張松濤

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137）

0 引言

進(jìn)入 21世紀(jì)，隨著智能手機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)需求爆炸式增長，移動(dòng)通信技術(shù)迅速發(fā)展。各種新技術(shù)、組網(wǎng)模式不斷涌現(xiàn)。 2019 年6 月6 日，中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中國廣電同時(shí)獲得工信部發(fā)放的5G 商用牌照，中國通信行業(yè)邁入5G 商用元年。

與4G 相比，5G 各項(xiàng)性能都得到大幅提升。 3GPP R15主要聚焦增強(qiáng)移動(dòng)帶寬 eMBB，R16則可以滿足包括 eMBB、超高可靠低時(shí)延通信 uRLLC 和海量機(jī)器通信mMTC 在內(nèi)的三大應(yīng)用場景[1]，基于 R15進(jìn)行業(yè)務(wù)增強(qiáng)。5G 的一些關(guān)鍵能力，表現(xiàn)在：支持100 Mb/s-1 Gb/s 的用戶體驗(yàn)速率和 10 Gb/s 的峰值速率；支持每平方千米百萬量級(jí)的連接數(shù)密度；支持每平方千米 Tb/s 級(jí)的流量需求；支持毫秒級(jí)的端到端時(shí)延；支持超過 130 m/s 以上移動(dòng)速度等。

1 5G 網(wǎng)絡(luò)需求

1.1 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展

從第一代模擬移動(dòng)通信誕生以來，移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)生了翻天覆地的變化，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也呈現(xiàn)一定的發(fā)展規(guī)律。首先是 IP 化。2/3G 核心網(wǎng)分組域與無線接入網(wǎng)之間是多種承載方式并存，即 TDM/ATM/IP 同時(shí)存在。 LTE/EPC 階段，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)全I(xiàn)P 話，即用 IP 完全取代傳統(tǒng) ATM 及TDM。然后是扁平化與分布式。在 2/3G核心網(wǎng)分組域中，用戶數(shù)據(jù)處理經(jīng)過 NodeB、RNC、SGSN、GGSN 多級(jí)處理；4G LTE 用戶數(shù)據(jù)只需經(jīng)eNodeB、SAE-GW 到外部數(shù)據(jù)網(wǎng)，無線接入網(wǎng) E-UTRAN實(shí)現(xiàn)了扁平化與分布式架構(gòu)。不過，核心網(wǎng)還保持集中控制方式。第三個(gè)規(guī)律是控制與承載的分離。4G LTE EPC 核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)秉承了控制與承載分離的理念，將2/3G 分組域中 SGSN 的控制面功能與用戶面功能相分離，分別由兩個(gè)網(wǎng)元 MME 和SGW 來完成。第四個(gè)規(guī)律是多網(wǎng)融合。 2G、3G、4G、Wi-Fi 以及5G 將會(huì)在較長時(shí)間多網(wǎng)共存，這對(duì)多網(wǎng)協(xié)作與深度融合提出了更多的要求。

1.2 4G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在的問題

首先是業(yè)務(wù)量爆炸式增長與網(wǎng)絡(luò)能力瓶頸[2]。 集中控制的 LTE EPC 核心網(wǎng)和回傳鏈路難以滿足海量需求的數(shù)據(jù)交換與轉(zhuǎn)發(fā)，核心網(wǎng)、承載網(wǎng)都面臨越來越大的數(shù)據(jù)流量壓力。超密集網(wǎng)絡(luò)、分層組網(wǎng)等大容量無線接入對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理、移動(dòng)性提出了新的挑戰(zhàn)。智能交通、工業(yè)自動(dòng)化等新興即時(shí)性業(yè)務(wù)需要更加嚴(yán)格的端到端時(shí)延。

其次是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)帶來的各種新場景支持。4G 網(wǎng)絡(luò)本身是為分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，但移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)日新月異，4G LTE 開始顯現(xiàn)能力不足。比如，海量物聯(lián)網(wǎng)終端的瞬時(shí)接入、智能抄表等非連續(xù)小數(shù)據(jù)的低傳輸效率，以及飛機(jī)、高鐵等高速移動(dòng)場景的支持乏力等。

再次是物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的多樣化需求。移動(dòng)通信在物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用、移動(dòng)通信與物聯(lián)網(wǎng)的融合正日益深入。制造、健康、環(huán)境、物流等眾多行業(yè)對(duì)通信速度、成本、連接能力、服務(wù)質(zhì)量等需求高度多樣化，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)幾乎很難滿足。

4G LTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)整體上符合移動(dòng)通信發(fā)展方向，也能很好地滿足當(dāng)前需求。但隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的深入發(fā)展，現(xiàn)有 LTE 網(wǎng)絡(luò)后向兼容的方式滿足5G 多樣化的需求，具備極大的挑戰(zhàn)。所以，需要設(shè)計(jì)符合移動(dòng)通信演進(jìn)邏輯的全新5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1.3 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需求與設(shè)計(jì)原則

基于以上分析，5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要在網(wǎng)絡(luò)能力、運(yùn)行持續(xù)性、商業(yè)應(yīng)用靈活性等方面作出較大改善與提高[3]。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

首先，要充分利用頻譜資源，開發(fā)厘米波、毫米波等更高頻段[3，4]；同時(shí)，可以利用控制面、用戶面分離和上下行分離的概念優(yōu)化頻段效率。采用靈活的雙工模式及全雙工來優(yōu)化業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的頻譜使用。為了保證超密集組網(wǎng)場景下移動(dòng)用戶的無縫體驗(yàn)，需要有效的UE 移動(dòng)速度和移動(dòng)方向檢測機(jī)制，以支持多層、多RAT 協(xié)同，以及頻率、小區(qū)、波束間的動(dòng)態(tài)快速切換。普通終端、可穿戴設(shè)備、車載大規(guī)模傳感器以及 D2D 通信等都可以支持動(dòng)態(tài)拓?fù)?，無線拓?fù)淇梢曰谏舷挛膭?dòng)態(tài)變化。

其次，建立統(tǒng)一可組合的核心網(wǎng)，以經(jīng)濟(jì)有效的方式支持多樣化的用例和需求?；竟δ軕?yīng)當(dāng)裁剪為一個(gè)最小集，控制面、用戶面功能通過開放接口實(shí)現(xiàn)清晰分離。

再次是靈活的端到端功能和能力。充分利用 NFV 和SDN，網(wǎng)絡(luò)功能、終端功能、RAT 配置根據(jù)不同應(yīng)用場景靈活定制。網(wǎng)絡(luò)可以支持網(wǎng)絡(luò)功能的靈活組合、分配。包括無線基帶處理在內(nèi)，5G 將盡可能地虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能，利用 SDN 進(jìn)行軟件編程和配置。

5G 系統(tǒng)架構(gòu)可以支持基于NFV 和SDN 技術(shù)的數(shù)據(jù)連接和服務(wù)[5]。包括：控制面功能和用戶面功能分離，各自可以獨(dú)立擴(kuò)展、獨(dú)立演進(jìn)、靈活部署；模塊化的功能設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)靈活有效的網(wǎng)絡(luò)切片；如果需要，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能和它的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)可以通過服務(wù)通信代理，與其他網(wǎng)絡(luò)功能和網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)直接或間接交互；最小化核心網(wǎng)CN 與接入網(wǎng)AN 之間的依賴，一個(gè)收斂的核心網(wǎng)，具備統(tǒng)一的CN-AN 接口，可以綜合接入 3GPP 或非3GPP 等不同接入類型。

2 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 NGMN 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于5G 新的網(wǎng)絡(luò)需求，下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)組織NGMN 提出了一個(gè)5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型。該架構(gòu)包含3層和一個(gè)端到端的管理編排實(shí)體，如圖 1所示。該架構(gòu)由NFV 和SDN 提供可編程能力，結(jié)構(gòu)化實(shí)現(xiàn)軟硬件分離。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[3]

（1）基礎(chǔ)設(shè)施資源層?；A(chǔ)設(shè)施資源層由固定移動(dòng)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)資源組成，包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)、接入結(jié)點(diǎn)、云結(jié)點(diǎn)、5G 設(shè)備和相關(guān)鏈路等。5G 設(shè)備具備多種配置能力，根據(jù)上下文，可以用作中繼、集線器、計(jì)算資源或存儲(chǔ)資源使用。作為一種可配置資源，5G 設(shè)備可通過 API 接口呈現(xiàn)給高層和端到端管理編排實(shí)體。

（2）業(yè)務(wù)使能層。業(yè)務(wù)使能層是一個(gè)模塊化的網(wǎng)絡(luò)功能和增值能力庫。根據(jù)不同需求，這些功能和能力由編排實(shí)體通過API 接口調(diào)用。某些功能可能存在多種變體，比如，同樣功能的不同實(shí)現(xiàn)可能有不同的特性。與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相比，5G 網(wǎng)絡(luò)可以提供更加細(xì)化的業(yè)務(wù)性能服務(wù)。

（3）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。業(yè)務(wù)應(yīng)用層包含5G 網(wǎng)絡(luò)提供的具體應(yīng)用、商業(yè)模型和價(jià)值主題等。端到端管理編排實(shí)體與業(yè)務(wù)應(yīng)用層接口可以被用來為特定應(yīng)用建立專用網(wǎng)絡(luò)切片，或者將特定應(yīng)用映射到已有網(wǎng)絡(luò)切片。

（4）端到端管理編排實(shí)體。端到端管理編排實(shí)體是將5G 應(yīng)用與商業(yè)模型轉(zhuǎn)換為實(shí)際網(wǎng)絡(luò)功能和切片的連接紐帶。它為特定應(yīng)用實(shí)例定義與對(duì)應(yīng)模塊化網(wǎng)絡(luò)功能相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)切片、配置相關(guān)參數(shù)，最后映射到基礎(chǔ)設(shè)施資源上。對(duì)一些特定商業(yè)模型，它可以為第三方提供通過 API 和XaaS 等手段創(chuàng)建和管理它們自己的網(wǎng)絡(luò)切片的途徑。由于其模塊化的功能特點(diǎn)，端到端管理編排實(shí)體可以綜合 NFV、SDN、SON 等在不同領(lǐng)域的優(yōu)勢。

2.2 5G 新核心網(wǎng)主要特征

為了支持多場景、大帶寬、低時(shí)延、高密度、靈活組網(wǎng)等需求，5G 核心網(wǎng)相較于4G 及更早網(wǎng)絡(luò)有較大變化，主要表現(xiàn)在基于 SDN/NFV 的通用平臺(tái) [2， 6， 7]、端到端的網(wǎng)絡(luò)切片和服務(wù)化的架構(gòu) SBA 等。

2.2.1 基于SDN/NFV 的通用平臺(tái)

軟件定義網(wǎng)絡(luò) SDN 是網(wǎng)絡(luò)虛擬化方式實(shí)現(xiàn)的一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，起源于2006年斯坦福大學(xué)的Clean State 研究課題。2009 年，Mckeown 教授正式提出了SDN 概念。其核心技術(shù) OpenFlow 把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，靈活控制網(wǎng)絡(luò)流量，使網(wǎng)絡(luò)作為管道變得更加智能，為核心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用創(chuàng)新提供了良好的平臺(tái)。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 NFV 是由一些著名的電信運(yùn)行商提出并推動(dòng)發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，采用通用的 COTS 服務(wù)器代替目前電信網(wǎng)絡(luò)中的各專用平臺(tái)。各種網(wǎng)元、服務(wù)可以靈活部署在基于標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器的統(tǒng)一平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，從而減少對(duì)專用設(shè)備的過度依賴，通過虛擬資源增加組網(wǎng)靈活性。

NFV 和SDN 相互獨(dú)立，可相互補(bǔ)充。 NFV 強(qiáng)調(diào)的是軟硬件解耦，通過虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件資源的共享；SDN 突出網(wǎng)絡(luò)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，增加網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜆I(yè)務(wù)調(diào)度動(dòng)態(tài)性、靈活性。將兩者結(jié)合，可以按照不同客戶需求，進(jìn)行自適應(yīng)業(yè)務(wù)定制、調(diào)整及增值。

引入SDN/NFV 技術(shù)，5G 基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)將更多地采用支持軟硬件解耦、支持網(wǎng)絡(luò)切片的通用硬件架構(gòu)，通過虛擬化資源的動(dòng)態(tài)配置，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的靈活部署。在廣域網(wǎng)層面， NFV 編排器、SDN 控制器可實(shí)現(xiàn)跨中心或不同層級(jí)的資源調(diào)度與廣域互聯(lián)；在城域網(wǎng)內(nèi)，SDN控制器可以靈活運(yùn)用支持軟硬件解耦的NFVI 基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)本中心資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度。

SDN/NFV 技術(shù)在接入網(wǎng)中的應(yīng)用是移動(dòng)通信發(fā)展的重要方向。利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，可以在同一基站平臺(tái)同時(shí)承載多個(gè)不同類型的無線接入方案，還可以實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)內(nèi)部各功能實(shí)體動(dòng)態(tài)無縫連接，靈活配置客戶所需的業(yè)務(wù)模式。SDN/NFV 平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 SDN/NFV平臺(tái)架構(gòu)

2.2.2 端到端的網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片（ Network Slicing），也稱為5G 切片，支持一種特殊連接類型的通信服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)切片將充分利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 NFV 的特性，通過切片管理和切片選擇，按客戶需求組建端到端的邏輯網(wǎng)絡(luò)，靈活提供相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

切片管理利用虛擬化資源平臺(tái)為客戶提供安全隔離、定制的專用邏輯網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)由業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)、實(shí)例編排、運(yùn)行管理 3個(gè)階段，設(shè)定切片參數(shù)、實(shí)現(xiàn)切片實(shí)例化、對(duì)切片進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)維護(hù)。

切片選擇功能實(shí)現(xiàn)用戶終端與網(wǎng)絡(luò)切片間的接入映射，結(jié)合客戶簽約等因素，采用獨(dú)立架構(gòu)或共享架構(gòu)的形式，為客戶終端提供合適的切片接入選擇。獨(dú)立架構(gòu)切片邏輯資源、邏輯功能完全隔離，每個(gè)切片功能完整。共享架構(gòu)形式時(shí)多個(gè)切片間部分網(wǎng)絡(luò)功能共享。比如，共享移動(dòng)性管理等控制面功能，獨(dú)立組建業(yè)務(wù)粒度的控制和轉(zhuǎn)發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)客戶特定服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)切片功能架構(gòu)如圖 3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)切片功能架構(gòu)

2.2.3 服務(wù)化的架構(gòu)SBA

服務(wù)化架構(gòu) SBA 是5G 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)，是5G 新核心網(wǎng)的重要特征。按照“自包含、可重用、獨(dú)立管理”的原則， SBA 將網(wǎng)絡(luò)功能劃分為若干個(gè)可被靈活調(diào)用的服務(wù)模塊，根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活定制組網(wǎng)。3GPP R15 SBA 定義了基于服務(wù)的邏輯功能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)包含一組邏輯網(wǎng)絡(luò)功能 NF，每個(gè) 3GPP NF 可以通過基于服務(wù)的接口 SBI 來產(chǎn)生、調(diào)用一個(gè)或多個(gè) 3GPP NF 服務(wù)。3GPP 基于SBA 的5G 系統(tǒng)架構(gòu)如圖 4所示。

圖4 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[5]

面向R16的研究項(xiàng)目研究和評(píng)估對(duì) R15 SBA 的潛在優(yōu)化和增強(qiáng)，以便為5G 系統(tǒng)提供更好的靈活性和模塊化，更容易地定義網(wǎng)絡(luò)切片，更好地支持網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)的自動(dòng)化和高可靠性。具體包括：優(yōu)化系統(tǒng)功能模塊、改進(jìn)服務(wù)框架、高可靠部署架構(gòu)支持、將服務(wù)概念從5GC 控制平面擴(kuò)展到用戶平面等。

可以看到， 3GPP SBA 具備松耦合的微服務(wù)、高效的服務(wù)調(diào)用接口、自動(dòng)化智能化的服務(wù)管理框架等特征；對(duì)運(yùn)營商而言， SBA 可以提供敏捷、易擴(kuò)展、開放、靈活組網(wǎng)的能力。

3 結(jié)束語

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與日新月異的需求，推動(dòng)了移動(dòng)通信技術(shù)的不斷更新，對(duì)新的移動(dòng)通信技術(shù)也提出了更高的要求。5G移動(dòng)通信引入全新的服務(wù)化架構(gòu)、SDN/NFV 技術(shù)，基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)采用通用的 COTS 服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，通過虛擬化資源的動(dòng)態(tài)配置、靈活的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可以為5G 時(shí)代增強(qiáng)移動(dòng)帶寬、超高可靠低時(shí)延通信、海量機(jī)器通信等各種場景提供滿意的服務(wù)。