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干货:5G接入网的架构

为了满足巨流量、大链接、超低时延等5G组网性能需求,针对广覆盖和高容量设计的传统无线接入网络架构亟需演进。

 

本文首先结合5G愿景与需求,阐明了5G接入网络架构的特点和重要性;然后从学术界和产业界两个角度详细介绍了5G接入网络架构的设计原理和具体组成,分析了优点和不足;最后,探讨了接入网络架构的挑战和未来的可能发展方向。

 

1、引言

 

5G移动网络时代的日益靠近,使得全球产业界和学术界团体加速对于5G网络架构的研究,尽早推出5G第一个商业版本。3GPP早在2016年就公布了5G的两种网络架构:独立组网,即接入网络仅包括新空口或evolved E-UTRA;非独立组网,接入网络中新空口与evolved E-UTRA共存。并于2018年6月完成了5G NR R15的第二个版本,同时展开了R16版本标准化工作,这极大地提升了业界对于5G的信心,对5G的后续标准推进和产业发展产生了重大影响。

 

2、5G网络愿景与架构特点

 

2.1  5G需求与挑战

 

随着物联网、车联网等技术的蓬勃发展,网络中的接入终端种类与数量不断增长,5G无线网络将实现真正的“万物互联”。预计到2030年,全球移动通信设备总数将达到1000亿量级,移动数据流量相较2010年增长约20000倍。移动网络中的数据流量呈现分布不均匀,随时间、地点和应用变化多样的特点,为网络传输带来了巨大的压力。另一方面,未来移动通信网络中出现了许多新兴业务,既包含小数据分组服务(如低数据速率的机器通信和实时远程控制),又包含丰富的内容服务(如高清视频、增强现实和在线游戏)。5G划分出了3种业务类型以应对多样化业务服务的差异化性能指标带来的挑战,如下所示。

 

(1)eMBB

 

主要包括车站、体育场等超密集区域的巨大数据流量的热点高容量场景。该类场景下性能需求包括1 Gbit/s用户体验速率、数十Gbit/s峰值速率和数十Tbit/(s·平方公里)的流量密度,网络的流量过载使得现网的流量传输方法面临严峻挑战。此外,eMBB还包括需要保证用户在高移动性情况下的业务连续性的连续广域覆盖场景,挑战在于随时随地为用户提供100 Mbit/s以上的用户体验速率,保证业务的连续性与网络的基本服务能力。

 

(2)uRLLC

 

主要面向对时延和可靠性具有极高指标需求的应用,例如车联网、工业控制等低时延高可靠场景,需要网络为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证,这与4G网络百毫秒级的端到端时延和业务中断时间相距甚远,要求5G网络针对更高的可靠性与更低的时延要求提出关键的使能技术。

 

(3)mMTC

 

主要应用于机器间通信,以传感器为主,包括智能城市、森林防火和可穿戴设备等低功率大连接场景,满足接入设备数量巨大且功耗极低的需求,预期达到100万/平方公里的连接数密度的性能指标。海量的连接数使得网络的控制面负载急剧增加,信令拥塞将是亟待解决的问题。

 

为了灵活地支撑多样化的业务服务,满足不同应用场景下的性能指标需求,未来移动网络需要具备网络功能和操作管理的多样性,能够智能感知用户需求,对网络功能进行简化、重构和编排,提供高效灵活的网络控制和转发功能,实现不同用户场景、商业模型下各种应用的使用。同时,为方便实现接入网拓扑的部署和维护,5G网络还需要能够提供按需定制服务,开放网络能力以提供灵活的业务部署环境,在满足差异化业务需求的同时,提升网络服务价值,以实现更友好的网络生态。

 

除了性能需求带来的挑战,网络效率需求,如频谱效率、能量效率和成本效率也将是5G重点关注的效率因素,二者共同定义了5G的关键能力。在5G中,网络需要实现超百倍的能量效率提升和比特成本降低以及5-15倍的频谱效率的提升,以保证5G的可持续发展。除了网络性能和效率以外,移动通信网络还面临着感知和开放能力不足的挑战。当前移动通信网络缺乏对用户和业务感知能力,有限的网络开放能力无法实现网络资源与业务需求的友好对接,不利于业务体验的改善和网络运营效率的提升。网络中日益增长的终端设备数量大幅提升了运维成本,降低了运维效率。网络运行过程中会源源不断地产生海量数据,海量数据尚未得到充分利用,造成了数据价值的浪费。5G通信网络需要充分利用网络运行过程中产生的大量数据降低网络建设成本,提升网络运营水平,提供更加智能的网络运营能力。

 

2.2  网络架构特征

 

和以往的网络不同,5G网络将不只是网络的演进提升,更会带来革命性的改变。5G网络除了各方面性能的提升,网络架构也将引入许多新的特征。

 

(1)面向虚拟化网络的NFV/SDN

 

NFV的引入将5G网络构建成一个虚拟化的网络环境,差异化的软件功能经过虚拟化后运行在相同的硬件设备上,不同网络功能将共享硬件的计算、存储与通信资源。SDN的引入则使得网络的可编排性得到提升,分离网络的数据与控制面。有文献在介绍了欧洲电信标准化协会(ETSI)组织关于NFV技术的研究以及开放网络基金会(ONF)组织关于SDN技术的研究后,以核心网为例,进一步探讨了二者与5G核心网络的有效结合。有文献则研究了NFV/SDN在回传网络上的应用,提出了一种光纤与无线网络融合的5G-Xhaul架构,并实现灵活的网络功能分割。

 

(2)面向多样化服务的网络切片

 

针对不同的服务需求和性能指标,网络被划分成网络功能实体的逻辑组合,被切片后的网络,即网络切片用于为目标用户和终端提供指定的服务。有文献在总结现网应对5G服务时的不足后,提出一种面向服务的网络用户面编排架构。有文献则将网络切片的概念进一步提升,加强网络的开放程度,提出“Anything as a Service”,通过快速灵活地调度网络资源,实现服务的动态创建与管理。

 

(3)面向多维度资源融合的云雾协同

 

以往的分层异构和云无线接入等网络,受限于集中式的云处理网络架构,性能难以满足5G多样化的通信需求。利用边缘节点计算存储和信号处理功能,将雾作为云的协同部分,能够实现集中分布自适应的高效组网。有文献提出云雾协同架构,将不同服务解析成服务功能链,服务功能链由云雾中的网络功能和多维度资源部署实现。类似地,有文献提出将网络的多维资源虚拟化,通过灵活分层与编排构成云雾,满足5G需求。


2019年01月12日

干货:5G接入网的架构

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