5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的5個(gè)重要問題
段曉東，孫滔，陳 煒，韓小勇。陸璐
(中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究所北京100053)
摘要：5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外業(yè)界研究的重點(diǎn)，虛擬化、云計(jì)算、軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)等技術(shù)的發(fā)展也使得蜂窩網(wǎng)架構(gòu)的重新設(shè)計(jì)成為可能。從背景及需求出發(fā)，提出了架構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的五大問題：集中或分布、無線網(wǎng)與核心網(wǎng)定位、網(wǎng)絡(luò)組織與編排、NFV／SDN的影響、演進(jìn)或顛覆。對(duì)影響上述問題的因素進(jìn)行了初步探討。

關(guān)鍵詞：5G；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；NFV；SDN；虛擬化；分組網(wǎng)演進(jìn)

1引言
隨著4G網(wǎng)絡(luò)商用部署規(guī)模的迅速擴(kuò)展，其對(duì)當(dāng)前移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)及人們?nèi)粘Ｉ�活的影響得到進(jìn)一步體現(xiàn)。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的研發(fā)隨之被迅速提上日程，5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能、組織、管理等有著重要的影響，成為研究的焦點(diǎn)之一。
從接入能力來看，我國(guó)IMT．2020推進(jìn)組在2014年6月發(fā)布的《5G愿景與需求》白皮書【l】中對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)愿景做了清晰的總結(jié)。提出了5G的關(guān)鍵需求和能力指標(biāo)，包括：0．1—1 Gbit／s的用戶體驗(yàn)速率、每平方千米一百萬的連接數(shù)密度、毫秒級(jí)的端到端時(shí)延、每平方千米數(shù)十’rbi“s的流量密度、500 kndh以上的移動(dòng)性和數(shù)十Gbit／s的峰值速率。這些指標(biāo)要求網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備以下特性：更扁平的架構(gòu)、更快捷的內(nèi)容分發(fā)、更靈活的網(wǎng)絡(luò)編排、更簡(jiǎn)潔的移動(dòng)性管理、更高效的資源管理、更安全的網(wǎng)絡(luò)體系。
相對(duì)于接入網(wǎng)技術(shù)中2G、3G、LTE的變革，核心網(wǎng)主要經(jīng)歷了口化、控制和承載分離、分組化的變革。由于頻譜資源稀缺以及頻譜效率提升空間受限于香農(nóng)極限，業(yè)界逐漸認(rèn)識(shí)到．5G需求的實(shí)現(xiàn)，除了需要空中接口技術(shù)的突破以外，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的創(chuàng)新也是5G的關(guān)鍵推動(dòng)力之一。為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)速度更快、時(shí)延更低、連接更多、效率更高的愿景，有必要對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)元功能形態(tài)等進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)。

2 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究現(xiàn)狀
目前，國(guó)際上多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織都已經(jīng)開始進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)及其架構(gòu)的研究工作。這其中，ITU(國(guó)際電信聯(lián)盟)從5G愿景、需求、頻譜等角度人手，NGMN(下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò))聯(lián)盟從5G愿景、需求、架構(gòu)、技術(shù)等多方面全面展開。歐洲在2012年成立了MEⅡS，并在2014年2月成立5GPPP項(xiàng)目。韓國(guó)成立了5G Forum項(xiàng)目，13本成立了2020&Beyond Ad Hoc項(xiàng)目。3GPP作為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)最主要的制訂方，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)將是其國(guó)際組織的重點(diǎn)工作，目前業(yè)界預(yù)期將在R14開始啟動(dòng)相關(guān)工作。我國(guó)IMT-2020網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工作組中的國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商、研究機(jī)構(gòu)、設(shè)備商已經(jīng)開始著手這方面的討論。

從這些研究來看，目前5G的研究仍處于需求制定和空中接口技術(shù)攻關(guān)階段，尚未提出明確的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。但在5G架構(gòu)設(shè)計(jì)的需求以及可能的技術(shù)方面，已經(jīng)形成了一些共識(shí)。在需求方面，普遍將靈活、高效、支持多樣業(yè)務(wù)、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)等作為設(shè)計(jì)目標(biāo)；在技術(shù)方面，SDN、NFV等成為可能的基礎(chǔ)技術(shù)，核心網(wǎng)與接入網(wǎng)融合、移動(dòng)性管理、策略管理、網(wǎng)絡(luò)功能重組等成為值得進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問題。

3 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需解決的關(guān)鍵問題
3。1 集中或分布的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
集中與分布的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一直是爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。二者在業(yè)界中的應(yīng)用也是此消彼長(zhǎng)，交替上升。從互聯(lián)網(wǎng)角度來看，從最初的C／S到分布式P2P應(yīng)用，再到云計(jì)算中心等，其看似不同的發(fā)展思路其實(shí)是業(yè)務(wù)發(fā)展及設(shè)備處理能力的限制所造成的。
以人為例，人本身是一個(gè)完美的集中控制、分布式處理和感知的系統(tǒng)。大腦負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)器官及肢體所收集的信息進(jìn)行處理及管理。如果說之前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)中由于設(shè)備處理能力的限制，不得不使用分布式處理的方式．那么云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展將使得中心處理和優(yōu)化成為可能。

Google最新的“仙女座(Andromeda)”項(xiàng)目，采用集中控制的方式，提供虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如圖1所示。目前。 Google在全球約有40個(gè)數(shù)據(jù)中心。Google杰出工程師Amin Vahda表示“已經(jīng)看到邏輯集中及分層的控制與分布式的數(shù)據(jù)面比全分布更優(yōu)”，并且“目前很確信，通過明智地發(fā)揮集中而不是分布式的管理方式．建設(shè)一個(gè)本質(zhì)上更有效的系統(tǒng)”[21。Google的幾個(gè)關(guān)鍵服務(wù)系統(tǒng)均采用這種架構(gòu)，如GFS數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、BigTable、B4WAN網(wǎng)絡(luò)。

借鑒rI'公司的組網(wǎng)模式，無線網(wǎng)設(shè)計(jì)了集中式基帶池的架構(gòu)【3】，如圖2所示。通過對(duì)無線網(wǎng)元間的協(xié)作化分析可知，BBU的集中程度越高，實(shí)時(shí)處理效率就越高、協(xié)作化增益越大，更易減少重疊覆蓋的干擾。另一方面，從傳輸來看．BBU越集中對(duì)傳輸成本的要求也越高。無線網(wǎng)如此，核心網(wǎng)的控制與轉(zhuǎn)發(fā)也是如此。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)是計(jì)算、優(yōu)化及傳輸成本的折中。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是采用集中式架構(gòu)還是分布式架構(gòu)，以何種程度集中控制或分布化，是5G架構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的問題。

3．2接入網(wǎng)及核心網(wǎng)的界限
“無線接入網(wǎng)”+“核心網(wǎng)”是移動(dòng)網(wǎng)的傳統(tǒng)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)總體向著簡(jiǎn)化、扁平化的方向演進(jìn)。接入網(wǎng)按照不同階段有2G(GERAN)、3G(UTRAN)、LTE(E．UTRAN)之分；而核心網(wǎng)又有電路交換核心網(wǎng)(CS域)、分組核心網(wǎng)(Ps域)、IMS核心網(wǎng)之分。對(duì)接入網(wǎng)來說，不同階段除了空中接口革新外，其架構(gòu)也更加扁平化，LTE網(wǎng)絡(luò)中的Node B節(jié)點(diǎn)與RNC節(jié)點(diǎn)融合為單一的eNode B節(jié)點(diǎn)[41。核心網(wǎng)經(jīng)歷了從僅有電路域。到電路域與分組域并存，再到僅有分組域的變化歷程。但到目前，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)一直延續(xù)著無線接入網(wǎng)+核心網(wǎng)的分層架構(gòu)。
事實(shí)上。網(wǎng)絡(luò)扁平化的研究中．已經(jīng)對(duì)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的功能融合有所討論，如業(yè)界曾經(jīng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的“三合一”、“四合一”節(jié)點(diǎn)等[51。目前無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的功能已經(jīng)有了融合的跡象。
IP化、扁平化使得核心網(wǎng)的功能開始融入接入網(wǎng)。以本地IP接入(10cal IP access，LIPA)和中繼(relay)為代表的技術(shù)，將核心網(wǎng)的功能進(jìn)行了融合。在LIPA架構(gòu)中，PGW的功能被集成在HeNB上，實(shí)現(xiàn)了地址分配、路由的核心網(wǎng)功能與無線接入功能的融合。而在3GPP R10定義的中繼功能中。為中繼節(jié)點(diǎn)提供接入的DeNB是具有核心網(wǎng)功能的三合一節(jié)點(diǎn)，對(duì)中繼來說它是一個(gè)基站，且同時(shí)集成中繼節(jié)點(diǎn)的SGW及PGW功能。
集中化、虛擬化將使得接入網(wǎng)的功能上移到核心域。接入網(wǎng)功能上移最主要的驅(qū)動(dòng)力是集中處理和優(yōu)化需求。以C．RAN為代表的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其基帶處理等計(jì)算工作可在IrI’ 數(shù)據(jù)中心進(jìn)行，這使得其與核心網(wǎng)控制面共享計(jì)算資源成為可能。此外，接入網(wǎng)的連接管理、協(xié)議和信令、SON的功能可上移，與核心網(wǎng)的移動(dòng)性管理及連接管理功能融合優(yōu)化。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，接入網(wǎng)和核心網(wǎng)以何種形式存在，甚至是否還存在核心網(wǎng)、是否還有接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的區(qū)分．這是有待研究和回答的問題。

......

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的5個(gè)重要問題.pdf