5G面临的挑战与网络架构

段弘涛

【摘要】自20世纪80年代以来，移动通信每十年出现一个革命性技术，推动着产业革新，为全球经济社会发展注入源源不断的动力。移动通信技术已经历了1G-4G四个时代，正朝着第5代移动通信技术（5G）阔步前进。抓住5G移动通信发展的新机遇，加快培育新技术新产业，驱动传统领域的数字化、网络化和智能化升级，成为打造未来国际竞争新优势的关键之举和战略之选。文章介绍了5G目前所面临的场景、无线接入等挑战，并对其网络架构进行了描述。

【关键词】5G；高速率；大带宽；挑战；SDN；网络架构

【Abstract】Since the 1980s， mobile communications has emerged a revolutionary technology every decade， driving industrial innovation and injecting a steady stream of power into global economic and social development. Mobile communication technology has gone through 1G-4G four times， is moving towards the 5th generation mobile communication technology （5G） stride forward. To seize the new opportunities for the development of 5G mobile communication， to speed up the cultivation of new technologies and new industries， to drive the traditional areas of digital， network and intelligent upgrades， to create a new international competitive advantage in the future and strategic options. The article introduces the challenges of 5G current scene， wireless access and its network architecture.

【Key words】5G；High speed；Large bandwidth；Challenge；SDN；Network architecture

面向2020年及未來，移动互联网和物联网业务将成为移动通信发展的主要驱动力。5G将满足人们在生活、工作等各区域的多样化业务需求，即使在密集住宅区、大型写字楼、体育场、地铁、高铁等具有超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性特征的场景，也可以为用户提供超高清视频、虚拟现实、云桌面、在线游戏等极致业务体验。5G还将渗透到物联网及工业、医疗、交通等行业，与其深度融合，有效满足此类垂直行业的多样化业务需求，实现真正的“万物互联”。

1. 5G面临的挑战

1.1 场景挑战。

（1）不同应用场景面临的性能挑战有所不同，用户体验速率、流量密度、时延、连接数等都会成为不同场景的挑战性指标。从移动互联网和物联网主要应用场景、业务需求及挑战出发，可归纳出连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个5G主要技术场景。

（2）连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足2020年及未来的移动互联网业务需求；低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务，是5G新拓展的场景，重点解决传统移动通信无法很好支持地物联网及垂直行业应用（不同应用场景面临的挑战见表1）。

1.2 无线接入挑战。

1.2.1 网络比较理想的演进升级方式是新网络部署后，原有网络的用户逐步平滑迁移至新网络，这样原有的频谱资源可重耕于新网络，降低网络运营的复杂度（网络间的互操作，OAM系统管理等），进一步提升频谱利用率和网络整体性能。然而在网络实际部署中，低版本网络上的部分用户难以迁移，退网困难，运营商往往需要同时维护多张网络的运营。随着5G时代的到来，运营商部署的网络将成倍增长，例如5G新空口和基于LTE演进的5G网络，叠加3.5GHz频段和可能的6GHz以上频段。此外，各运营商无线设备从传统宏站、分布式基站到Micro、Small Cell、Pico、relay等，形成了多模、多频、多形态的复杂网络。

1.2.2 多模，多频，多形态的无线网络带来了如下挑战：

（1）干扰大：同频组网本身带来的小区间干扰问题随着网络容量的增加而急剧增加；

（2）体验差：多制式之间互操作频繁，严重影响用户业务体验；用户移动过程中，多小区切换频繁，不仅连续性体验差，网络信令负载也成倍增长；

（3）效率低：频谱利用效率低，多制式对应的多频段频谱一般采用静态配置，很难根据业务的特征灵活动态共享频谱，导致频谱利用率下降；

（4）运维困难：每增加一种制式，运维的复杂度增加超过一倍；设备形态众多，设备配置管理和维护均非常复杂。

2. 5G网络架构

5G网络的构建需要达到超高速率、超大吞吐量、超高可靠性、超低延时等指标，以便为用户提供最佳的体验。

2.1 5G网络的部署应该具有以下特性：灵活的网络架构以及多种接口来支持不同面向多种业务的接入，在链路性能上能够用多跳的方式进行网络覆盖以及实现基站的Mac层和用户的直通，同时整个网络能够根据环境以及业务需求自我调整自我优化。

（1）为了满足5G网络能够随时随地接入网络的要求， 5G网络的重要指标是能够灵活扩展，因此采用扁平化IP网络架构，通过分布云的的移动核心信息传递功能，分布式软件架构和逻辑网关以及网络虚拟化等技术，将垂直的网络架构演进成分布式水平网络架构。

（2）未来的5G网络将是基于SDN、NFV和云计算技术的更加灵活、智能、高效和开放的网络系统。5G网络架构包含3个功能平面：控制云、接入云和转发云（5G网络架构见图1）。

2.2 控制云。

（1）控制云作为5G的控制核心，由多个运行在云计算数据中心的网络控制功能模块组成，主要包括无线资源管理模块、移动性管理模块、策略管理模块、信息中心模块、网络资源编排模块等。

（2）相比于传统LTE网络，5G网络控制云将分散的网络控制功能进一步集中和重构、功能模块软件化、网元虚拟化，并对外提供统一的网络能力开放接口。同时，控制云通过API接收来自接入云和转发云上报的网络状态信息，完成接入云和转发云的集中优化控制。

（3）控制云基于可重构的集中的网络控制功能，提供按需的接入、移动性和会话管理，支持精细化资源管控和全面开放能力。

2.3 接入云。

5G网络接入云包含多种部署场景，主要包括宏基站覆盖、微基站超密集覆盖、宏微联合覆盖等。

（1）在宏微联合覆盖场景下，通过覆盖与容量的分离（微基站负责容量、宏基站负责覆盖及微基站间资源协同管理），根据业务发展需求以及分布特性灵活部署微基站。同时，由宏基站充当微基站间的接入集中控制模块，对微基站间干扰协调、资源协同管理起到了一定帮助。对于微基站超密集覆盖的场景，微基站间的干扰协调、资源协同、缓存等需要进行分簇化集中控制。此时，接入集中控制模块可以由所分簇中某一微基站负责或者单独部署在数据处理中心。類似地，对于传统的宏覆盖场景，宏基站间的集中控制模块可以采用与微基站超密集覆盖同样的方式进行部署。

（2）未来5G接入网基于分簇化集中控制的主要功能体现在集中式的资源协同管理、无线网络虚拟化以及以用户为中心的虚拟小区等方面。

接入云引入多站点协作、多连接机制和多制式融合技术，构建更灵活的接入网拓扑。

2.4 转发云。

（1）5G网络转发云实现了核心网控制面与数据面的彻底分离，更专注于聚焦数据流的高速转发与处理。同时，运营商防火墙等网元在转发云中的部署，将传统网络的链状部署改善为与转发网元一同网状部署。此时，转发云根据控制云的集中控制，使5G网络能够根据用户业务需求，软件定义每个业务流转发路径，实现转发网元与业务使能网元的灵活选择。除此之外，转发云可以根据控制云下发的缓存策略实现受欢迎内容的缓存，降低核心网数据量。

（2）为了提升转发云的数据处理和转发效率等，转发云需要周期或非周期地将网络状态信息通过API上报给控制云进行集中优化控制。考虑到控制云与转发云之间的传播时延，某些对时延要求特别严格的事件需要转发云进行本地处理。

（3）转发云具备分布式的数据转发和处理功能，提供更动态的锚点设置，以及更丰富的业务链处理能力。

（4）基于“三朵云”的新型5G网络架构是移动网络未来的发展方向，但实际网络发展在满足未来新业务和新场景需求的同时，也要充分考虑现有移动网络的演进途径。5G网络架构的发展会存在局部变化到全网变革的中间阶段，通信技术与IT技术的融合会从核心网向无线接入网逐步延伸，最终形成网络架构的整体演变。

3. 结束语

（1）5G移动宽带系统将成为面向2020年以后人类信息社会需求的无线移动通信系统。

（2）5G不仅是更高速率、更大带宽、更强能力的空中接口技术，还是面向业务应用和用户体验的智能网络。它是一个多业务多技术融合的网络，通过技术的演进和创新，满足未来包含广泛数据和连接的各种业务的快速发展需要，提升用户体验。

参考文献

[1] 杨峰义，张建敏，谢伟良，王敏，王海宁.5G蜂窝网络架构分析.电信科学.2015年.

[文章编号]1619-2737（2017）07-20-650