5G网络架构设计与标准化进展

悦读院 2016-05-10

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5G网络架构设计与标准化进展

2016-05-01 朱浩，项菲 5G

作者单位：中国信息通信研究院；国家计算机网络应急处理协调中心。

摘要
Abstract

5G网络的发展不必拘泥于革命或演进的选择，而是由两种设计思想共同作用的合力来推动。

随着5G愿景和概念逐渐地清晰，业界越发意识到网络技术发展对5G系统的重要价值。5G网络旨在以高性能和高效能为目标重构全网架构和服务体系，支撑5G指标和场景，满足高效运营的要求。

本文引入了“自顶向下”的设计方法，从5G场景与需求与网络挑战映射分析入手，梳理了5G架构发展方向，描述5G概要级网络架构和基础设施框架，并对不同功能平面的架构方案具体展开，提出5G网络核心功能—网络切片，在最后对5G网络标准化推进节奏进行了总结，提出的架构方案能匹配5G业务和运营需求，对5G网络后续研究工作具有推动作用。

1、5G网络概要级框架

1）5G需求与网络功能映射

5G愿景定义了更丰富的业务场景和全新的业务指标，5G系统不能囿于单纯的空口技术换代和峰值速率提升，需要将需求与能力指标要求向网络侧推演，明确现网挑战和发展方向，通过网络侧的创新提供支撑，见表1。

表1 5G愿景、现网挑战与架构演进方向映射

（1）指标方面

首先，业务速率随用户移动和覆盖变化而改变是移动通信系统的基础常识，无法提供稳定的体验速率支持，需要改变传统的“终端一基站”一对一传输机制，引入联合多站点协同来平滑和保证速率；

其次，毫秒级时延是另一个挑战，当前网关和业务服务器一般部署在网络中心，受限于光传输速率，网内传输时延大多是百毫秒量级，远超5G时延要求，需要尽可能将网关和业务服务器下沉到网络边缘，此外，4G定义的实时业务切换中断时间（300 ms）也无法满足5G高实时性业务要求，这意味需要引人更高效的切换机制；

最后，现网限于中心转发和单一控制的功能机制，在高吞吐量和大连接的背景下会造成更大的拥塞和过载风险，这要求5G网络控制功能更灵活，流量分布更均衡。

（2）运营能效方面

4G网络主要定位在互联网接入管道，长期形成了重建设、轻运维的定式，简单化的运营手段难以适应5G物联网和垂直行业高度差异化的要求。

与此同时，基于专用硬件的刚性网络设备平台资源利用率低，不具备动态扩缩容能力。这要求网络侧需要引入互联网灵活快速的服务理念和更弹性的基础设施平台。

2）5G网络逻辑功能框架

5G网络采用基于功能平面的框架设计，将传统与网元绑定的网络功能进行抽离和重组，重新划分为3个功能平面：接入平面、控制平面和数据平面（如图1所示）。

图1 5G网络概要级系统框架

网络功能在平面内聚合程度更高，平面间解藕更充分。其中，控制平面主要负责生成信令控制、网管指令和业务编排逻辑，接入平面和数据平面主要负责执行控制命令，实现对业务流在接入网的接入与核心网内的转发。各平面的功能概述如下。

（1）接入平面

涵盖各种类型的基站和无线接入设备，通过增强的异构基站间交互机制构建综合的站间拓扑，通过站间实时的信息交互与资源共享实现更高效的协同控制，满足不同业务场景的需求。

（2）控制平面

为5G新空口和传统空口提供统一的网络接口。控制面功能分解成细粒度的网络功能组件，按照业务场景特性定制专用的网络服务，并在此基础上实现精细化网络资源管控和能力开放。

（3）数据平面

核心网网关下沉到城域网汇聚层，采取分布式部署，整合分组转发、内容缓存和业务流加速能力，在控制平面的统一调度下，完成业务数据流转发和边缘处理。

3）5G基础设施平台

5G网络将改变传统基于专用硬件的刚性基础设施平台，引入互联网中云计算、虚拟化和软件定义网络等技术理念，构建跨功能平面统一资源管理架构和多业务承载资源平面，全面解决传输服务质量、资源可扩展性、组网灵活性等基础性问题。

网络虚拟化实现对底层资源的统一“池化管理”，向上提供相互隔离的有资源保证的多租户网络环境，是网络资源管理的核心技术。

引入这一技术理念，底层基础设施能为上层租户提供一个充分自控的虚拟专用网络环境，允许用户自定义编址、自定义拓扑、自定义转发以及自定义协议，彻底打开基础网络能力。

引入软件定义网络的技术理念：

在控制平面，通过对网络、计算和存储资源的统一软件编排和动态调配，在电信网中实现网络资源与编程能力的衔接；

在数据平面，通过对网络的转发行为进行抽象，实现利用高级语言对多种转发平台进行灵活的转发协议和转发流程定制，实现面向上层应用和性能要求的资源优化配置。

2、5G网络架构技术方向

1）5G接入平面—异构站间协同组网

面向不同的应用场景，无线接入网由孤立管道转向支持异构基站多样（集中或分布式）的协作，灵活利用有线和无线连接实现回传，提升小区边缘协同处理效率，优化边缘用户体验速率。图2描绘了涉及的组网关键技术。

图2 异构站间组网关键技术

（1） C-RAN

集中式C-RAN组网是未来无线接入网演进的重要方向。在满足一定的前传和回传网络的条件下，可以有效提升移动性和干扰协调的能力，重点适用于热点高容量场景布网。

面向5G的C-RAN部署架构中，远端无线处理单元RRU汇聚小范围内RRU信号经部分基带处理后进行前端数据传输，可支持小范围内物理层级别的协作化算法。

池化的基带处理中心集中部署移动性管理，多RAT管理，慢速干扰管理，基带用户面处理等功能，实现跨多个RRU间的大范围控制协调。利用BBURRU接口重构技术，可以平衡高实时性和传输网络性能要求。

（2）D-RAN

能适应多种回传条件的分布式D-RAN组网是5G接入网另一重要方向。在D-RAN组网架构中，每个站点都有完整的协议处理功能。

站点间根据回传条件，灵活选择分布式多层次协作方式来适应性能要求D-RAN能对时延及其抖动进行自适应，基站不必依赖对端站点的协作数据，也可正常工作。分布式组网适用于作为连续广域覆盖以及低时延等的场景组网。

（3）无线mesh网络

作为有线组网的补充，无线mesh网络利用无线信道组织站间回传网络，提供接人能力的延伸。无线mesh网络能够聚合末端节点（基站和终端），构建高效、即插即用的基站间无线传输网络，提高基站间的协调能力和效率，降低中心化架构下数据传输与信令交互的时延，提供更加动态、灵活的回传选择，支撑高动态性要求场景，实现易部署、易维护的轻型网络。

2）5G数据平面—网关与业务下沉

如图3中(a)部分所示，通过现有网关设备内的控制功能和转发功能分离，实现网关设备的简化和下沉部署，支持“业务进管道”，提供更低的业务时延和更高的流量调度灵活性。

图3 核心网功能重构

通过网关控制承载分离，将会话和连接控制功能从网关中抽离，简化后的网关下沉到汇聚层，专注于流量转发与业务流加速处理，更充分地利用管道资源，提升用户带宽，并逐步推进固定和移动网关功能和设备形态逐渐归一，形成面向多业务的统一承载平台。

IP锚点下沉使移动网络具备层三组大网的能力，因此应用服务器和数据库可以随着网关设备一同下沉到网络边缘，使互联网应用、云计算服务和媒体流缓存部署在高度分布的环境中，推动互联网应用与网络能力融合，更好地支持5G低时延和高带宽业务的要求。

3）5G控制平面—网络控制功能重构

网关转发功能下沉的同时，抽离的转发控制功能（NF-U）整合到控制平面中，并对原本与信令面网元绑定的控制功能（NF-C）进行组件化拆分，以基于服务调用的方式进行重构，实现可按业务场景构造专用架构的网络服务，满足5G差异化服务需求，如图3中（b）所示。控制功能重构的关键技术主要包括以下方面。

（1）控制面功能模块化梳理控制面信令流程，形成有限数量的高度内聚的功能模块作为重构组件基础，并按应用场景标记必选和可选的组件。

（2）状态与逻辑处理分离对用户移动性、会话和签约等状态信息的存储和逻辑进行解藕，定义统一数据库功能组件，实现统一调用，提高系统的顽健性和数据完整性。

（3）基于服务的组件调用按照接人终端类型和对应的业务场景，采用服务聚合的设计思路，服务引擎选择所需的功能组件和协议(如针对物联网的低移动性功能)，组合业务流程，构建场景专用的网络，服务引擎能支持局部架构更新和组件共享，并向第三方开放组网能力。

3、5G网络服务—端到端网络切片

网络切片利用虚拟化技术将通用的网络基础设施资源根据场景需求虚拟化为多个专用虚拟网络每个切片都可独立按照业务场景的需要和话务模型进行网络功能的定制剪裁和相应网络资源的编排管理，是5G网络架构的实例化。

网络切片打通了业务场景、网络功能和基础设施平台间的适配接口。通过网络功能和协议定制，网络切片为不同业务场景提供所匹配的网络功能。

例如，热点高容量场景下的C-RAN架构，物联网场景下的轻量化移动性管理和非IP承载功能等。

同时，网络切片使网络资源与部署位置解耦，支持切片资源动态扩容缩容调整，提高网络服务的灵活性和资源利用率。切片的资源隔离特性增强整体网络健壮性和可靠性。

一个切片的生命周期包括创建、管理和撤销3个部分。

如图4所示，运营商首先根据业务场景需求匹配网络切片模板，切片模板包含对所需的网络功能组件，组件交互接口以及所需网络资源的描述;上线时由服务引擎导人并解析模板，向资源平面申请网络资源，并在申请到的资源上实现虚拟网络功能和接口的实例化与服务编排，将切片迁移到运行态。网络切片可以实现运行态中快速功能升级和资源调整.在业务下线时及时撤销和回收资源。