解讀5G接入網(wǎng)的架構(gòu)（特點(diǎn)/重要性/設(shè)計(jì)原理/組成/優(yōu)缺點(diǎn)）

為了滿足巨流量、大鏈接、超低時(shí)延等5G組網(wǎng)性能需求，針對(duì)廣覆蓋和高容量設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)亟需演進(jìn)。

本文首先結(jié)合5G愿景與需求，闡明了5G接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點(diǎn)和重要性；然后從學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界兩個(gè)角度詳細(xì)介紹了5G接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和具體組成，分析了優(yōu)點(diǎn)和不足；最后，探討了接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的挑戰(zhàn)和未來(lái)的可能發(fā)展方向。

1、引言

5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的日益靠近，使得全球產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界團(tuán)體加速對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究，盡早推出5G第一個(gè)商業(yè)版本。3GPP早在2016年就公布了5G的兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：獨(dú)立組網(wǎng)，即接入網(wǎng)絡(luò)僅包括新空口或evolved E-UTRA；非獨(dú)立組網(wǎng)，接入網(wǎng)絡(luò)中新空口與evolved E-UTRA共存。并于2018年6月完成了5G NR R15的第二個(gè)版本，同時(shí)展開了R16版本標(biāo)準(zhǔn)化工作，這極大地提升了業(yè)界對(duì)于5G的信心，對(duì)5G的后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。

2、5G網(wǎng)絡(luò)愿景與架構(gòu)特點(diǎn)

2.1 5G需求與挑戰(zhàn)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中的接入終端種類與數(shù)量不斷增長(zhǎng)，5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)真正的“萬(wàn)物互聯(lián)”。預(yù)計(jì)到2030年，全球移動(dòng)通信設(shè)備總數(shù)將達(dá)到1000億量級(jí)，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量相較2010年增長(zhǎng)約20000倍。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)分布不均勻，隨時(shí)間、地點(diǎn)和應(yīng)用變化多樣的特點(diǎn)，為網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來(lái)了巨大的壓力。另一方面，未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了許多新興業(yè)務(wù)，既包含小數(shù)據(jù)分組服務(wù)（如低數(shù)據(jù)速率的機(jī)器通信和實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制），又包含豐富的內(nèi)容服務(wù)（如高清視頻、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和在線游戲）。5G劃分出了3種業(yè)務(wù)類型以應(yīng)對(duì)多樣化業(yè)務(wù)服務(wù)的差異化性能指標(biāo)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，如下所示。

（1）eMBB

主要包括車站、體育場(chǎng)等超密集區(qū)域的巨大數(shù)據(jù)流量的熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景。該類場(chǎng)景下性能需求包括1 Gbit/s用戶體驗(yàn)速率、數(shù)十Gbit/s峰值速率和數(shù)十Tbit/（s·平方公里）的流量密度，網(wǎng)絡(luò)的流量過(guò)載使得現(xiàn)網(wǎng)的流量傳輸方法面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。此外，eMBB還包括需要保證用戶在高移動(dòng)性情況下的業(yè)務(wù)連續(xù)性的連續(xù)廣域覆蓋場(chǎng)景，挑戰(zhàn)在于隨時(shí)隨地為用戶提供100 Mbit/s以上的用戶體驗(yàn)速率，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性與網(wǎng)絡(luò)的基本服務(wù)能力。

（2）uRLLC

主要面向?qū)r(shí)延和可靠性具有極高指標(biāo)需求的應(yīng)用，例如車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等低時(shí)延高可靠場(chǎng)景，需要網(wǎng)絡(luò)為用戶提供毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證，這與4G網(wǎng)絡(luò)百毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和業(yè)務(wù)中斷時(shí)間相距甚遠(yuǎn)，要求5G網(wǎng)絡(luò)針對(duì)更高的可靠性與更低的時(shí)延要求提出關(guān)鍵的使能技術(shù)。

（3）mMTC

主要應(yīng)用于機(jī)器間通信，以傳感器為主，包括智能城市、森林防火和可穿戴設(shè)備等低功率大連接場(chǎng)景，滿足接入設(shè)備數(shù)量巨大且功耗極低的需求，預(yù)期達(dá)到100萬(wàn)/平方公里的連接數(shù)密度的性能指標(biāo)。海量的連接數(shù)使得網(wǎng)絡(luò)的控制面負(fù)載急劇增加，信令擁塞將是亟待解決的問(wèn)題。

為了靈活地支撐多樣化的業(yè)務(wù)服務(wù)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的性能指標(biāo)需求，未來(lái)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需要具備網(wǎng)絡(luò)功能和操作管理的多樣性，能夠智能感知用戶需求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行簡(jiǎn)化、重構(gòu)和編排，提供高效靈活的網(wǎng)絡(luò)控制和轉(zhuǎn)發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)不同用戶場(chǎng)景、商業(yè)模型下各種應(yīng)用的使用。同時(shí)，為方便實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)拓?fù)涞牟渴鸷途S護(hù)，5G網(wǎng)絡(luò)還需要能夠提供按需定制服務(wù)，開放網(wǎng)絡(luò)能力以提供靈活的業(yè)務(wù)部署環(huán)境，在滿足差異化業(yè)務(wù)需求的同時(shí)，提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)價(jià)值，以實(shí)現(xiàn)更友好的網(wǎng)絡(luò)生態(tài)。

除了性能需求帶來(lái)的挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)效率需求，如頻譜效率、能量效率和成本效率也將是5G重點(diǎn)關(guān)注的效率因素，二者共同定義了5G的關(guān)鍵能力。在5G中，網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)超百倍的能量效率提升和比特成本降低以及5-15倍的頻譜效率的提升，以保證5G的可持續(xù)發(fā)展。除了網(wǎng)絡(luò)性能和效率以外，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)還面臨著感知和開放能力不足的挑戰(zhàn)。當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)缺乏對(duì)用戶和業(yè)務(wù)感知能力，有限的網(wǎng)絡(luò)開放能力無(wú)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源與業(yè)務(wù)需求的友好對(duì)接，不利于業(yè)務(wù)體驗(yàn)的改善和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)效率的提升。網(wǎng)絡(luò)中日益增長(zhǎng)的終端設(shè)備數(shù)量大幅提升了運(yùn)維成本，降低了運(yùn)維效率。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)源源不斷地產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，海量數(shù)據(jù)尚未得到充分利用，造成了數(shù)據(jù)價(jià)值的浪費(fèi)。5G通信網(wǎng)絡(luò)需要充分利用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)水平，提供更加智能的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)能力。

2.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特征

和以往的網(wǎng)絡(luò)不同，5G網(wǎng)絡(luò)將不只是網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)提升，更會(huì)帶來(lái)革命性的改變。5G網(wǎng)絡(luò)除了各方面性能的提升，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也將引入許多新的特征。

（1）面向虛擬化網(wǎng)絡(luò)的NFV/SDN

NFV的引入將5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成一個(gè)虛擬化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，差異化的軟件功能經(jīng)過(guò)虛擬化后運(yùn)行在相同的硬件設(shè)備上，不同網(wǎng)絡(luò)功能將共享硬件的計(jì)算、存儲(chǔ)與通信資源。SDN的引入則使得網(wǎng)絡(luò)的可編排性得到提升，分離網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)與控制面。有文獻(xiàn)在介紹了歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）組織關(guān)于NFV技術(shù)的研究以及開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)（ONF）組織關(guān)于SDN技術(shù)的研究后，以核心網(wǎng)為例，進(jìn)一步探討了二者與5G核心網(wǎng)絡(luò)的有效結(jié)合。有文獻(xiàn)則研究了NFV/SDN在回傳網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用，提出了一種光纖與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合的5G-Xhaul架構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)功能分割。

（2）面向多樣化服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)切片

針對(duì)不同的服務(wù)需求和性能指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)被劃分成網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)體的邏輯組合，被切片后的網(wǎng)絡(luò)，即網(wǎng)絡(luò)切片用于為目標(biāo)用戶和終端提供指定的服務(wù)。有文獻(xiàn)在總結(jié)現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)對(duì)5G服務(wù)時(shí)的不足后，提出一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)用戶面編排架構(gòu)。有文獻(xiàn)則將網(wǎng)絡(luò)切片的概念進(jìn)一步提升，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的開放程度，提出“Anything as a Service”，通過(guò)快速靈活地調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的動(dòng)態(tài)創(chuàng)建與管理。

（3）面向多維度資源融合的云霧協(xié)同

以往的分層異構(gòu)和云無(wú)線接入等網(wǎng)絡(luò)，受限于集中式的云處理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，性能難以滿足5G多樣化的通信需求。利用邊緣節(jié)點(diǎn)計(jì)算存儲(chǔ)和信號(hào)處理功能，將霧作為云的協(xié)同部分，能夠?qū)崿F(xiàn)集中分布自適應(yīng)的高效組網(wǎng)。有文獻(xiàn)提出云霧協(xié)同架構(gòu)，將不同服務(wù)解析成服務(wù)功能鏈，服務(wù)功能鏈由云霧中的網(wǎng)絡(luò)功能和多維度資源部署實(shí)現(xiàn)。類似地，有文獻(xiàn)提出將網(wǎng)絡(luò)的多維資源虛擬化，通過(guò)靈活分層與編排構(gòu)成云霧，滿足5G需求。