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(luò)技術(shù)發(fā)展對5G系統(tǒng)的重要價值。5G網(wǎng)絡(luò)旨在以高性能和高效能為目標(biāo)重構(gòu)全網(wǎng)架構(gòu)和服務(wù)體系，支撐5G指標(biāo)和場景，滿足高效運(yùn)營的要求。

　　本文引入了“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，從5G場景與需求與網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)映射分析入手，梳理了5G架構(gòu)發(fā)展方向，描述5G概要級網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施框架，并對不同功能平面的架構(gòu)方案具體展開，提出5G網(wǎng)絡(luò)核心功能—網(wǎng)絡(luò)切片，在最后對5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)節(jié)奏進(jìn)行了總結(jié)，提出的架構(gòu)方案能匹配5G業(yè)務(wù)和運(yùn)營需求，對5G網(wǎng)絡(luò)后續(xù)研究工作具有推動作用。

　　1、5G網(wǎng)絡(luò)概要級框架

　　1）5G需求與網(wǎng)絡(luò)功能映射

　　5G愿景定義了更豐富的業(yè)務(wù)場景和全新的業(yè)務(wù)指標(biāo)，5G系統(tǒng)不能囿于單純的空口技術(shù)換代和峰值速率提升，需要將需求與能力指標(biāo)要求向網(wǎng)絡(luò)側(cè)推演，明確現(xiàn)網(wǎng)挑戰(zhàn)和發(fā)展方向，通過網(wǎng)絡(luò)側(cè)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(gòu)演進(jìn)方向映射

　?。?）指標(biāo)方面

　　首先，業(yè)務(wù)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(chǔ)常識，無法提供穩(wěn)定的體驗(yàn)速率支持，需要改變傳統(tǒng)的“終端一基站”一對一傳輸機(jī)制，引入聯(lián)合多站點(diǎn)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(dāng)前網(wǎng)關(guān)和業(yè)務(wù)服務(wù)器一般部署在網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)超5G時延要求，需要盡可能將網(wǎng)關(guān)和業(yè)務(wù)服務(wù)器下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，此外，4G定義的實(shí)時業(yè)務(wù)切換中斷時間（300 ms）也無法滿足5G高實(shí)時性業(yè)務(wù)要求，這意味需要引人更高效的切換機(jī)制；

　　最后，現(xiàn)網(wǎng)限于中心轉(zhuǎn)發(fā)和單一控制的功能機(jī)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(fēng)險，這要求5G網(wǎng)絡(luò)控制功能更靈活，流量分布更均衡。

　?。?）運(yùn)營能效方面

　　4G網(wǎng)絡(luò)主要定位在互聯(lián)網(wǎng)接入管道，長期形成了重建設(shè)、輕運(yùn)維的定式，簡單化的運(yùn)營手段難以適應(yīng)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(luò)設(shè)備平臺資源利用率低，不具備動態(tài)擴(kuò)縮容能力。這要求網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要引入互聯(lián)網(wǎng)靈活快速的服務(wù)理念和更彈性的基礎(chǔ)設(shè)施平臺。

　　2）5G網(wǎng)絡(luò)邏輯功能框架

　　5G網(wǎng)絡(luò)采用基于功能平面的框架設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)與網(wǎng)元綁定的網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)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(luò)概要級系統(tǒng)框架

　　網(wǎng)絡(luò)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(fù)責(zé)生成信令控制、網(wǎng)管指令和業(yè)務(wù)編排邏輯，接入平面和數(shù)據(jù)平面主要負(fù)責(zé)執(zhí)行控制命令，實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)流在接入網(wǎng)的接入與核心網(wǎng)內(nèi)的轉(zhuǎn)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(shè)備，通過增強(qiáng)的異構(gòu)基站間交互機(jī)制構(gòu)建綜合的站間拓?fù)?，通過站間實(shí)時的信息交互與資源共享實(shí)現(xiàn)更高效的協(xié)同控制，滿足不同業(yè)務(wù)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(luò)接口?？刂泼婀δ芊纸獬杉?xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)功能組件，按照業(yè)務(wù)場景特性定制專用的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)精細(xì)化網(wǎng)絡(luò)資源管控和能力開放。

　?。?）數(shù)據(jù)平面

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

　　3）5G基礎(chǔ)設(shè)施平臺

　　5G網(wǎng)絡(luò)將改變傳統(tǒng)基于專用硬件的剛性基礎(chǔ)設(shè)施平臺，引入互聯(lián)網(wǎng)中云計(jì)算、虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)理念，構(gòu)建跨功能平面統(tǒng)一資源管理架構(gòu)和多業(yè)務(wù)承載資源平面，全面解決傳輸服務(wù)質(zhì)量、資源可擴(kuò)展性、組網(wǎng)靈活性等基礎(chǔ)性問題。

　　網(wǎng)絡(luò)虛擬化實(shí)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(luò)環(huán)境，是網(wǎng)絡(luò)資源管理的核心技術(shù)。

　　引入這一技術(shù)理念，底層基礎(chǔ)設(shè)施能為上層租戶提供一個充分自控的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，允許用戶自定義編址、自定義拓?fù)?、自定義轉(zhuǎn)發(fā)以及自定義協(xié)議，徹底打開基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力。

　　引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)理念：

　　在控制平面，通過對網(wǎng)絡(luò)、計(jì)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源與編程能力的銜接；

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

　　2、5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)方向

　　1）5G接入平面—異構(gòu)站間協(xié)同組網(wǎng)

　　面向不同的應(yīng)用場景，無線接入網(wǎng)由孤立管道轉(zhuǎn)向支持異構(gòu)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(shí)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(yàn)速率。圖2描繪了涉及的組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)。

　　圖2 異構(gòu)站間組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

　?。?） C-RAN

　　集中式C-RAN組網(wǎng)是未來無線接入網(wǎng)演進(jìn)的重要方向。在滿足一定的前傳和回傳網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)適用于熱點(diǎn)高容量場景布網(wǎng)。

　　面向5G的C-RAN部署架構(gòu)中，遠(yuǎn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)跨多個RRU間的大范圍控制協(xié)調(diào)。利用BBURRU接口重構(gòu)技術(shù)，可以平衡高實(shí)時性和傳輸網(wǎng)絡(luò)性能要求。

　?。?）D-RAN

　　能適應(yīng)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(gòu)中，每個站點(diǎn)都有完整的協(xié)議處理功能。

　　站點(diǎn)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(yīng)性能要求D-RAN能對時延及其抖動進(jìn)行自適應(yīng)，基站不必依賴對端站點(diǎn)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(luò)

　　作為有線組網(wǎng)的補(bǔ)充，無線mesh網(wǎng)絡(luò)利用無線信道組織站間回傳網(wǎng)絡(luò)，提供接人能力的延伸。無線mesh網(wǎng)絡(luò)能夠聚合末端節(jié)點(diǎn)（基站和終端），構(gòu)建高效、即插即用的基站間無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，提高基站間的協(xié)調(diào)能力和效率，降低中心化架構(gòu)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(shí)現(xiàn)易部署、易維護(hù)的輕型網(wǎng)絡(luò)。

　　2）5G數(shù)據(jù)平面—網(wǎng)關(guān)與業(yè)務(wù)下沉

　　如圖3中(a)部分所示，通過現(xiàn)有網(wǎng)關(guān)設(shè)備內(nèi)的控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能分離，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的簡化和下沉部署，支持“業(yè)務(wù)進(jìn)管道”，提供更低的業(yè)務(wù)時延和更高的流量調(diào)度靈活性。

　　圖3 核心網(wǎng)功能重構(gòu)

　　通過網(wǎng)關(guān)控制承載分離，將會話和連接控制功能從網(wǎng)關(guān)中抽離，簡化后的網(wǎng)關(guān)下沉到匯聚層，專注于流量轉(zhuǎn)發(fā)與業(yè)務(wù)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(jìn)固定和移動網(wǎng)關(guān)功能和設(shè)備形態(tài)逐漸歸一，形成面向多業(yè)務(wù)的統(tǒng)一承載平臺。

　　IP錨點(diǎn)下沉使移動網(wǎng)絡(luò)具備層三組大網(wǎng)的能力，因此應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫可以隨著網(wǎng)關(guān)設(shè)備一同下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，使互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、云計(jì)算服務(wù)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(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)能力融合，更好地支持5G低時延和高帶寬業(yè)務(wù)的要求。

　　3）5G控制平面—網(wǎng)絡(luò)控制功能重構(gòu)

　　網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)功能下沉的同時，抽離的轉(zhuǎn)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(jìn)行組件化拆分，以基于服務(wù)調(diào)用的方式進(jìn)行重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可按業(yè)務(wù)場景構(gòu)造專用架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，滿足5G差異化服務(wù)需求，如圖3中（b）所示。控制功能重構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下方面。

　　（1）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(gòu)組件基礎(chǔ)，并按應(yīng)用場景標(biāo)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(jìn)行解藕，定義統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫功能組件，實(shí)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。

　?。?）基于服務(wù)的組件調(diào)用按照接人終端類型和對應(yīng)的業(yè)務(wù)場景，采用服務(wù)聚合的設(shè)計(jì)思路，服務(wù)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(wù)流程，構(gòu)建場景專用的網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)引擎能支持局部架構(gòu)更新和組件共享，并向第三方開放組網(wǎng)能力。

　　3、5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)—端到端網(wǎng)絡(luò)切片

　　網(wǎng)絡(luò)切片利用虛擬化技術(shù)將通用的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施資源根據(jù)場景需求虛擬化為多個專用虛擬網(wǎng)絡(luò)每個切片都可獨(dú)立按照業(yè)務(wù)場景的需要和話務(wù)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能的定制剪裁和相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)資源的編排管理，是5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)例化。

　　網(wǎng)絡(luò)切片打通了業(yè)務(wù)場景、網(wǎng)絡(luò)功能和基礎(chǔ)設(shè)施平臺間的適配接口。通過網(wǎng)絡(luò)功能和協(xié)議定制，網(wǎng)絡(luò)切片為不同業(yè)務(wù)場景提供所匹配的網(wǎng)絡(luò)功能。

　　例如，熱點(diǎn)高容量場景下的C-RAN架構(gòu)，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(luò)切片使網(wǎng)絡(luò)資源與部署位置解耦，支持切片資源動態(tài)擴(kuò)容縮容調(diào)整，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的靈活性和資源利用率。切片的資源隔離特性增強(qiáng)整體網(wǎng)絡(luò)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(yùn)營商首先根據(jù)業(yè)務(wù)場景需求匹配網(wǎng)絡(luò)切片模板，切片模板包含對所需的網(wǎng)絡(luò)功能組件，組件交互接口以及所需網(wǎng)絡(luò)資源的描述;上線時由服務(wù)引擎導(dǎo)人并解析模板，向資源平面申請網(wǎng)絡(luò)資源，并在申請到的資源上實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)功能和接口的實(shí)例化與服務(wù)編排，將切片遷移到運(yùn)行態(tài)。網(wǎng)絡(luò)切片可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行態(tài)中快速功能升級和資源調(diào)整.在業(yè)務(wù)下線時及時撤銷和回收資源。

　　圖4 網(wǎng)絡(luò)切片的創(chuàng)建過程

　　針對網(wǎng)絡(luò)切片的研究主要在3GPP和ETSI NFV產(chǎn)業(yè)推進(jìn)組進(jìn)行，3GPP重點(diǎn)研究網(wǎng)絡(luò)切片對網(wǎng)絡(luò)功能（如接入選擇、移動性、連接和計(jì)費(fèi)等）的影響，ETSI NFV產(chǎn)業(yè)推進(jìn)組則主要研究虛擬化網(wǎng)絡(luò)資源的生命周期管理。

　　當(dāng)前，通用硬件的性能和虛擬化平臺的穩(wěn)定性仍是網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)全面商用的瓶頸，運(yùn)營商也正通過概念驗(yàn)證和小范圍部署的方法穩(wěn)步推進(jìn)技術(shù)成熟。

　　4、5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

　　1）ITU

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

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

　　2018年底啟動SG技術(shù)評估及標(biāo)準(zhǔn)化；

　　計(jì)劃在2020年底形成商用能力。

　　2）IEEE

　　作為IEEE 3G4G標(biāo)準(zhǔn)的制定機(jī)構(gòu)，IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)委員會結(jié)合自身優(yōu)勢，積極推進(jìn)下一代無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.11ax）研制，并希望將其整合至5G技術(shù)體系。

　　IEEE通信學(xué)會也在積極探索5G標(biāo)準(zhǔn)化工作思路，目前計(jì)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(shù)研究。

　　3）3GPP

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

　　3GPP 5G研究預(yù)計(jì)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(guān)鍵技術(shù)研究；

　　R15作為第一個版本的5G標(biāo)準(zhǔn)，滿足部分5G需求，例如5G增強(qiáng)移動寬帶業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)；

　　R16完成全部標(biāo)準(zhǔn)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(jì)劃在2016年3月啟動5G技術(shù)研究工作。

　　3GPP業(yè)務(wù)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(biāo)準(zhǔn)化，目前已形成4個業(yè)務(wù)場景繼續(xù)后續(xù)工作，見表2。

　　表2 3GPP R14 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)關(guān)鍵功能和使能技術(shù)

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

　?。?）有能力處理移動流量、設(shè)備數(shù)快速增長；

　?。?）允許核心網(wǎng)和接人網(wǎng)各自演進(jìn)；

　?。?）支持如NFV、SDN等技術(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)成本，提高運(yùn)維效率、能效，靈活支持新業(yè)務(wù)。

　　SA2計(jì)劃在2018年輸出第一版的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需求和關(guān)鍵特性的梳理，篩選出第一階段重點(diǎn)研究的關(guān)鍵功能和使能技術(shù)（見表2）。R14階段后續(xù)工作將聚焦這些關(guān)鍵特性，開展架構(gòu)設(shè)計(jì)、技術(shù)方案和標(biāo)準(zhǔn)化評估工作。

　　5、結(jié)束語

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

　　新型,5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不再僅僅作為互聯(lián)網(wǎng)的一種接入網(wǎng)選項(xiàng)，而是以移動性為基礎(chǔ)來推動電信網(wǎng)絡(luò)的接入、連接能力與業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算、存儲能力全面融合。5G時代網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(yīng)用發(fā)展要求，同時還要向新的業(yè)務(wù)領(lǐng)域應(yīng)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(luò)服務(wù)。

　　5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展不必拘泥于革命或演進(jìn)的選擇，而是由兩種設(shè)計(jì)思想共同作用的合力來推動。