为了方便说明逻辑编排和控制架构与功能

    架构之间的联系，使用了METIS系统的高层构件(如图2-3所示METIS

    系统高级构件)。功能架构形成了功能池的基础，流程与算法的细节均

    在功能池中进行定义。更进一步，功能池也可以包含其他未被METIS研

    究的功能模块，这些未在METIS功能架构中描述。

    图2-5 METIS5G系统编排和控制架构

    图2-5中描述的业务流管理(service flow management)的任务是通过网络基础结构分析服务并概况目标业务数据流的要求。这些分析与需

    求结果会与 5G 编排器(5G orchestrator)和5G-SDN控制器进行通信，5G编排器与5G-SDN控制器负责在最终功能部署中实现所需功能。业务

    流管理将应用业务的需求(如来自第三方服务提供者的需求)纳入考

    虑范围，例如可以通过专用的应用程序编程接口(API)来实现。这些

    需求可以是最大时延和或数据流路径上的最小带宽需求。这种架构使

    得根据需求定制虚拟网络(VN)成为可能，该虚拟网络使用共享的资

    源池并且允许控制面与用户面的有效业务自适应解耦(effective service-

    adaptive decoupling)，以优化整个业务传送链上的路由和移动性管理。

    网络功能可以由5G编排器灵活部署和构建(或实例化)，5G编排

    器的任务是绘制数据面与控制面到部署架构里物理资源间的逻辑拓扑

    (见第2.1.3节)，给每个服务绘制相应的逻辑拓扑。正如在ETSI规范[5]

    里定义的，编排器负责NFV实例资源组合与网络服务的生命循环管理；

    虚拟网络功能管理器(VFNM)负责VNF实例的生命循环管理。此外，VNF拓扑逻辑在ETSI的规范中被称为转发图。虚拟基础设施管理器

    (VIM)负责控制和管理网络资源(计算和存储资源)，并且收集性能

    测量结果与事件。

    METIS编排和控制架构同时控制VNF与非VNF(即运行在依靠硬件

    加速器的非虚拟化平台上的网络功能)，它覆盖了所有5G网络功能，包括无线、核心和业务层。5G编排器的功能以ETSI规定的NFV原则为

    基础，增加了5G特定的扩展功能。

    在逻辑编排和控制架构中，无线网络实体(RNE)与核心网络实体

    (CNE)是逻辑节点，它们有可能在不同的软件与硬件平台(非虚拟化

    的及虚拟化的)上实现。在图2-5的RNE和CNE模块中给出了不同平台

    示例。不同RNE之间的通信(包括无线终端)，会存在由多种构件和功

    能单元组成的灵活的协议和空中接口(或空中接口选项)。这里，灵活的协议意味着一些协议的功能可以根据目标业务在相关用例场景下的需

    求进行配置或替换。例如，在为目标业务定制的虚拟网络切片内，协议

    功能可以进行优化和链接。此外，协议应该允许灵活的设计，以支持空

    中接口(或空中接口选项)针对不同的5G用例场景的可配置性，例

    如，利用一些无线终端设备的RRC信令的帮助。可以预期，为RNE设计

    的硬件平台将会在一定程度上支持虚拟化，但是如UDN的小蜂窝节点这

    样的低成本设备，或许会由于成本原因，没有或仅有很有限的功能虚拟

    化能力。与之相反的，为NE设计的计算平台会支持基于虚拟化概念的

    网络功能灵活部署。事实上，这种变化已经发生在4G系统的核心网部

    分，MME、SGW和PGW正在作为VNF实现。

    值得注意的是，按照惯例，集中无线接入网络基础设施包含基带单

    元(BBU)。这相当于逻辑编排与控制架构的RNE。然而，由于5G预

    期的灵活性，一些核心网功能也可以被移至实现RNE的物理节点(例如

    靠近接入节点部署AAA和移动性管理功能，以减少时延)。

    上述以服务为导向的虚拟网络的实现与控制，是由两个5G组之外

    的逻辑实体所控制的，也就是如下两方面内容。

    以业务为导向的拓扑管理器(STM)运用环境信息(即服务请求和

    网络状态信息)来决定通过FA功能池(function pool)要求部署数据面

    还是用户层。因此，考虑到底层的物理网络资源与物理网络拓扑，STM

    决定这些功能在拓扑逻辑中的位置以及它们之间的逻辑接口。

    以服务为导向的处理器(SPM)将STM中定义的数据面与控制面的

    功能实体化。这些功能是通过功能代理在CNE与RNE实现的(Fu

    Ag)。

    在5G逻辑组合控制架构中的另一个元素是5G-SDN控制器，它会根

    据配置组合来建立物理层上的服务链。控制器(可能当作VNF来部署)

    然后设计数据面处理数据流的处理过程，即它在物理层搭建起连接CNE

    与RNE的服务链。因此，它通过分解类似移动管理的特定无线功能来安装交换元件(SE)(即根据Open Flow)。

    灵活性不仅受物理网络元件的限制，还受特定节点预编码加速器限

    制，即物理层硬件编码步骤。这些信息和功能由在RNE与CNE的Fu Ag

    来汇报并且由5G编排器纳入考虑范围。

    5G 编排器不运行控制面功能如无线资源管理，而是去组合优化逻

    辑拓扑与相关物理网络资源。数据面与控制面的功能是由功能性架构提

    供的。正如下一节将要讨论的，控制面功能可以根据分类灵活的组合在

    RNE和CNE之中，即同步或异步的控制面和数据面功能。

    2.2.2 拓扑和功能部署架构

    为了评估影响网络部署的不同方面，图2-6介绍了一个端到端

    (E2E)参考网络，用于讨论功能部署结构的灵活性。该网络参考显示

    了不同类型的站点是怎样根据接入、聚合和电信运营商的核心网络来被

    定位的。该模型包括很多设备(例如：终端设备、D2D 群组)、天线站

    (例如：宏远程广播单位(RRU)、小蜂窝、中继节点、群节点)、无

    线基站(RBS)(例如：宏基站基带单元(BBU))、接入站(中心

    局)和网络中上级的连续节点(例如聚合、本地交换机和国家级的能部

    署不同网络功能的站点)。

    图2-6 METIS端到端参考网络

    不同的网络功能都能被部署在所有这些代表着物理位置的站点上。

    在图2-6 中，端对端(E2E)网络的拓扑和部署被呈现出来。首先，这

    个由METIS HT组成的接入网络是很突出的，表明了METIS项目的焦点

    所在。随后，关于聚合与核心网络的说明用各自的网络元素来展示，例

    如，在树和环中的数据中心和网络链路连接。在这个参考功能部署结构

    中，关于一个固定的和移动聚合的网络的观点早已被考虑，因为这是对

    METIS中预期的综合系统的基本保证。关于影响功能部署的方面，哪里和怎样部署某些网络功能的问题会

    很大程度上依赖于功能和应用的需求以及网络拓扑。

    重要的功能需求包括：

    接口和处理时延；

    时间同步(例如：在空中接口的层面上)；

    接口的带宽要求；

    处理的扩展(例如：关于用户层的吞吐量)。

    重要的网络拓扑有：

    可用的传输网(例如：光纤、无线回传网络)；

    不同站点的位置；

    这些站点的设备；

    在这种方案中的集中化与分散化的需求与收益(例如：中继增益、先进的协调设计、成本节省)。

    5G 网络将满足很多不同的功能需求、不同的网络拓扑和特殊应用

    需求。这样，当策划新的网络服务时，功能结构应能立即支持灵活的功

    能部署，例如：对于扩大或减少网络资源，NFV和SDN的使用将会扮演

    一个关键的角色用来保证这种灵活性。

    为了给端到端的灵活部署提供基础，进一步将无线接口相关的网络

    功能分为同步的和异步的网络功能。

    聚焦于无线功能和它们接口的需求，这种分级倾向于突出对于某些

    功能部署的限制和简化不同的部署分析，例如：在一个部署站点的特定

    无线功能的集中处理。

    同步：无线网络功能的处理是与无线接口时间同步的。在接口，典

    型地需要高的数据速率，而速率随着通信量、全部的信号带宽和天线的

    数量增长(主要是关于用户层数据)。处理过程在每一个数据分组层发

    生。集中化的潜在的可能性被限制(例如：10～20 km)，因为它仅仅

    可能工作在低时延、高带宽的情况下。由于定时、实时处理的需求，虚拟化的可能性被限制，但可以从硬件加速中获益。同步无线网络能被分

    成：

    同步无线控制层功能，例如调度、链路自适应、功率控制、干扰协

    调等。

    同步无线用户层功能，例如重传混合自动重传、编码调制、分段

    串接无线帧等。

    异步：无线网络功能的处理是与无线接口时间异步的。它们在接口

    典型地需要低的数据速率，并且处理需求随用户的数量增长，而不是所

    有的通信量。这些功能能够典型地处理几十毫秒的时延。对于在集中

    化、虚拟化平台上的部署来说，这是很好的选择。异步无线网络能被分

    成以下两部分：

    异步无线控制层功能，例如蜂窝间切换、无线接入技术选择等。

    异步无线用户层功能，例如加密、用户层聚合(就像双重多重连

    接)等。

    作为对功能需求分析的补充，非同步的核心功能也会被考虑。核心

    网络功能可以被分为以下两部分：

    核心网络控制层功能，例如认证、环境管理和IP地址分配等。

    核心网络用户层功能，例如数据分组过滤、IP地址锚定等。

    基于这些考虑，图2-7说明了同步和异步功能的可能的灵活部署。

    精确的部署取决于服务需求和方案。注意：不同站点之间的典型的距离

    范围和各自的时延值只是一个基于当前网络实例的示例值。

    下面是METIS关于相关部署组合的列表，在不同的使用情况下，这

    些部署组合可以被考虑。可以说由METIS功能结构保证的灵活性允许部

    署所有的这些组合，每一种部署都有缺点和优点。

    (1)典型的LTE(无线网络功能在e NB，核心在中心站点)

    这种部署的优势在于它支持轻松的回程传输需求。在e NB之间的协

    调功能由X2接口使用，典型地处理在几十毫秒的基础上意味着它不可能支持多蜂窝共同处理。

    图2-7 同步和异步网络功能的可能部署示意

    (2)云无线接入网络(C-RAN)(无线网络功能在媒介网络层，核心在中心站点)

    这种部署的优势在于它有紧密的协调功能，例如共同处理时序安

    排。由于NFV的使用， C-RAN引进了更多的灵活性，在功能部署、BBU与RRU之间的功能分离而不是简单的集中化BBU方面。C-RAN的

    缺点在于它需要高带宽和对于前传链路(接入天线站点)的时延，另

    外，需要考虑C-RAN的规模如何适应无线带宽和天线数量增长。为了减

    少在MIMO情况下的射频链路的数量，可以使用混合模拟波束成形和数

    字预编码的方法。

    (3)分布式用户层核心网络功能(接入、媒介网络层)

    这种部署的优势在于它支持极低的时延并且可以处理和路由本地流

    量。某些核心网络功能被移到接入节点，例如，完成服务要求。

    (4)集中化异步无线控制和用户层

    这种部署的优势在于它只需简单的无线节点，因为它们会被一个在

    很高结构层(例如核心网络站点)上的中心实体控制，这个实体对异步

    无线控制和可能的面向其他节点的终端接口负责。和整个基带处理都是

    集中化的C-RAN相比，它的优势在于更低的传输速率和时延需求。

    (5)分配所有的无线电(例如：D-RAN)和核心网络功能

    这种部署的优势在于它支持一个完整网络的独立部署而不需要中央

    核心节点，某种程度上这种方式还能够增强网络弹性。另一方面，这种

    部署情况下，协作相关的特性依赖于节点间的接口来实现。

    由于METIS功能结构的灵活性，人们期望所有的这5种功能部署方

    案都会被5G系统支持。

    2.2.3 4G和5G架构比较4G与5G系统的体系架构存在着非常明显的不同。由3GPP定义的整

    个4G体系架构，主要是为了支持移动宽带应用。4G 网络架构被认为是

    网络概念和技术演进的最后一步，该概念和技术最初开发为支持

    ISDN，为了支持GSM移动和漫游而引入移动上下文，并进一步演进支

    持UMTS多业务。在某些方面的演化是巨大的，从以话音为主的电路交

    换网络过渡到数据交换的全IP网络，网络也发展到扁平架构。但，用于

    定义架构的设计原则并没有什么改变，主要是由于系统之间需要保持向

    后兼容性，同时也是因为技术的局限性。无线接入网络(RAN)功能与

    核心网络(CN)功能(接入层与非接入层)的分离，分组管理、会话

    管理以及移动性管理是不同代网络架构的共同特征。这样产生的层次结

    构基本保持不变，但都有一套新定义的接口和协议。用例的多样性必然

    需要一个5G架构，这比目前的4G架构更为灵活。同样，它也会更有

    效。新的模型，比如NFV和SDN，加上先进的计算和存储，提供一个对

    5G架构设计彻底反思的机会。尽管，这些新的模型也可以应用于4G网

    络架构，使之更为灵活，用更少的花费去部署，但开发这些技术的潜

    能，实现更大的灵活性，这就要求远离基于4G架构的设计原则。因

    此，METIS并没有局限于从现有的网络架构出发，而是寻找能够支持满

    足新的要求。

    5G架构利用了SDN和NFV原则，很清楚地从数据中分离出控制，同样，也从软件中分离出硬件。这意味着5G架构会非常地灵活，不仅

    能够支持用例多样性，而且能够高效而廉价地支持。

    5G架构的关键因素是以下几个方面。

    关注网络功能，而不是网络实体节点——自定义功能，在所需要

    的地方实现和运用。

    控制和数据的分离。

    向用例适配——对于不同的用例，并不是所有的网络功能都是需要

    的。网络功能可以为不同的用例有所变化。功能之间的接口，而不是网络实体之间的接口，旨在实现灵活性的

    同时避免进一步的复杂化。在这种情况下，功能之间的接口不再像软件

    接口那样需要协议，减少了标准化工作量。

    类似METIS应用于5G架构研究的方法也同样被其他组织如

    (NGMN和ARIB)采用。

    2.3 日本5G架构

    日本的ARIB 2020 and Beyond Ad Hoc Group于2014年10月8日发布

    了名为《Mobile Communications Systems for 2020 and Beyond》的白皮

    书[6]。该白皮书中给出了如图2-8所示的5G概念架构。

    最上层包含了应用及服务。包括系统管理支持等各种类型的服务均

    可被传输至单个公众用户、企业客户及移动通信基础网络运营商。移动

    通信应用与网络相关的操作可以通过网络控制面的编程而进行。

    图2-8 ARIB 5G网络概念

    图2-8给出了一种基于SDN的3层5G网络概念架构。

    中间的一层是网络控制平台，该层为上层的各类移动通信应用服

    务，执行面向应用系统的网络控制功能。此外，该控制器层也为底层的

    移动通信基础网络提供相关的服务。由于网络控制编程在软件定义的基

    础之上是可以配置的，从而具有自动化、动态化、灵活化、智能化以及

    可扩展化的网络操作优势。其中，通过层间接口来传输数据传送网络协

    议控制信息。

    最下面一层代表移动通信基础网络，主要是为移动通信核心网络以

    及无线接入网络提供端到端的数据传输支持。在移动通信核心网络，一

    些数据处理功能、组建及操作参数可以通过一个共用的软件平台进行配置，这就是所谓的网络功能虚拟化(NFV)。NFV技术可以提供智能化

    的解决方案：对于SDN架构灵活及最优的网络控制的实现，NFV操作系

    统可以进行相应的智能化管理。

    未来以软件为导向的组网方式，加上基于云的各类服务，将为用户

    带来最好的Qo S以及Qo E，同时，还可以降低移动通信基础网络运营商

    的网络建设成本以及网络维护成本，并可起到节约能耗的效果。

    最后，该白皮书还在附录中给出了一种具体的 5G 网络架构设计示

    例，如图 2-9所示。

    如前面的5G概念架构中所述，上层代表了运行在高层和传输层的

    应用和业务域。具体包括了网络运维支持(例如流量管理支持、网络管

    理支持、签约支持)、可靠数据提供(例如物联网业务、内容分发业

    务、DPI业务、应急通信业务)和多媒体业务的多种应用。编排管理系

    统可以对运维管理和对各种业务的系统控制进行合并、调度和组织。

    图2-9 ARIB 5G网络概念模型示意

    中间层代表了一个集中的控制平台，该平台由一些网络控制软件模

    块组成。具体的控制模块包括接入控制、回传控制、路由控制、传输网

    络控制及核心网传输控制。这个网络控制平台向底层基础设施的用户面

    模块发送控制信令，同时通过应用编程接口(API)向上层应用和业务

    域发送网络相关的管理指令。SDN 控制器可以管理端到端的用户数据

    分组传输路径：依据每用户终端应用等方面的业务策略进行从多个基

    站通过合适的网络节点再到应用服务器之间的路由控制。

    底层代表了移动通信网络的基础设施，通过下至物理层，上至传输

    层的数据处理实现端到端的数据传输。用户面的数据处理由无线接入网

    (RAN)和核心网(CN)的控制面的一系列相关协议来控制。图2-9中

    的移动通信网络包括用户终端、接入网(RAN)、回传网络、传输网络

    和核心网。其中用户终端、接入网(RAN)以及回传网络是与接入技术相关的。核心网虚拟网元可以是虚拟化的EPC和IMS网元等，例如

    SGW、PGWSGSN、GGSN、P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF、网络应用

    (路由器、交换机、防火墙)MME、PCRF、HSSHLR等。

    2.4 韩国5G架构

    韩国的5G Forum于2015年3月底公布了一系列5G白皮书，在《5G

    Vision,Requirements,and Enabling Technologies V.1.0》[7]

    中，给出了如

    图2-10所示的5G核心网架构示意。

    该核心网架构关键点包括：

    5G核心网同时支持有线接入和无线接入；

    控制面与数据面分离，并且在虚拟环境下实现；

    只有一级的扁平化全分散网络架构；

    5G网关间接口支持无缝移动；

    同一个业务流可以通过多个RAT传输；

    位于基站的内容缓存和位于网关的内容业务缓存可以支持低时延

    业务。

    2.4.1 架构综述

    在5G网络中，有线业务和无线业务的性能差异不再显著。5G核心

    网同时支持有线接入和无线接入，业务可以在有线接入和无线接入之间

    自由移动。有线终端可以是 HDTV、PC和家庭Wi-Fi AP。这些终端连接

    到5G网关，从而支持有线和无线终端之间的无缝切换。

    无线接入可以直接连接宏基站或者5G网关。宏基站、小基站和2型

    WLAN都连接到5G网关。中继站和1型WLAN则连接到宏基站。小基站和宏基站的直连虽然未在图中体现，但是也是有可能的。对连接宏基站

    的无线接入可以进行更紧密的控制，并且可能可以提供和宏基站之间的

    快速切换。值得注意的是，1型WLAN和2型WLAN分别连接到宏基站和

    5G网关。

    控制面与数据面分离，并且在虚拟环境下实现。通过控制面与数据

    面的功能分离，可以在不改动物理网络基础设施的情况下，实施更多更

    丰富的应用和业务。

    图2-10 5G Forum 5G核心网架构

    2.4.2 数据面

    在数据面，可以由宏基站或者 5G 网关控制无缝移动。同一宏基站

    下的中继站和 1 型WLAN之间的移动由该宏基站控制。宏基站、小基

    站、2型WLAN、有线接入之间的移动由5G网关或者宏基站控制。宏基

    站和小基站负责层一层二转发，5G网关负责层三转发。同一个业务流

    可以通过多个RAT传输，支持端到端级、网关级和基站级的多流。这类

    似端到端级多流技术MAPCON和网关级多流技术IFOM。为了支持负载

    均衡和网关间无缝切换，需要5G网关到5G网关之间的接口。该网关间

    接口的目的是提供5G网关间的无缝移动，并使UE能够通过多个5G网关

    接收和发送一个或多个会话。

    2.4.3 控制面

    5G 核心网控制面在虚拟环境下实现。虚拟的逻辑网关包含网关的

    控制功能。逻辑网关控制多个网关数据面交换机。5G控制面包含两大

    功能模块。一个是无线资源信息功能模块，用来在所有可能的无线接入

    中选择最佳可用的无线接入。该功能模块具体包括监视多 RAT的无线

    资源情况、基于信道条件的宏基站—中继站拓扑等。另一个功能模块是地理位置信息模块，用来跟踪UE位置并识别该位置上的最佳可用无线

    接入。

    2.5 北美5G生态系统架构

    美洲移动通信行业组织4G Americas发布名为《4G

    Americas’Recommendations on 5G Requirements and Solutions》[8]

    的5G白

    皮书，该白皮书逐一分析了5G应用场景和需求，并指出了4G网络可能

    需要增强的方面，最后提出一些5G可能会采用的关键技术，但是并未

    给出明确的5G网络架构，而是给出了如图2-11所示的端到端5G生态系

    统架构示意。

    该5G生态系统架构实际给出了设计5G系统需要考虑的关键因素：

    设备方面，需要考虑新兴调制解调技术、上下文感知组网技术、终

    端设备直接通信技术；

    无线接入网方面，需要考虑高级干扰管理技术、大规模MIMO技

    术、安全技术、新兴调制解调技术、毫米波技术；

    核心网方面，需要考虑网络功能虚拟化(NFV)技术、安全技术、物联网技术、泛在存储和计算技术；

    应用方面，需要考虑安全技术、上下文感知组网技术、物联网技

    术、终端设备直接通信技术；

    在无线接入网和核心网的边界，需要考虑云无线接入网技术、灵活

    组网技术、物联网技术；

    在核心网和应用的边界，需要考虑物联网技术、全球移动互联网技

    术、云计算技术；

    在法律法规层面，也要考虑频谱划分、频谱共享、合法侦听、应急服务、可恢复性。

    图2-11 4G Americas端到端5G生态系统架构示意

    除此之外，该白皮书还指出了如下5G系统讨论工作的一些原则。

    根据对未来5G移动通信网络的定义以及相关需求的讨论，5G的发

    展必须包括例如空口、终端设备、传输以及分组核心网在内的整个生态

    系统。

    未来5G移动通信的发展需要在一个统一的框架下进行全球范围内

    的协调，并应在真正的技术进步、可行性研究、标准化以及产品研发方

    面给予充分的发展时间。

    投入未来5G移动通信系统的研发对美洲各国来说是至关重要的。

    至少在发展初期，尽量避免去争论什么才是5G移动通信系统。目

    前各大标准组织尚未发布任何描述和定义5G的文档或规范。

    对于5G移动通信系统的规划，应当考虑所有主要的技术驱动力。

    在5G移动通信系统真正可商用部署之前，如果有可能的话，应该

    把那些为了满足5G需求而研发的技术功能特性作为LTE-Advanced的扩

    展功能进行实施和部署。这将为收回4G投资赢得时间。

    关于LTE-Advanced的功能增强将持续至2018年。业界预期5G移动

    通信将于2020年前后进行初步部署。因此，无线传输接口方面的重大突

    破和改变同时可能伴随严重的后向兼容问题。

    2.6 NGMN 5G架构

    NGMN(Next Generation Mobile Network，下一代移动通信网络)

    是以运营商为主导推动新一代移动通信系统产业发展和应用的国际组

    织。NGMN 于 2015年 2月对外发布了《NGMN 5G White Paper》[9]

    ，该白皮书提出了NGMN的5G设计原则和5G架构。

    2.6.1 5G设计原则

    NGMN从无线、核心网、端到端、运维管理4个方面阐述了其5G设

    计原则，并给出了如图2-12所示的5G设计原则关系。

    2.6.1.1 无线设计原则

    (1)利用频谱(leverage spectrum)

    应当开发更高频段(例如厘米波和毫米波)和非许可频段，作为可

    使用的空白许可低频段的补充。由于不同的频段有不同的特性，可以利

    用例如控制面用户面分离和上下行分离的概念来优化不同频段的使用。

    图2-12 NGMN 5G设计原则

    为了优化基于业务需求的频谱使用，应当设计使用灵活的双工模

    式，例如通过统一的帧结构。此外，在适当的场景下可以应用全双工来

    解决FDD(例如防护频带)和TDD(例如防护时间、同步)相关问题。

    即使实现技术限制了2020年之前可以获得的性能，在可以预见到实现技

    术未来发展的情况下，协议在设计之初也应当支持灵活全双工。

    除此之外，为了充分利用不同频段同时维持大带宽操作时高效的功

    率利用而不降低灵敏度，设备的射频能力必须增强。

    (2)低价高密度部署

    在极端密集场景下，由于部署是3D的并且站点协商变得更加困

    难，小区规划和协调部署将变得非常困难，并带来了次优站点。为了使

    密集部署经济可行，需要新的部署模型，例如整合第三方用户部署、多运营商共享部署。系统应当能够处理非规划的混乱部署和非预期干

    扰，在这样的部署情况下仍然能够发挥最大性能。网络因此需要设计成

    可适配各种不同(回传和前传)并且支持自动配置、优化和恢复能力，包括自我干扰管理和负载均衡。为了保证上述密集部署场景下用户移动时的无缝体验，需要增强的

    多层和多RAT协同以及频率间、小区间、波束间、RAT间的动态快速

    切换。为了支持这些控制能力，需要有效的终端速度检测和移动方向检

    测机制。

    此外，为在多厂商设备部署环境下支持上述特性，需要控制面功能

    和用户面功能之间的开放接口，使不同平台上的用户面功能都能够被通

    用的控制面功能控制。

    (3)干扰协调和消除

    大规模MIMO和Co MP将成为改善系统信噪比从而改善Qo S和整体

    频谱效率的关键。大规模MIMO和Co MP传输的最大可能优化性能依赖

    信道状态信息的获得。因此，在设计之初必须考虑获得必要信息的有效

    机制。考虑到LTE中已经有多种Co MP方式，从协调调度到联合传送，5G应当支持上述最有效的技术。因此5G网络架构应当支持根据传输网

    络能力灵活选择协作功能的位置，支持在中心位置区大范围优化收益和

    资源分配的回传时延潜在不良影响之间进行平衡。

    5G网络必须能够开拓任何可行的干扰消除机制，例如非正交多址

    接入NOMA联合高级接收机，可以带来有用的性能增益。

    (4)支持动态无线拓扑

    终端应当通过能够最小化电池消耗和信令数量的拓扑进行连接，同

    时不能限制它们在网络需要时的可视性和可达性。可穿戴式设备可以通

    过智能手机进行连接，也可以在智能手机电池耗尽后直接连接到网络。

    车辆上的有色玻璃、大规模传感器部署等扩展应用与集线设备高相关。

    在一些场景下可以利用D2D通信卸载网络流量。因此，无线拓扑应当基

    于上下文动态变化。为支持这个特性，需要统一的帧设计、联合无线拓

    扑不感知的标识设计、鉴权和移动过程。

    2.6.1.2 核心网设计原则

    为了以一种经济的方式支持多样化的用例和需求，系统设计应当不再采用4G中集成统一的设计思想，而应当针对移动宽带做优化。这意

    味着，需要重新考虑和设计例如承载、APN、大量隧道聚合和网关的模

    型。必选功能应当剥离为一个最小集，控制面与用户面功能应当尽量通

    过开放接口实现清晰的分离，以便按照需要部署。

    为了提供进一步的简化，与传统网元的互通也应当尽量减少，例如

    与2G3G网络电路域的互通。设计目标应当是一种对接入透明的汇聚核

    心网(即标识、移动性、安全性等方面与接入技术去耦合的)，在IP基

    础上整合了固定和移动核心网。

    2.6.1.3 端到端设计原则

    (1)灵活的功能和能力

    网络终端的功能和RAT配置应当根据用例进行剪裁，利用NFV和

    SDN概念。所以，网络应当支持网络功能的灵活组合、灵活分配和位置

    部署。网络功能可以支持在需要的时间需要的地点实现规模部署。当特

    定的功能或节点不可用时，例如由于灾难事件，系统应当支持故障弱化

    而不是全部业务中断。为了提高上述顽健性，状态信息应当从功能和节

    点中剥离出来，这样即使发生失败事件上下文也可以很容易地更改位置

    重新存储。

    5G 目标将尽可能地虚拟化网络功能，包括无线基带处理。尽管一

    些功能还将运行在非虚拟化平台上，例如为了满足代表技术发展水平的

    性能目标，这些功能也应当可以根据SDN原则使用控制面功能进行编程

    和配置。

    (2)支持创造新价值

    5G 应该可以充分开发网络来实现快速有效的新增值业务创新、探

    索不同的商业模式和机会。例如，大数据和上下文感知可以用于在市

    场、公众传输优化、城市规划等方面为第三方创造新价值。因此，网络

    设计必须能够简单有效地进行数据收集、存储和处理。

    为了进一步从可编程网络平台获益，应该开发和标准化在网络各种部位的合适的API。这使得第三方接入并培养实现不同的Xaa S商业模型

    成为可能。例如，这些API可以允许第三方接入业务快速创建、网络测

    量、网络跟踪、为了使实时无缝配置更改成为可能而需要的全面网络功

    能配置控制。

    (3)安全和保密

    除极端密集、动态无线拓扑和灵活功能分配这样的典范转移之外，安全是5G系统的一个基本价值主张并且必须是系统设计的一个基本组

    成部分。特别的，用户位置和标识必须防止被非法暴露。一些5G用例

    要求极度低时延包括初始化通话带来的时延。对于这些用例，应当避免

    多跳安全中的中间节点解密和重新加密数据。

    值得注意的是，端到端安全机制(例如SSL、VPN和HTTP2.0)越

    来越流行，这些安全机制在5G运营商域以外提供了附加安全保护。但

    是这可能增加网络内部和通信对端安全功能的不必要的重复。尽管如

    此，未来并不是所有的通信都能受到充分的端到端保护。因此灵活的架

    构有助于裁剪网络安全功能以适应具体应用的需要。

    2.6.1.4 运维和管理设计原则

    扩展的网络能力和灵活的功能分配不应当增加运维和管理的复杂

    度。流程应当尽可能地自动化，并且通过精心定义的开放接口来减少多

    厂商互通和互操作(漫游)问题。避免使用专用监视工具，网络功能

    (软件)应当嵌入监视能力。大数据分析应当驱动网络管理从响应模式

    改变为预测和主动操作模式。需要运营商级网络云编排器以保证网络的

    可获得性和可靠性。

    2.6.2 5G架构

    基于第2.6.1节提出的5G设计原则，NGMN给出了如图2-13所示的

    5G架构。该架构利用了硬件和软件的结构分离以及SDN和NFV提供的可编程能力。这样，5G架构是一个天然的SDNNFV架构，包括终端设

    备、(移动固定)基础设施、网络功能、增值能力和所有编排5G系统

    所需的管理功能。相关参考点提供API来支持多种用例、增值业务和商

    业模型。

    图2-13 NGMN 5G架构

    该架构包含3个层次和一个端到端管理编排实体。

    (1)基础设施资源层

    基础设施资源层由固移融合网络物理资源、5G 终端设备、网络节

    点和相关链路组成。其中，固移融合网络包括接入节点和云节点(可以

    是处理资源或者存储资源)。5G终端设备包括(智能)手机、可穿戴

    设备、CPE、物联网模块等。5G终端设备可以有多种可配置的能力，并

    且可以根据上下文成为中继集线节点或者计算存储资源。因此，5G终

    端设备也被作为可配置的基础设施资源来考虑。这些资源通过相关API

    展现给更高层次和端到端管理编排实体。这些API同时包含了性能和状

    态监视及配置功能。

    (2)业务使能层

    业务使能层是一个汇聚网络中要求的所有功能的集合。这些功能以

    模块化的架构组成模块形式存在，包括由软件模块实现的可以从数据库

    中下载到需求地点的功能模块和一组网络特定部位的配置参数，例如无

    线接入。这些功能和能力由编排实体通过相关API按照需求调用。对于

    特定功能，可以存在多种选项，例如同一功能的不同实例具有不同的性

    能或特性。与现在的网络相比，5G网络可以通过提供不同等级的性能

    和能力来更加细化区分网络功能(例如移动性功能可以根据需要分为游

    牧移动性、车辆移动性或者航空移动性)。

    (3)业务应用层

    业务应用层包含利用5G网络通信的具体的应用程序和服务，这些应用程序和服务可以来自运营商、企业、纵向市场或第三方。业务应用

    层与端到端管理和编排实体之间的接口允许为特定应用建立专有网络切

    片，或者将一个应用映射到已有网络切片。

    (4)端到端管理和编排实体

    端到端管理和编排实体是将用例和商业模型转换为实际网络功能和

    切片的连接点。端到端管理和编排实体为给定应用场景定义网络切片，连接相关网络功能模块，配置相关性能参数，并最终将这些映射到基础

    设施资源上。端到端管理和编排实体也管理上述功能的容量规模和地理

    分布。在特定商业模型下，端到端管理和编排实体具有让第三方(例如

    虚拟运营商和纵向市场)通过API和Xaa S规则创建和管理其自己的网络

    切片的能力。管理和编排实体的多样功能不是一个集成在片内的功能。

    管理和编排实体为一组模块化功能的组合，整合了例如NFV、SDN或者

    SON这样不同领域的优势。此外，管理和编排实体还将使用数据辅助的

    智能来优化业务组成和发布的方方面面。

    2.6.3 网络切片

    网络切片，也称为“5G切片”，支持以一种特定方式处理控制面和用

    户面来实现特定连接类型的通信业务。5G切片包括一组为特定用例和

    商业模型设定的5G网络功能和特定RAT设置的组合。因此，一个5G切

    片可以跨越网络所有领域：云节点上运行的软件模块，支持灵活功能放

    置的特定传输网络配置，一个专用无线配置甚至一个特定RAT和5G终

    端设备的配置。并不是所有的切片包含的功能都一样，甚至现在网络中

    认为不可或缺的基本功能在某些切片中也不再存在了。5G 切片的目的

    是仅提供用例必需的业务流处理功能，避免其他所有不必要的功能。切

    片概念背后的灵活性是扩展现有业务和开展新业务的关键。为了提供剪

    裁的业务，可以给第三方通过合适的API来控制切片部分方面的能力。图2-14给出了一个多5G切片在相同基础设施上共存的例子。例如，一个为典型智能手机设置的5G切片可以由网络上全面分布的完全功能

    实现。安全、可靠性和时延是支持自动驾驶用例的5G切片的关键。对

    于这样的切片，所有必要(可能是专有的)功能可以实例化在云边缘节

    点，包括由于时延约束导致的必要垂直应用。为了在云节点上搭载上述

    垂直应用，需要定义充分开放的接口。对于支持大规模物联网终端(例

    如传感器)的5G切片，一些(例如移动性相关的)基本的控制面功能

    可以不用，接入资源也可以采用竞争方式。除此之外也可以由其他专用

    切片平行运行以及一个通用切片为未知用例和业务流提供基础的尽力而

    为的连接。如果不考虑网络需要支持的各种切片，5G 网络应当包含保

    证在任何情况下网络都受控和安全运行的端到端功能。

    图2-14 5G切片

    特定切片专用基础设施资源和多个切片共享基础设施资源及功能两

    种方式都是需要的。一个共享功能的例子是无线调度器。一个RAT的调

    度器通常由多个切片共享，并且在5G切片分配资源和配置性能过程中

    扮演了决定性角色。调度器在现在网络中的实现通常是私有化的。尽管

    如此，还是需要定义一定程度的开放来实现对这个关键功能的充分控

    制。

    为了实现这样的5G系统架构，控制面和用户面功能应当彻底分

    离，利用SDN规则在二者之间定义开放接口。接入特定功能和接入无关

    功能之间也应当定义开放接口，这样其他固定和无线的接入技术在未来

    都可以轻易地整合到5G网络中。RRU和基带单元之间的前传接口也应

    当是开放和灵活的，提供多厂商互操作及良好的前向和后向兼容，同时

    减少传输带宽。此外，功能之间的接口也应当支持功能由不同厂商提

    供。

    这种系统架构下的一个重要考虑是功能要定义到什么粒度。越精细的粒度提供的灵活性越高，但同时可以带来显著的复杂度。对不同功能

    组合和切片实现的测试将会非常困难，也会出现更多的不同网络之间的

    互操作问题。因此，需要采用一个恰当的能够平衡网络灵活性和网络复

    杂度的粒度。这也将影响生态系统如何交付解决方案。

    2.6.4 5G系统组件

    5G无线接入技术族(5G RAT family，5GRF)：作为整个5G系统

    的一部分，5GRF是一套一起支持NGMN需求的一个或多个标准化的5G

    无线接入技术。

    5G无线接入技术(5G RAT，5GR)：5GR是5G无线接入技术族的

    一个无线接口组件。

    5G网络功能(5G network function，5GF)：5GF提供通过5G网络

    通信的特定能力。5GF通常是虚拟化的，但是一些功能也可以由5G基础

    设施使用特殊硬件来实现。5GF包括RAT特定功能和接入无关功能，包

    括用于支持固定接入的功能。5GF可以分为必选和可选两类。必选功能

    是那些所有用例必需的通用功能，例如鉴权和标识管理；可选功能是那

    些并非适用于所有用例的功能，例如，移动性功能(如切换)仅使用于

    移动宽带类用例而不使用于低端物联网类用例。

    5G基础设施(5G infrastructure，5GI)：5GI是5G网络的硬件和软

    件基础，包括用来支持网络功能模块提供5G网络能力的传输网络、计

    算资源、存储资源、射频单元和光缆。5GR和5GF使用5GI来实现。

    5G端到端管理和编排实体(5G end-to-end management and

    orchestration entity，5GMOE)：5GMOE创建和管理5G切片。它将用例

    和商业模型翻译到有形的业务和5G切片中，决定相关的5GF、5GR和性

    能配置，并将这些映射到5GI上。它同时还管理每个5GF的容量规模及

    地理分布以及OSS和SON。5G网络(5G network，5GN)：5GN包括支持与5G终端设备之间通

    信的5GF、5GR、相关的5GI(包括任何中继设备)及5GMOE。换句话

    说，当一个5GR使用5GI上实现的5GF的任意一个集合提供到5G终端设

    备的通信时，就实现了一个5GN。相反地，如果5GF通过一个非5GR提

    供到5G终端设备的通信时，这时创建的网络则不能作为5GN考虑。

    5G终端设备(5G device，5GD)：5GD是用于连接5GN获取通信业

    务的设备。5GD可以支持物联网机器和人类用户。

    5G系统(5G system，5GSYS)：5GSYS是由5GN和5GD组成的通

    信系统。

    5G切片(5G slice，5GSL)：5GSL是5GSYS内部为了支持特定类

    型用户或业务而裁剪建立的一组5GF和相关终端功能。

    2.7 中国IMT-2020 5G网络架构

    IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发

    展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架构基于原IMT-

    Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机

    构。推进组是聚合中国产学研用力量、推动中国5G移动通信技术研究

    和开展国际交流与合作的主要平台[10]。中国电信是IMT-2020(5G)推进

    组的核心成员单位之一。本节主要介绍IMT-2020(5G)推进组提出的“三

    朵云”5G网络架构以及中国电信提出的“三朵云”架构原型在系统实现和

    部署方面的考虑。

    2.7.1 “三朵云”概念架构

    中国IMT-2020(5G)推进组于2015年2月发布了“5G概念白皮书”[11]，该白皮书给出了如图2-15所示5G网络概念架构。

    未来的5G网络将是基于SDN、NFV和云计算技术的更加灵活、智

    能、高效和开放的网络系统。5G网络架构包括接入云、控制云和转发

    云3个域。接入云支持多种无线制式的接入，融合集中式和分布式两种

    无线接入网架构，适应各种类型的回传链路，实现更灵活的组网部署和

    更高效的无线资源管理。5G 的网络控制功能和数据转发功能将解耦，形成集中统一的控制云和灵活高效的转发云。控制云实现局部和全局的

    会话控制、移动性管理和服务质量保证，并构建面向业务的网络能力开

    放接口，从而满足业务的差异化需求并提升业务的部署效率。转发云基

    于通用的硬件平台，在控制云高效的网络控制和资源调度下，实现海量

    业务数据流的高可靠、低时延、均负载的高效传输[11]。

    基于“三朵云”的新型5G网络架构是移动网络未来的发展方向，但实

    际网络发展在满足未来新业务和新场景需求的同时，也要充分考虑现有

    移动网络的演进途径。5G 网络架构的发展会存在局部变化到全网变革

    的中间阶段，通信技术与IT技术的融合会从核心网向无线接入网逐步延

    伸，最终形成网络架构的整体演变。

    图2-15 5G网络架构

    上述“三朵云”网络架构的原型来自于中国电信最早在中国IMT-

    2020(5G)推进组网络技术工作组第三次会议上提出的如图2-16所示的“三

    朵云”5G网络架构愿景[12]。

    该架构提出，5G网络将是一个可依业务场景灵活部署的融合网

    络。在接入方面，5G网络可以支持蜂窝SDN、C-RAN、D-RAN、传统

    3G4G接入网、Wi-FiHEW等各种形态的接入技术网络，针对各种业务

    场景选择部署，通过灵活的集中控制配合本地控制及多连接等无线接入

    技术，实现高速率接入和无缝切换，提供极致的用户体验。网络功能和

    业务功能软件化，控制与转发进一步分离和独立部署，便于新功能和新业务的快速部署实施。通过网络功能虚拟化技术，实现通用网络物理资

    源的充分共享，合理分配按需编排资源，提高物理资源的利用率。通过

    网络虚拟化和能力开放，实现网络服务对第三方的开放和共享，提高整

    个蜂窝SDN的利用率，提供更加丰富的业务。图2-16中仅给出了一部分

    接入场景和网络控制功能模块的示意，这部分内容有待结合具体用例场

    景的需要继续深入研究。

    为了进一步深入阐述该架构的逻辑功能框架及部署考虑，后面章节

    结合中国电信的“三朵云”架构相关内容进行讲解。

    2.7.1.1 控制云

    控制云在逻辑上作为5G蜂窝网络的集中控制核心，由多个虚拟化

    网络控制功能模块组成。在实际部署时，控制云中的网络控制功能可能

    部署在集中的云计算数据中心，也可能分散部署在本地数据中心和集中

    部署的数据中心，一部分无线强相关控制功能也可能部署在接入网或接

    入节点上。网络控制功能模块从技术上应覆盖全部传统的控制功能以及

    针对5G网络和5G业务新增的控制功能，这些网络控制功能可以根据业

    务场景进行定制化裁剪和部署。具体地，网络控制功能可以包括无线资

    源管理模块、跨系统协同管理模块、移动性管理模块、策略管理模块、信息管理模块、路径管理SDN控制器模块、安全模块、传统网元适配

    模块、能力开放模块、网络资源编排模块MANO等。

    无线资源管理模块：系统内无线资源集中管理、虚拟化无线资源配

    置。

    跨系统协同管理：多RAT资源集中管理。

    移动性管理模块：跟踪用户位置、切换、寻呼等移动相关功能。

    策略管理模块：接入网发现与选择策略、Qo S策略、计费策略等。

    图2-1 6 5 G网络架构愿景原型

    信息管理模块：用户签约信息、大数据分析信息、会话信息和上下文等。

    路径管理SDN控制器模块：根据用户信息、网络信息、业务信息

    等选择业务流路径，并向转发云中的转发单元发送控制信令以实现业务

    流的路由。

    安全模块：认证授权等安全相关功能。

    传统网元适配模块：模拟传统网元，支持对现网2G3G4G网元的

    适配。

    能力开放模块：提供API对外开放基础设施、管道控制、增值服

    务、数据信息四大类网络能力。

    网络资源编排模块MANO：按需编排配置各种网络资源。

    其中，有两个值得进一步说明的模块，一个是能力开放模块，一个

    是网络资源编排模块MANO。

    能力开放模块更确切地说，是在控制云向上对外开放的边界，作为

    5G移动通信网络与网络能力需求方的接口。

    网络资源编排模块MANO是5G网络资源管理和控制的核心。该模

    块提供了可管、可控、可运营的服务提供环境，使得基础资源可以便捷

    地提供给应用，其本质是实现部署、调度、运维、管理。网络资源编排

    模块MANO包含了以下3个层次的子模块。

    Orchestrator：编排管理NFV基础设施和软件资源，在NFVI上实现

    网络服务的业务流程和管理。

    VNFM：VNF生命周期管理(如实例化、更新、查询、弹性)。

    VIM：控制和管理VNF与计算，存储和网络资源的交互及虚拟化的

    功能集。

    关于网络资源编排模块MANO更深入的介绍可以参考本书第3章。

    2.7.1.2 接入云(smart RAN)

    5G 网络接入云包含多种部署场景，主要包括宏基站覆盖、微基站

    超密集覆盖、宏微联合覆盖等，如图2-17所示。可以看出，在宏—微覆盖场景下，通过覆盖与容量的分离(微基站

    负责容量、宏基站负责覆盖及微基站间资源协同管理)，实现接入网根

    据业务发展需求以及分布特性灵活部署微基站。同时，由宏基站充当的

    微基站间的接入集中控制模块，对微基站间干扰协调，资源协同管理起

    到了一定帮助。然而对于微基站超密集覆盖的场景，微基站间的干扰协

    调、资源协同、缓存等需要进行分簇化集中控制。此时，接入集中控制

    模块可以由所分簇中一微基站负责或者单独部署在数据处理中心。类

    似，对于传统的宏覆盖场景，宏基站间的集中控制模块可以采用与微基

    站超密集覆盖同样的方式进行部署。

    图2-17 无线接入网覆盖场景

    未来5G接入网基于分簇化集中控制的主要功能主要体现在集中式

    的资源协调管理、无线网络虚拟化以及以用户为中心的虚拟小区3个方

    面，如图2-18所示。

    (1)资源协同管理

    基于接入集中控制模块，5G 网络可以构建一种快速、灵活、高效

    的基站间协同机制，实现小区间资源调度与协同管理，提升移动网络资

    源利用率，进而大大提升用户的业务体验。总体来讲，接入集中控制可

    以从如下几个方面提升接入网性能。

    干扰管理：通过多个小区间的集中协调处理，可以实现小区间干扰

    的避免、消除甚至利用。例如通过多点协同(coordinated multipoint,Co

    MP)技术可以使得超密集组网下的干扰受限系统转化为近似无干扰系

    统。

    网络能效：通过分簇化集中控制的方式，并基于网络大数据的智能

    化的分析处理，实现小区动态关闭打开以及终端合理的小区选择，在

    不影响用户体验的前提下，最大程度地提升网络能效。

    多网协同：通过接入集中控制模块易于实现对不同RAT系统的控制，提升用户在跨系统切换时的体验。除此之外，基于网络负载以及用

    户业务信息，接入集中空中模块可以实现同系统间以及不同系统间的负

    载均衡，提升网络资源利用率。

    图2-18 接入网分簇化集中控制的主要优势

    基站缓存：接入集中控制模块可基于网络信息以及用户访问行为等

    信息，实现同一系统下基站间以及不同系统下基站间的合作缓存机制的

    指定，提升缓存命中率，降低用户内容访问时延和网络数据流量。

    (2)无线网络虚拟化

    如前所述，5G为了能够满足不同虚拟运营商业务用户的差异化需

    求，需要采用网络虚拟化满足不同虚拟运营商业务用户的差异化定

    制。通过将网络底层时、频、码、空、功率等资源抽象成虚拟无线网络

    资源，进行虚拟无线网络资源切片管理，依据虚拟运营业务用户定制

    化需求，实现虚拟无线资源灵活分配与控制(隔离与共享)，充分适应

    和满足未来移动通信后向经营模式对移动通信网络提出的网络能力开放

    性、可编程性。

    (3)以用户为中心的虚拟小区

    针对多制式、多频段、多层次的密集移动通信网络，将无线接入网

    络的控制信令传输与业务承载功能解耦，依照移动网络的整体覆盖与传

    输要求，分别构建虚拟无线控制信息传输服务和无线数据承载服务，进

    而降低不必要的频繁切换和信令开销，实现无线接入数据承载资源的汇

    聚整合；同时，依据业务、终端和用户类别，灵活选择接入节点和智能

    业务分流，构建以用户为中心的虚拟小区，提升用户一致性业务体验与

    感受。

    2.7.1.3 转发云

    5G网络转发云实现了核心网控制面与数据面的彻底分离，更专注

    于聚焦数据流的高速转发与处理。逻辑上，转发云包括了单纯高速转发单元以及各种业务使能单元(防火墙、视频转码器等)。传统网络中，业务使能网元在网关之后呈链状部署，如果想对业务链进行改善，则需

    要在网络中增加额外的业务链控制功能或者增强PCRF网元。在5G网络

    的转发云中，业务使能单元改善为与转发单元一同网状部署，一同接收

    控制云的路径管理控制。此时，转发云根据控制云的集中控制，实现

    5G 网络能够根据用户业务需求，软件定义每个业务流转发路径，实现

    转发网元与业务使能网元的灵活选择。除此之外，转发云可以根据控制

    云下发的缓存策略实现受欢迎内容的缓存，从而减少业务时延、减少移

    动往外出口流量、改善用户体验。

    为了提升转发云的数据处理和转发效率等，转发云需要周期或非周

    期地将网络状态信息通过API上报给控制云进行集中优化控制。考虑到

    控制云与转发云之间的传播时延，某些对时延要求严格的事件需要转发

    云本地进行处理。

    2.7.1.4 网络功能虚拟化

    “三朵云”网络架构支持按照场景用例在共用的网络基础设施之上实

    现虚拟的端到端网络，即整个网络功能的虚拟化，这样的一个虚拟端到

    端网络也可以称为一个网络切片。

    网络虚拟化和虚拟网络的管理，即网络切片的生成和管理，由控制

    功能MANO来提供。5G网络中的MANO系统基于标准NFV架构中的

    MANO框架实现，并在此基础上增加5G特定的管理功能和接口。在每

    个网络切片内，首先根据实际场景用例需要选择合适的网络功能(例如

    合适的 RAT、合适的接入控制模块、必需的通用网络控制功能、业务

    特定的网络控制功能、业务特定的业务使能模块等)，然后通过

    MANO系统在合适的地理位置的网络基础设施上创建这些网络功能模块

    并分配合适的资源规模，同时建立模块之间的连接关系，并且根据实际

    业务量在时间维度和空间维度对上述网络资源的分配进行动态调整。2.7.2 系统参考架构

    图2-19给出了一种5G系统参考架构示例。

    基于NFV框架和SDN思想的5G系统参考架构，能够支持5G概念架

    构的实现和部署。

    图2-19的A区是接入网，可以支持物理基站和虚拟基站的混合组

    网。其中虚拟基站基于虚拟化技术的虚拟接入网，在真实的空口资源、物理计算资源、物理存储资源和物理网络资源池上，通过虚拟化中间

    件，形成虚拟的空口资源、虚拟计算资源、虚拟存储资源和虚拟网络资

    源，并在这些虚拟资源之上，以软件模块的方式，加载干扰协调、小范

    围移动性管理、跨系统资源协同等无线接入相关的控制功能模块，也可

    以重点加载与无线链路快速变化相关的管理功能，而全局性的无线管理

    设置在B区的集中控制器实现。

    图2-19的B区是基于虚拟化技术的虚拟网络控制面，在真实的物理

    计算资源、物理存储资源和物理网络资源池上，通过虚拟化中间件，形

    成虚拟计算资源、虚拟存储资源和虚拟网络资源，并在这些虚拟资源之

    上，以软件模块的方式，加载大范围移动性管理、策略管理、信息管

    理、路径管理SDN 控制器、安全、传统网元适配等核心网控制功能模

    块以及全局性的无线接入网控制功能模块。其中，路径管理SDN控制

    器模块通过逻辑接口连接A区接入网、B区转发面，实现对业务流转发

    路径的控制。

    图2-19 系统参考架构

    图2-19的C区是转发面，可以支持虚拟转发单元和物理转发网元的

    混合组网。其中虚拟转发单元在真实的物理计算资源、物理存储资源和

    物理网络资源池上，通过虚拟化中间件，形成虚拟空口资源、虚拟计算

    资源、虚拟存储资源和虚拟网络资源，并在这些虚拟资源之上，以软件

    模块的方式，加载5G交换机和各种业务使能模块。图2-19的D区是虚拟资源网管MANO系统。在ETSI规定的标准的

    MANO系统功能之上，5G的MANO系统还可以针对5G的网络功能和业

    务需求进行增强。MANO系统可以对虚拟的接入网、虚拟的控制面和转

    发面的网络资源进行编排配置，例如根据业务需求对特定网络功能模块

    进行设置和删除，根据业务量对特定网络功能模块进行扩容、缩容等。

    图2-19中在MANO系统的上方，有一个网络能力开放平台，该平台

    向上提供API供网络能力需求方调用。网络能力开放平台与MANO系

    统、接入网、控制面、转发面均有接口。一方面将可以开放的网络能力

    信息提供给网络能力需求方，另一方面将网络能力需求方对网络的具体

    需求输入网络中。经过一定的授权验证后，对网络资源的需求(例如需

    要的计算处理能力及网络带宽等)将通过MANO系统反映到网络资源的

    编排上；对流量的控制(例如Qo S控制策略)、对信息的需求(例如大

    数据分析结果)将直接通过网络控制面实现。增值业务的提供则更多地

    体现在网络业务使能及业务内容交互(例如缓存内容)等。

    未来可能出现的新的网络控制功能和业务单元均可以以软件模块的

    形式，灵活地加载到虚拟网络中。这里不再累述。

    2.7.3 部署架构示例

    2.7.3.1 整体部署架构 ......