浅谈我国 5G网络架构分析与研究

　　摘 要： 5G网络架构采用革命性架构设计，接入层通过引入 CU/DU功能实体大规模降低网络处理时延，从而满足低时延高可靠业务、高速数据业务需求；核心网通过网络切片实现各业务场景功能分区，实现各业务场景的功能需求。 文章对 5G网络架构进行了详细分析，为后期 5G网络搭建提供一定基础。  　　关键词：网络架构；网络切片；雾计算； SDN/NFV  5G可以分三种应用场景：增强移动宽带（ eMBB）、低时延高可靠网络（ URLLC）、海量大连接（ mMTC）。各场景在移动性、计费、安全、策略控制、延时、可靠性等方面有各不相同的要求，使得原有 4G网络架构已经不能满足 5G网络需求， 5G网络架构采用革命性的网络架构。 　　 1 5G需求对网络架构挑战  　　 5G技术相较于 4G技术具有更高的性能指标，涵盖从低速到高速（ 0.1～ 1Gbps）用户体验速率、高密度连接数（ 100万 /km2）、移动性（ 500km/小时）、毫秒级数据时延及最高峰值速率达 10Gbps。其中，用户体验速率、连接数密度和时延为 5G最基本的三个性能指标。  　　在 4G及其以前移动网络，网络主要服务于移动手机终端。在 5G时代，移动网络需要服务于各种类型和需求的终端设备。 5G可以分三种应用场景：增强移动宽带（ eMBB）、低时延高可靠网络（ URLLC）、海量大连接（ mMTC）。他们都需要不同类型的网络，在移动性、安全性、用户策略控制、延时、可靠性等方面有各不相同的要求，这样使得 5G网络架构相较于 4G网络更复杂。  　　 2 5G网络架构及单元介绍  　　 2.1 5G网络架构介绍  　　在 5G网络架构设计中，总体思路是接入网设备集中化、协作化，大规模部署 C-RAN，在控制面信令处理方面可以极大减少信令交互时延， 5M足未来移动通信对低时延高可靠性业务的需求。在业务层面， C-RAN结构可以实现网络中的负荷分担，缓解部分场景中存在的话务潮汐分布对网络资源的消耗实现网络资源的最大化利用，从而节省网络建设投资。  　　 2016年 11月中国移动研究院联合国内外部分设备上和芯片厂商发布了“迈向 5G C-RAN：需求、架构与挑战”白皮书。其中写到，“面向 5G，基于集中 /分布单元 CU/DU（ Centralized Unit/Distributed Unit）的两级架构也已经被业界所认可，这一网络架构与无线云化的结合，构成了 5G C-RAN的两个基本要素”。下图 1所示为 5G网络架构图。  　　相较于 4G网络架构接入网的基础处理单元 BBU被重构为 CU（ Centralized Unit，集中式单元）和 DU（ Distributed Unit，分布式单元）两个功能实体。  　　 2.2 CU/DU  　　 CU设备主要处理无线高层协议栈，如 RRC层， PDCP层等，甚至也能够支持部分核心网功能下沉至接入网即雾计算，满足未来通信网络对于新兴业务如视频会议、虚拟 /增强现实、网购等对于时延敏感业务，也正是由于通信网元，结构的变化，导致协议栈都会进行相应的调整变化，因此对于下一代网络的命名， 5G NR（ New Radio）也形象的说明了将来 5G网络自身多方面颠覆性的变化。  　　 DU设备主要处理物理层功能和实时性需求较高的层 2功能，考虑到 RRU与 DU的传输资源，部分 DU的物理层功能可以上移到 RRU，伴随 RRU的小型化，甚至更激进的 DU可以与 RRU进行合并。  　　在网络连接中 CU可以提供用户面和控制面接口，一个 CU可以连接多个 DU，而每个 DU只能连接到一个 CU。  　　 2.3 网络切片技术  　　网络切片是一种最新的网络部署技术，本质上就是根据各种业务的特性（如移动性、安全性、时延和可靠性等）将运营商的物理网络划分为多个虚拟网络，以灵活地应对不同的无线网络应用场景。同时各虚拟网络之间是逻辑独立互不影响。  　　网络切片不是一个单独的技术，它是基于云计算、 NFV、 SDN、分布式云架构等几大技术群而实现的，通过上层统一的编排让网络具备管理与协同的能力。  　　相较于 4G及以前移动网络仅支持单一或较少应用场景， 5G网络可以同时支持不同应用场景，如高速数据业务、 VR/AR、大规模物联网等，不同业务场景对网络的移动性、安全性、时延、可靠性，甚至是计费方式的要求是不一样的，如果采用以前网络架构，需要建设不同的物理网络才能实现不同的业务，如果采用网络切片技术，仅需将物理网络按照各种业务特性分割成相应虚拟网络，即可满足应用场景需求，极大降低网络建设复杂度，减少网络建设投资。  　　 3 关键技术  　　 3.1 SDN/NFV  　　 SDN（软件定义网络， Software Defined Network），最核心的思路是将控制面和数据面相分离，实现网络智能化。相较于原有网络中的专有芯片、专有架构及专有设备，网络中使用的设备多为商用化、通用化的路由器和交换机，并能实现控制面的编程。如图 2所示，边缘云与核心云中相应网元通过 SDN网络进行连接。  　　 NFV（网络功能虚拟化， Network Function Virtualization），最核心的思路是将网络设备功能（比如核心网中的 MME， S/P-GW和 PCRF， DU等）从网络硬件中解耦，通过软件在通用商用服务器实现电信网络硬件设备功能并实现数据面可编程。  　　 SDN和 NFV技术使得原有电信网络架构出现革命性变化，各种专业网元设备由原来的专用设备向通用化、商用化转变，极大地降低了网络建设复杂程度，网络的灵活性得到极大加强。  　　 3.2 雾计算  　　雾计算概念是由思科提出，是云计算的延伸概念。相较于云计算，雾计算处于网络边缘，使用的设备多为路由器、基站等设备，这些设备数量较多但资源配置较低且处理能力较小，更接近于网络用户，在网络延时上具有较大的优势。  　　云计算强调一切皆为服务， IaaS， PaaS， SaaS，采用虚拟化技术将物理基础设施平台变为服务，以按需收费的方式提供给用户。雾计算更多的是在网络层面进行了强调，将网络服务质量的保证问题容纳到了其中。  　　雾计算的优点：  　　（ 1）实时性：雾计算设备布放于网络边缘更接近于用户使得网络处理时延更小，能够满足 5G业务中实时性业务需求。  　　（ 2）网络可扩展性：雾计算设备数量相较于数据中心，设备数量具有加大优势且较容易新增网络设备，具有较好的网络可扩展性。  　　（ 3）节省核心网络带宽：雾作为云和终端的中间层通过对数据初步的处理和聚合，只把有价值的数据传向云服务器做存储或进一步的分析，极大减少了至上层核心网络的数据流量，减轻核心网络的负荷。  　　（ 4）高可靠性：为了服务不同区域的用户，相同的服务会被部署在各个区域的雾节点上。这也使得高可靠性成为雾计算的内在属性，一旦某一区域的服务异常，用户请求可以快速转向其他临近区域。  　　（ 5）用户信息及需求了解：通过雾计算中的服务可以了解到区域内用户信息及需求，从而调整网络设备布置及策略，网络更具智能化。  　　 4 结束语  　　 5G网络架构采用革命性架构设计，接入层通过引入 CU/DU功能实体大规模降低网络处理时延，从而满足低时延高可靠业务、高速数据业务需求；核心网通过网络切片实现各业务场景功能分区，实现各业务场景的功能需求。  　　参考文献：  　　 [1]IMT2020（ 5G）推进组 .5G愿景与需求 [Z].2018.  　　 [2]中国移动研究院 .迈向 5G C-RAN：需求、架构与挑战 [Z].2018.  　　 [3]杨剑锋 .5G移动通信技术与发展前景 [J].科技创新与应用， 2018（ 28）： 47-48.