隨著5G愿景和概念逐漸地清晰，業(yè)界越發(fā)意識到網(wǎng)絡技術發(fā)展對5G系統(tǒng)的重要價值。5G網(wǎng)絡旨在以高性能和高效能為目標重構全網(wǎng)架構和服務體系，支撐5G指標和場景，滿足高效運營的要求。

　　本文引入了“自頂向下”的設計方法，從5G場景與需求與網(wǎng)絡挑戰(zhàn)映射分析入手，梳理了5G架構發(fā)展方向，描述5G概要級網(wǎng)絡架構和基礎設施框架，并對不同功能平面的架構方案具體展開，提出5G網(wǎng)絡核心功能—網(wǎng)絡切片，在最后對5G網(wǎng)絡標準化推進節(jié)奏進行了總結，提出的架構方案能匹配5G業(yè)務和運營需求，對5G網(wǎng)絡后續(xù)研究工作具有推動作用。

　　1、5G網(wǎng)絡概要級框架

　　1）5G需求與網(wǎng)絡功能映射

　　5G愿景定義了更豐富的業(yè)務場景和全新的業(yè)務指標，5G系統(tǒng)不能囿于單純的空口技術換代和峰值速率提升，需要將需求與能力指標要求向網(wǎng)絡側推演，明確現(xiàn)網(wǎng)挑戰(zhàn)和發(fā)展方向，通過網(wǎng)絡側的創(chuàng)新提供支撐，見表1。

　　表1 5G愿景、現(xiàn)網(wǎng)挑戰(zhàn)與架構演進方向映射

　　（1）指標方面

　　首先，業(yè)務速率隨用戶移動和覆蓋變化而改變是移動通信系統(tǒng)的基礎常識，無法提供穩(wěn)定的體驗速率支持，需要改變傳統(tǒng)的“終端一基站”一對一傳輸機制，引入聯(lián)合多站點協(xié)同來平滑和保證速率；

　　其次，毫秒級時延是另一個挑戰(zhàn)，當前網(wǎng)關和業(yè)務服務器一般部署在網(wǎng)絡中心，受限于光傳輸速率，網(wǎng)內(nèi)傳輸時延大多是百毫秒量級，遠超5G時延要求，需要盡可能將網(wǎng)關和業(yè)務服務器下沉到網(wǎng)絡邊緣，此外，4G定義的實時業(yè)務切換中斷時間（300 ms）也無法滿足5G高實時性業(yè)務要求，這意味需要引人更高效的切換機制；

　　最后，現(xiàn)網(wǎng)限于中心轉發(fā)和單一控制的功能機制，在高吞吐量和大連接的背景下會造成更大的擁塞和過載風險，這要求5G網(wǎng)絡控制功能更靈活，流量分布更均衡。

　?。?）運營能效方面

　　4G網(wǎng)絡主要定位在互聯(lián)網(wǎng)接入管道，長期形成了重建設、輕運維的定式，簡單化的運營手段難以適應5G物聯(lián)網(wǎng)和垂直行業(yè)高度差異化的要求。

　　與此同時，基于專用硬件的剛性網(wǎng)絡設備平臺資源利用率低，不具備動態(tài)擴縮容能力。這要求網(wǎng)絡側需要引入互聯(lián)網(wǎng)靈活快速的服務理念和更彈性的基礎設施平臺。

　　2）5G網(wǎng)絡邏輯功能框架

　　5G網(wǎng)絡采用基于功能平面的框架設計，將傳統(tǒng)與網(wǎng)元綁定的網(wǎng)絡功能進行抽離和重組，重新劃分為3個功能平面：接入平面、控制平面和數(shù)據(jù)平面（如圖1所示）。

　　圖1 5G網(wǎng)絡概要級系統(tǒng)框架

　　網(wǎng)絡功能在平面內(nèi)聚合程度更高，平面間解藕更充分。其中，控制平面主要負責生成信令控制、網(wǎng)管指令和業(yè)務編排邏輯，接入平面和數(shù)據(jù)平面主要負責執(zhí)行控制命令，實現(xiàn)對業(yè)務流在接入網(wǎng)的接入與核心網(wǎng)內(nèi)的轉發(fā)。各平面的功能概述如下。

　?。?）接入平面

　　涵蓋各種類型的基站和無線接入設備，通過增強的異構基站間交互機制構建綜合的站間拓撲，通過站間實時的信息交互與資源共享實現(xiàn)更高效的協(xié)同控制，滿足不同業(yè)務場景的需求。

　?。?）控制平面

　　為5G新空口和傳統(tǒng)空口提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡接口?？刂泼婀δ芊纸獬杉毩６鹊木W(wǎng)絡功能組件，按照業(yè)務場景特性定制專用的網(wǎng)絡服務，并在此基礎上實現(xiàn)精細化網(wǎng)絡資源管控和能力開放。

　?。?）數(shù)據(jù)平面

　　核心網(wǎng)網(wǎng)關下沉到城域網(wǎng)匯聚層，采取分布式部署，整合分組轉發(fā)、內(nèi)容緩存和業(yè)務流加速能力，在控制平面的統(tǒng)一調(diào)度下，完成業(yè)務數(shù)據(jù)流轉發(fā)和邊緣處理。

　　3）5G基礎設施平臺

　　5G網(wǎng)絡將改變傳統(tǒng)基于專用硬件的剛性基礎設施平臺，引入互聯(lián)網(wǎng)中云計算、虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡等技術理念，構建跨功能平面統(tǒng)一資源管理架構和多業(yè)務承載資源平面，全面解決傳輸服務質(zhì)量、資源可擴展性、組網(wǎng)靈活性等基礎性問題。

　　網(wǎng)絡虛擬化實現(xiàn)對底層資源的統(tǒng)一“池化管理”，向上提供相互隔離的有資源保證的多租戶網(wǎng)絡環(huán)境，是網(wǎng)絡資源管理的核心技術。

　　引入這一技術理念，底層基礎設施能為上層租戶提供一個充分自控的虛擬專用網(wǎng)絡環(huán)境，允許用戶自定義編址、自定義拓撲、自定義轉發(fā)以及自定義協(xié)議，徹底打開基礎網(wǎng)絡能力。

　　引入軟件定義網(wǎng)絡的技術理念：

　　在控制平面，通過對網(wǎng)絡、計算和存儲資源的統(tǒng)一軟件編排和動態(tài)調(diào)配，在電信網(wǎng)中實現(xiàn)網(wǎng)絡資源與編程能力的銜接；

　　在數(shù)據(jù)平面，通過對網(wǎng)絡的轉發(fā)行為進行抽象，實現(xiàn)利用高級語言對多種轉發(fā)平臺進行靈活的轉發(fā)協(xié)議和轉發(fā)流程定制，實現(xiàn)面向上層應用和性能要求的資源優(yōu)化配置。

　　2、5G網(wǎng)絡架構技術方向

　　1）5G接入平面—異構站間協(xié)同組網(wǎng)

　　面向不同的應用場景，無線接入網(wǎng)由孤立管道轉向支持異構基站多樣（集中或分布式）的協(xié)作，靈活利用有線和無線連接實現(xiàn)回傳，提升小區(qū)邊緣協(xié)同處理效率，優(yōu)化邊緣用戶體驗速率。圖2描繪了涉及的組網(wǎng)關鍵技術。

　　圖2 異構站間組網(wǎng)關鍵技術

　?。?） C-RAN

　　集中式C-RAN組網(wǎng)是未來無線接入網(wǎng)演進的重要方向。在滿足一定的前傳和回傳網(wǎng)絡的條件下，可以有效提升移動性和干擾協(xié)調(diào)的能力，重點適用于熱點高容量場景布網(wǎng)。

　　面向5G的C-RAN部署架構中，遠端無線處理單元RRU匯聚小范圍內(nèi)RRU信號經(jīng)部分基帶處理后進行前端數(shù)據(jù)傳輸，可支持小范圍內(nèi)物理層級別的協(xié)作化算法。

　　池化的基帶處理中心集中部署移動性管理，多RAT管理，慢速干擾管理，基帶用戶面處理等功能，實現(xiàn)跨多個RRU間的大范圍控制協(xié)調(diào)。利用BBURRU接口重構技術，可以平衡高實時性和傳輸網(wǎng)絡性能要求。

　?。?）D-RAN

　　能適應多種回傳條件的分布式D-RAN組網(wǎng)是5G接入網(wǎng)另一重要方向。在D-RAN組網(wǎng)架構中，每個站點都有完整的協(xié)議處理功能。

　　站點間根據(jù)回傳條件，靈活選擇分布式多層次協(xié)作方式來適應性能要求D-RAN能對時延及其抖動進行自適應，基站不必依賴對端站點的協(xié)作數(shù)據(jù)，也可正常工作。分布式組網(wǎng)適用于作為連續(xù)廣域覆蓋以及低時延等的場景組網(wǎng)。

　?。?）無線mesh網(wǎng)絡

　　作為有線組網(wǎng)的補充，無線mesh網(wǎng)絡利用無線信道組織站間回傳網(wǎng)絡，提供接人能力的延伸。無線mesh網(wǎng)絡能夠聚合末端節(jié)點（基站和終端），構建高效、即插即用的基站間無線傳輸網(wǎng)絡，提高基站間的協(xié)調(diào)能力和效率，降低中心化架構下數(shù)據(jù)傳輸與信令交互的時延，提供更加動態(tài)、靈活的回傳選擇，支撐高動態(tài)性要求場景，實現(xiàn)易部署、易維護的輕型網(wǎng)絡。

　　2）5G數(shù)據(jù)平面—網(wǎng)關與業(yè)務下沉

　　如圖3中(a)部分所示，通過現(xiàn)有網(wǎng)關設備內(nèi)的控制功能和轉發(fā)功能分離，實現(xiàn)網(wǎng)關設備的簡化和下沉部署，支持“業(yè)務進管道”，提供更低的業(yè)務時延和更高的流量調(diào)度靈活性。

　　圖3 核心網(wǎng)功能重構

　　通過網(wǎng)關控制承載分離，將會話和連接控制功能從網(wǎng)關中抽離，簡化后的網(wǎng)關下沉到匯聚層，專注于流量轉發(fā)與業(yè)務流加速處理，更充分地利用管道資源，提升用戶帶寬，并逐步推進固定和移動網(wǎng)關功能和設備形態(tài)逐漸歸一，形成面向多業(yè)務的統(tǒng)一承載平臺。

　　IP錨點下沉使移動網(wǎng)絡具備層三組大網(wǎng)的能力，因此應用服務器和數(shù)據(jù)庫可以隨著網(wǎng)關設備一同下沉到網(wǎng)絡邊緣，使互聯(lián)網(wǎng)應用、云計算服務和媒體流緩存部署在高度分布的環(huán)境中，推動互聯(lián)網(wǎng)應用與網(wǎng)絡能力融合，更好地支持5G低時延和高帶寬業(yè)務的要求。

　　3）5G控制平面—網(wǎng)絡控制功能重構

　　網(wǎng)關轉發(fā)功能下沉的同時，抽離的轉發(fā)控制功能（NF-U）整合到控制平面中，并對原本與信令面網(wǎng)元綁定的控制功能（NF-C）進行組件化拆分，以基于服務調(diào)用的方式進行重構，實現(xiàn)可按業(yè)務場景構造專用架構的網(wǎng)絡服務，滿足5G差異化服務需求，如圖3中（b）所示。控制功能重構的關鍵技術主要包括以下方面。

　?。?）控制面功能模塊化梳理控制面信令流程，形成有限數(shù)量的高度內(nèi)聚的功能模塊作為重構組件基礎，并按應用場景標記必選和可選的組件。

　?。?）狀態(tài)與邏輯處理分離對用戶移動性、會話和簽約等狀態(tài)信息的存儲和邏輯進行解藕，定義統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫功能組件，實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)用，提高系統(tǒng)的頑健性和數(shù)據(jù)完整性。

　　（3）基于服務的組件調(diào)用按照接人終端類型和對應的業(yè)務場景，采用服務聚合的設計思路，服務引擎選擇所需的功能組件和協(xié)議(如針對物聯(lián)網(wǎng)的低移動性功能)，組合業(yè)務流程，構建場景專用的網(wǎng)絡，服務引擎能支持局部架構更新和組件共享，并向第三方開放組網(wǎng)能力。

　　3、5G網(wǎng)絡服務—端到端網(wǎng)絡切片

　　網(wǎng)絡切片利用虛擬化技術將通用的網(wǎng)絡基礎設施資源根據(jù)場景需求虛擬化為多個專用虛擬網(wǎng)絡每個切片都可獨立按照業(yè)務場景的需要和話務模型進行網(wǎng)絡功能的定制剪裁和相應網(wǎng)絡資源的編排管理，是5G網(wǎng)絡架構的實例化。

　　網(wǎng)絡切片打通了業(yè)務場景、網(wǎng)絡功能和基礎設施平臺間的適配接口。通過網(wǎng)絡功能和協(xié)議定制，網(wǎng)絡切片為不同業(yè)務場景提供所匹配的網(wǎng)絡功能。

　　例如，熱點高容量場景下的C-RAN架構，物聯(lián)網(wǎng)場景下的輕量化移動性管理和非IP承載功能等。

　　同時，網(wǎng)絡切片使網(wǎng)絡資源與部署位置解耦，支持切片資源動態(tài)擴容縮容調(diào)整，提高網(wǎng)絡服務的靈活性和資源利用率。切片的資源隔離特性增強整體網(wǎng)絡健壯性和可靠性。

　　一個切片的生命周期包括創(chuàng)建、管理和撤銷3個部分。

　　如圖4所示，運營商首先根據(jù)業(yè)務場景需求匹配網(wǎng)絡切片模板，切片模板包含對所需的網(wǎng)絡功能組件，組件交互接口以及所需網(wǎng)絡資源的描述;上線時由服務引擎導人并解析模板，向資源平面申請網(wǎng)絡資源，并在申請到的資源上實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡功能和接口的實例化與服務編排，將切片遷移到運行態(tài)。網(wǎng)絡切片可以實現(xiàn)運行態(tài)中快速功能升級和資源調(diào)整.在業(yè)務下線時及時撤銷和回收資源。

　　圖4 網(wǎng)絡切片的創(chuàng)建過程

　　針對網(wǎng)絡切片的研究主要在3GPP和ETSI NFV產(chǎn)業(yè)推進組進行，3GPP重點研究網(wǎng)絡切片對網(wǎng)絡功能（如接入選擇、移動性、連接和計費等）的影響，ETSI NFV產(chǎn)業(yè)推進組則主要研究虛擬化網(wǎng)絡資源的生命周期管理。

　　當前，通用硬件的性能和虛擬化平臺的穩(wěn)定性仍是網(wǎng)絡切片技術全面商用的瓶頸，運營商也正通過概念驗證和小范圍部署的方法穩(wěn)步推進技術成熟。

　　4、5G網(wǎng)絡標準化進展

　　1）ITU

　　ITU于2015年啟動5G國際標準制定的準備工作，首先開展5G技術性能需求和評估方法研究，明確候選技術的具體性能需求和評估指標，形成提交模板；

　　2017年ITU-R發(fā)出征集IMT-2020技術方案的正式通知及邀請函，并啟動5G候選技術征集；

　　2018年底啟動SG技術評估及標準化；

　　計劃在2020年底形成商用能力。

　　2）IEEE

　　作為IEEE 3G4G標準的制定機構，IEEE 802標準委員會結合自身優(yōu)勢，積極推進下一代無線局域網(wǎng)標準（IEEE 802.11ax）研制，并希望將其整合至5G技術體系。

　　IEEE通信學會也在積極探索5G標準化工作思路，目前計劃成立信道建模、下一代前傳接口、基于云的移動核心網(wǎng)和無線分析4個研究組，深入開展5G技術研究。

　　3）3GPP

　　全球業(yè)界普遍認可將在3GPP制定統(tǒng)一的5G標準。從2015年初開始，3GPP已啟動5G相關議題討論，初步確定了5G工作時間表。

　　3GPP 5G研究預計將包含3個版本：R14、R15、R16。

　　具體而言：

　　R14主要開展5G系統(tǒng)框架和關鍵技術研究；

　　R15作為第一個版本的5G標準，滿足部分5G需求，例如5G增強移動寬帶業(yè)務的標準；

　　R16完成全部標準化工作，于2020年初向ITU提交候選方案。3GPP無線接入網(wǎng)工作組計劃在2016年3月啟動5G技術研究工作。

　　3GPP業(yè)務需求工作組（SA1）最早于2015年啟動“Smarter”研究課題，該課題將于2016一季度前完成標準化，目前已形成4個業(yè)務場景繼續(xù)后續(xù)工作，見表2。

　　表2 3GPP R14 5G網(wǎng)絡架構關鍵功能和使能技術

　　3GPP系統(tǒng)架構工作組（SA2）于2015年底正式啟動5G網(wǎng)絡架構的研究課題“extGen”立項書，明確了sG架構的基本功能愿景，包括

　　（1）有能力處理移動流量、設備數(shù)快速增長；

　?。?）允許核心網(wǎng)和接人網(wǎng)各自演進；

　?。?）支持如NFV、SDN等技術，降低網(wǎng)絡成本，提高運維效率、能效，靈活支持新業(yè)務。

　　SA2計劃在2018年輸出第一版的5G網(wǎng)絡架構標準，并于2019年中完成面向商用的完備規(guī)范版本。

　　目前，SA2正在進行5G網(wǎng)絡架構需求和關鍵特性的梳理，篩選出第一階段重點研究的關鍵功能和使能技術（見表2）。R14階段后續(xù)工作將聚焦這些關鍵特性，開展架構設計、技術方案和標準化評估工作。

　　5、結束語

　　隨著5G路線圖的逐漸清晰，5G網(wǎng)絡一方面需要支撐新型空口或LTE空口技術的演進，另一方面也提供對端到端網(wǎng)絡體系架構重新設計的契機。隨著移動終端代替固定設備成為主流，移動性支持將成為網(wǎng)絡的原生屬性加以“端到端”考量。

　　新型,5G網(wǎng)絡架構不再僅僅作為互聯(lián)網(wǎng)的一種接入網(wǎng)選項，而是以移動性為基礎來推動電信網(wǎng)絡的接入、連接能力與業(yè)務網(wǎng)絡的計算、存儲能力全面融合。5G時代網(wǎng)絡運營不僅要繼續(xù)高質(zhì)量的滿足傳統(tǒng)移動互聯(lián)網(wǎng)應用發(fā)展要求，同時還要向新的業(yè)務領域應用滲透，快速、持續(xù)、高質(zhì)量地為不同垂直行業(yè)的用戶交付信息的網(wǎng)絡服務。

　　5G網(wǎng)絡的發(fā)展不必拘泥于革命或演進的選擇，而是由兩種設計思想共同作用的合力來推動。