5G标准化进展介绍及网络架构浅析＊

刘欣怡，宁帆，李鹏，刘崇华

(1 北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室，北京 100876； 2 中国航天科技集团公司第五研究院，北京 100094）

5G标准化进展介绍及网络架构浅析＊

刘欣怡1，宁帆1，李鹏2，刘崇华2

(1 北京邮电大学泛网无线通信教育部重点实验室，北京 100876； 2 中国航天科技集团公司第五研究院，北京 100094）

互联网的迅速发展，促使着信息爆炸时代的到来。第四代移动通信（4G）中采用的LTE系统已逐渐难以满足不断涌现出来的新业务需求，第五代移动通信技术（5G）正在快速发展。为满足更加丰富的通信需求，5G需要在4G的基础上开发出新的网络架构。本文对5G的特点、推进情况及新型网络架构相关技术进行了介绍。

5G；标准化；SDN/NFV；超密集异构；网络切片

随着互联网的发展与普及，全球网络资源需求急剧增长。相关机构和组织的研究表明，移动数据流量每年都在翻倍。有预测认为，2020年全球将会有260亿移动通信设备。2017年1月底，我国的互联网信息中心发布了《中国互联网发展状况统计报告》。报告内容显示，截至2016年12月，我国的网民数目达到了7.31亿，全国网民的普及率已经达到了53.2%。如此庞大的数目，相当于欧洲人口的总和。我国未来的网络流量需求显然是不可小觑的。

随着越来越多新业务需求不断涌现出来，伴随着未来可预见的远超人口总数的连接设备数量，4G已经无法满足即将到来的巨大业务需求量。就在4G刚推出不久，对5G的探索便已如火如荼。如何在未来的5G时代占领先机，引领5G发展，已经成为各有关研究机构首要关心的问题。

1 5G特点

1.1 5G构想

为了适应新的更多样的业务需求，满足对于未来万物联网的构想，实现真正意义上的万物互通互联。未来的5G时代，将会为我们实现更多更灵活、可靠、智能化的用户体验服务。

国际电信联盟（ITU）为5G定义了3种典型的应用场景：低功耗大连接的物联网（mMTC）、超可靠通信（uRLLC）以及增强型移动宽带（eMBB）。以图1所示的人与车之间的通信为例，mMTC代表了人车之间的通信，uRLLC代表了车与车之间的通信，即现在处于热门的研究方向之一的物联网。而eMBB则以现有的移动宽带业务场景为基础，直接和人与人之间的通信相关，通过不断地提升性能来朝着实现人与人之间最佳通信的方向努力。这3个应用场景对于覆盖率、速度、安全性等性能指标提出了不尽相同的要求，需要未来运营商根据实际情况进行灵活的改进与调整。

图1 5G的3个典型应用场景

美国联邦通信委员会（FCC）曾为我们明确指出了5G性能的三大发展方向：其一是5G中的无线链路能够提供的网速应10倍甚至于100倍于前技术。其二是5G的平均延时需降低到10 ms左右。尤其是当通信场景对实时性的要求较高时，其延时需要能够小于1 ms。其三是为了能够满足在速度和时延方面的要求，5G需要在毫米波段等拥有大带宽的频段内寻求更多的频谱资源。以上的3个性能指标，也是各国5G技术研究测试努力的目标。

1.2 5G技术难题

5G不仅对网速提出了高要求，同时还在接入密度、网络延迟、网络可靠性等方面提出了更高的要求。这从某种意义上说明了我们需要从架构方面进行修改。而如何做出修改，实现这些目标，显然还需要技术性的突破。此外，5G对安全性能也提出了新的要求。例如网络功能虚拟化的安全需求、网络切片的安全需求、多无线接入的安全需求等。

3GPP已经把设备间直接通信（D2D）技术列入到了5G的发展框架中，成为关键技术之一。虽然D2D通信将有助于对蜂窝系统中有限频谱资源的充分利用，但其产生的系统内干扰也将更加严重。

除此之外，资源方面也存在着局限。我国预计到2020年还会存在1 000 MHz的频谱缺口，现有的通信技术对频谱的利用率依然较低。FCC的一项研究表明，平均仅有15%～85%的授权频谱得到了充分利用。5G的发展还需要在网络的系统结构、组网技术及传输技术等方面进行新的变革，从根本上解决频谱有效性的问题。以上这些技术问题，都需要今后进一步研究解决。

2 5G推进情况

目前，全球业界已经对5G标准的制定流程达成了基本的共识。各个参与标准制定的国家将先在3GPP制定出统一的5G标准，随后再提交至ITU成为5G的国际通用标准。

目前全球许多国家都已经开展了5G研发工作。在世界移动通信大会上，中国以及其他国家的多家运营商和通信设备厂商都宣布已经加入到了研究5G的队伍中。欧洲于2012年成立了METIS，并于两年后成立了5GPPP项目，专攻于5G标准化。韩国则成立了5G Forum项目。日本也不甘落后，成立了2020&Beyond Ad Hoc项目。我国于2013年4月在工信部、发改委、科技部的共同支持下，创立了IMT-2020标准化推进组织。作为实现5G推进工作的重要平台，IMT-2020工作组联合国内外各方力量，积极开展合作，致力于共同推进5G的国际标准制定。

2.1 5G推进目标

ITU和3GPP都已经确定了5G时间表。ITU-R的5G标准计划分为3个阶段：第一阶段进行预标准化的研究；第二阶段是对于技术性需求与评估方法的研究阶段；第三阶段完成候选方案征集、评估及标准化工作。3GPP针对5G的R-15标准预计将于2018年6月出炉，这将是一个可以商用的标准。图2中下半部分直观展示了3GPP的5G标准的推进工作时间表。

我国的5G推进时间计划与ITU给出的5G推进时间表基本一致。即2013年开始对5G的需求、频谱及技术趋势方面的研究工作；2016年完成对技术评估方法的研究；2018年完成IMT-2020标准的征集；2020年最终确定5G标准。在我国的“十三五”信息化规划中，为5G发展制定的目标为到2018年，5G网络的技术研发和测试工作全面展开，互联网协议第6版（IPv6）被大规模部署和商用；到2020年，完成5G的技术研发测试并商用部署，互联网全面演进并升级至IPv6，未来新型的网络架构和关键技术取得重大突破。2016年9月22日，IMT-2020发布的《5G无线技术试验进展及后续计划》中给出了对于5G技术研发试验的总体规划。计划书中将5G技术研发试验分为了如图2中上半部分所示的两个阶段。现在我们正处于5G技术方案验证的关键攻艰阶段。

2.2 5G推进进展

目前，3GPP的首个5G规范标准《第五代移动通信系统的业务需求》已经问世。这标志着5G的标准化进程又迈出了重要一步。2017年3月9日，3GPP在杜布罗夫尼克举办了第75次全会。在会上，首个5G终端测试标准项目“Test methods for New Radio（5G新空口测试方法）”被正式立项，这标志着5G终端测试方面已经迈出了重要的实质性一步。同时，会上还正式通过了5G加速的提案，将5G新空口标准化进程加快了半年。3GPP将于2017年下半年开始将工作重点放在R-15标准的制定上，工作内容将包含对新的标准制定以及对LTE-Advanced Pro的进一步完善。2020年3月完成5G标准的制定工作。

多国运营商在这场5G争夺战中的推动力也不容小觑。2016年12月，美国的电信公司AT&T宣布其将为商用客户推出首个5G试运营服务。这是首次在下一代移动通信网络的试运营阶段提供服务给真实客户的尝试。韩国的通信运营商KT、SK电讯以及LG Uplus均于2017年先后开始投入5G试用项目，且计划在2018年的平昌冬奥会上推出5G服务。同时，日本运营商NTT DoCoMo预计可在2020年东京奥运会前实现5G商用。

图2 IMT-2020和3GPP的 5G技术研发试验及标准化总体规划

各个通信厂商在这次的技术更新换代中表现得尤为积极，其中最具有代表性的当属华为、爱立信、诺基亚、高通等。高通已经完成了对首个基于3GPP 5G新空口标准工作的5G连接，成为未来全球5G标准的最有力的竞争者之一。为抢占先机，提高竞争力，高通计划把5G商用时间点提前到2019年。

曾经的手机行业巨头们也在持续发力，以期能在5G时代重振雄风。爱立信负责人曾表示，今后几年中的几乎所有重要事项均要围绕着5G展开。诺基亚则正在逐渐转型为通信设备商，加紧对5G的布局。

放眼国内，在5G时代，我国立志于占据技术的制高点，全面发力5G相关工作。

华为在今年的MWC（世界移动通信大会）上，发布了业界首款5G承载分片路由器。中兴通讯于2014年6月时率先提出了Pre5G的概念，并把多项被列为5G候选技术的新技术超前地应用在了4G设备中。对这些设备的性能分析结果表明了其性能已经远超4G网络。这些创新可以为4G过渡至5G提供便捷路径。目前，中兴通讯已经在全球部署了40多个Pre5G网络，实现了Pre5G规模商用。中兴还在现有的3G/4G空口协议栈基础上进行扩展，根据5G的应用场景划分，提出了自己的5G空口协议栈，如图3所示。设计实现了5G空口统一化、灵活化和开放化的需求。在今年的世界移动通信大会上，中兴展出了一款5G高低频全系列预商用基站，并表示最早将在2018年的第三季度开始推动5G的预商用部署。

今年，中国5G技术研发试验的第二阶段测试已经全面展开。目前全球最大的5G试验外场的建设已经在北京怀柔启动，大唐在此进行了业界首次的5G基站覆盖能力测试及多个5G相关测试。中国移动也已经在位于怀柔的外场完成了30个站址的规划，在上海浦东和广州番禹的测试项目工作也均已开展，并把苏州、北京、上海、广州与宁波确定为全国首批5个5G外场测试试验网建设城市。中国电信也同样选址北上广作为率先建立5G实验室的城市。不甘落后的中国联通也计划于一两年之内开始5G的实验测试工作。

华为的外场测试验证了其可以达到ITU-R的指标要求。中国移动与华为联合进行的摸底测试结果表明，5G的低频段在200 MHz系统带宽下能够达到1.7 Gbit/s的平均用户速率。中兴通讯已经率先完成mMTC场景下的外场测试，测试结果满足要求，实测显示提升接入终端数量能力近600%，实现了等效千万级连接密度。大唐的5G基站覆盖能力外场测试，已经实现了可以在3.5 GHz频段条件下保持100 Mbit/s下载速率下覆盖距离超过2 km，能够达到与2.6 GHz频段下的4G 基站相近的覆盖能力。

2016年11月，3GPP的RAN第87次会议上，我国华为公司主推的极化码 (Polar Code)方案被确认成为5G控制信道eMBB场景下的编码方案。2017年6月，3GPP的专业会议上正式确认，5G的核心网将采用由中国移动牵头并联合26家公司提出的基于服务的网络架构（SBA架构）作为统一基础架构。这两项成就意味着我国的5G实力得到了认可，同时也预示着在即将到来的5G时代，我国的业内话语权将进一步增强。

图3 中兴提出的5G空中协议主体结构

2017年6月6日，工信部发布了对5G部署的初始频率规划。为适应和促进IMT-2020在我国的应用和发展，3 300～3 600 MHz和4 800～5 000 MHz频段将作为IMT-2020工作频段。在工信部此次发布的《工业和信息化部关于第五代国际移动通信系统（IMT-2020）使用3 300～3 600 MHz和4 800～5 000 MHz频段相关事宜的通知（征求意见稿）》中，针对不同的应用场景，对IMT-2020的工作频段进行更细致的划分。

3 5G网络架构关键技术

为满足新的场景和通信业务需求，5G中采取了不少创新性的技术，其中网络架构的变化是一个关键性的改变。根据IMT-2020（5G）推进组于2016年5月发布的《5G网络架构白皮书》，目前正是网络架构研究的关键阶段。下面着重对与网络架构相关的技术进行介绍。

3.1 SDN/NFV

SDN的概念是由Mckeown 教授在2009年正式提出的。SDN的优点显著。它不需要手工操作，减少了人为因素导致的配置错误，易于统一快速部署。

SDN作为一种网络中的创新型架构，具有以下几个显著的特点：控制与转发功能相分离；控制集中化；使用了被广泛定义的软件接口。最早提出SDN架构的ONF组织， 2016年最新公布了如图4所示的SDN架构。该架构将其自下到上共分为数据平面、控制平面和应用平面3部分，已经成为普遍公认和引用的架构。

图4 SDN架构

NFV是由运营商联盟提出的概念。其关键特点是将网络设备的功能从网络硬件中解耦出来，将电信硬件设备从专用产品转为商业化产品，并实现数据平面可编程。NFV和SDN之间有很好的互补性。尽管它们可以融合，但并不会因此而相互依赖。换言之，NFV可以不依赖于SDN实现另行部署。NFV可以弥补SDN在灵活性方面的不足，也将成为运营商在网络重构、架构重构、运营重构、业务重构方面的重要技术。

在5G的网络架构中，将采用“三朵云”的新兴网络架构，即接入云、控制云和转发云。SDN和NFV作为其中的重要技术基础，可以支持多种无线接入方式及集中统一控制管理与大容量业务数据传输功能。其中，SDN是实现控制云与转发云连接的关键，以灵活、高效、开放等为原则来实现5G网络在新构架下的转发分离化、功能模块化、网络虚拟化和部署分布化特性。

2017年4月，开放网络操作系统（ONOS）推出了一个新的版本，致力于将SDN和NFV的性能提升到能够承担起关键任务的水平。同一天，CORD项目公布了新的德国合作商，并将进一步致力于将SDN/NFV技术与云技术结合，打造更加灵活的服务平台。

3.2 超密集异构网络

SDN/NFV是未来网络发展的重要趋势之一，同时，异构网络融合是提高网络资源利用率的重点手段之一。因此，这两项技术在5G的发展过程中都需要被深入地研究与利用。

在当前与5G相关的理论技术研究中，与异构网络有关的内容至少包括了小小区（SC）的部署和D2D通信这两方面的技术问题。未来服务站点的数目将逐渐与用户数相当，如此密集的网络部署使得网络的频谱利用率大幅增加，系统容量也将会有很大的提升。

2016年9月，我国科技部发布的《国家863计划5G移动通信先期研究重大项目取得重要阶段性进展》中明确指出，该项目已经完成了支持大规模天线和超密集组网技术的仿真。

3.3 网络动态切片

网络切片，是指根据不同的业务场景和需求，使用有区别的具体方法来操作业务的用户平面和控制平面。5G中使用网络切片的目的是为了给用户提供业务所需的功能，省掉不必要的功能，从而提供更好的高效服务。

图5 网络切片架构

如图5所示，网络切片与网络虚拟化NFV密切相关，主要有切片管理和切片选择两大功能。切片管理可以为不同的切片需求方提供专用逻辑网络。其管理过程又可细分为商务设计、实例编排和运行管理3个步骤。切片选择功能实现的是用户与相应网络切片间的接入映射。用户可以接入的切片有共享切片和独立切片两种，前者共享部分的网络功能，后者在逻辑层面完全隔离，只有物理资源的共享。

各研究机构对网络切片的关注度持续高涨，相关的研究不断增多。就在今年的世界移动大会即将召开之际，英国电信与华为共同启动了关于5G网络切片的研究工作。在2017年的世界移动通信大会上，中国移动联合华为、德国电信和大众集团共同发布了《服务可保证的5G网络切片白皮书》。利用网络切片带来的灵活、优质的未来通信愿景值得期待。

4 结束语

目前，对于5G的研究已经全面展开。全球多个国家和组织机构都在此处发力，争取抢占先机。我国的5G推进工作也已经取得了一定的进展。只有顺应时代潮流，加深对5G的了解，加快5G标准的推进，才能处于世界领先地位。

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Introduction of 5G standardization advancing progress and analysis of network architecture

LIU Xin-yi1, NING Fan1, LI Peng2, LIU Chong-hua2
(1 Key Laboratory of Universal Wireless Communications, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China; 2 China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

The rapid development of the Internet is driving the era of information explosion. The LTE system adopted by the fourth generation mobile communication (4G) has become increasingly difficult to meet the emerging new business needs. The fifth generation of mobile communication technology (5G) is developing rapidly. In order to meet the richer demand for communication, 5G needs to develop a new network architecture on the basis of 4G. This paper introduced the characteristics of 5G, the process of standardization and the related technology of new network architecture.

5G; standardization; SDN/NFV; super-dense isomerism; network slices

TN929.5

A

1008-5599（2017）08-0044-06

2017-06-08

国家高技术研究发展计划（863计划）（No. 2015AA01A705）；国家自然科学基金（No. 61540021，61525101）。