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5g网络架构解析
1、5G网络概要级框架
1）5G需求与网络功能映射
5G愿景定义了更丰富的业务场景和全新的业务指标，5G系统不能囿于单纯的空口技术换代和峰值速率提升，需要将需求与能力指标要求向网络侧推演，明确现网挑战和发展方向，通过网络侧的创新提供支撑，见表1。
表1 5G愿景、现网挑战与架构演进方向映射
（1）指标方面
首先，业务速率随用户移动和覆盖变化而改变是移动通信系统的基础常识，无法提供稳定的体验速率支持，需要改变传统的“终端一基站”一对一传输机制，引入联合多站点协同来平滑和保证速率；
其次，毫秒级时延是另一个挑战，当前网关和业务服务器一般部署在网络中心，受限于光传输速率，网内传输时延大多是百毫秒量级，远超5G时延要求，需要尽可能将网关和业务服务器下沉到网络边缘，此外，4G定义的实时业务切换中断时间（300 ms）也无法满足5G高实时性业务要求，这意味需要引人更高效的切换机制；
最后，现网限于中心转发和单一控制的功能机制，在高吞吐量和大连接的背景下会造成更大的拥塞和过载风险，这要求5G网络控制功能更灵活，流量分布更均衡。
（2）运营能效方面
4G网络主要定位在互联网接入管道，长期形成了重建设、轻运维的定式，简单化的运营手段难以适应5G物联网和垂直行业高度差异化的要求。
与此同时，基于专用硬件的刚性网络设备平台资源利用率低，不具备动态扩缩容能力。这要求网络侧需要引入互联网灵活快速的服务理念和更弹性的基础设施平台。
2）5G网络逻辑功能框架
5G网络采用基于功能平面的框架设计，将传统与网元绑定的网络功能进行抽离和重组，重新划分为3个功能平面：接入平面、控制平面和数据平面（如图1所示）。
图1 5G网络概要级系统框架
网络功能在平面内聚合程度更高，平面间解藕更充分。其中，控制平面主要负责生成信令控制、网管指令和业务编排逻辑，接入平面和数据平面主要负责执行控制命令，实现对业务流在接入网的接入与核心网内的转发。各平面的功能概述如下。
（1）接入平面
涵盖各种类型的基站和无线接入设备，通过增强的异构基站间交互机制构建综合的站间拓扑，通过站间实时的信息交互与资源共享实现更高效的协同控制，满足不同业务场景的需求。
（2）控制平面
为5G新空口和传统空口提供统一的网络接口。控制面功能分解成细粒度的网络功能组件，按照业务场景特性定制专用的网络服务，并在此基础上实现精细化网络资源管控和能力开放。
（3）数据平面
核心网网关下沉到城域网汇聚层，采取分布式部署，整合分组转发、内容缓存和业务流加速能力，在控制平面的统一调度下，完成业务数据流转发和边缘处理。
3）5G基础设施平台
5G网络将改变传统基于专用硬件的刚性基础设施平台，引入互联网中云计算、虚拟化和软件定义网络等技术理念，构建跨功能平面统一资源管理架构和多业务承载资源平面，全面解决传输服务质量、资源可扩展性、组网灵活性等基础性问题。
网络虚拟化实现对底层资源的统一“池化管理”，向上提供相互隔离的有资源保证的多租户网络环境，是网络资源管理的核心技术。
引入这一技术理念，底层基础设施能为上层租户提供一个充分自控的虚拟专用网络环境，允许用户自定义编址、自定义拓扑、自定义转发以及自定义协议，彻底打开基础网络能力。
引入软件定义网络的技术理念：
在控制平面，通过对网络、计算和存储资源的统一软件编排和动态调配，在电信网中实现网络资源与编程能力的衔接；
在数据平面，通过对网络的转发行为进行抽象，实现利用高级语言对多种转发平台进行灵活的转发协议和转发流程定制，实现面向上层应用和性能要求的资源优化配置。
2、5G网络架构技术方向
1）5G接入平面—异构站间协同组网
面向不同的应用场景，无线接入网由孤立管道转向支持异构基站多样（集中或分布式）的协作，灵活利用有线和无线连接实现回传，提升小区边缘协同处理效率，优化边缘用户体验速率。图2描绘了涉及的组网关键技术。
图2 异构站间组网关键技术
（1） C-RAN
集中式C-RAN组网是未来无线接入网演进的重要方向。在满足一定的前传和回传网络的条件下，可以有效提升移动性和干扰协调的能力，重点适用于热点高容量场景布网。
面向5G的C-RAN部署架构中，远端无线处理单元RRU汇聚小范围内RRU信号经部分基带处理后进行前端数据传输，可支持小范围内物理层级别的协作化算法。
池化的基带处理中心集中部署移动性管理，多RAT管理，慢速干扰管理，基带用户面处理等功能，实现跨多个RRU间的大范围控制协调。利用BBURRU接口重构技术，可以平衡高实时性和传输网络性能要求。
（2）D-RAN
能适应多种回传条件的分布式D-RAN组网是5G接入网另一重要方向。在D-RAN组网架构中，每个站点都有完整的协议处理功能。
站点间根据回传条件，灵活选择分布式多层次协作方式来适应性能要求D-RAN能对时延及其抖动进行自适应，基站不必依赖对端站点的协作数据，也可正常工作。分布式组网适用于作为连续广域覆盖以及低时延等的场景组网。
（3）无线mesh网络
作为有线组网的补充，无线mesh网络利用无线信道组织站间回传网络，提供接人能力的延伸。无线mesh网络能够聚合末端节点（基站和终端），构建高效、即插即用的基站间无线传输网络，提高基站间的协调能力和效率，降低中心化架构下数据传输与信令交互的时延，提供更加动态、灵活的回传选择，支撑高动态性要求场景，实现易部署、易维护的轻型网络。
2）5G数据平面—网关与业务下沉
如图3中（a）部分所示，通过现有网关设备内的控制功能和转发功能分离，实现网关设备的简化和下沉部署，支持“业务进管道”，提供更低的业务时延和更高的流量调度灵活性。
图3 核心网功能重构
通过网关控制承载分离，将会话和连接控制功能从网关中抽离，简化后的网关下沉到汇聚层，专注于流量转发与业务流加速处理，更充分地利用管道资源，提升用户带宽，并逐步推进固定和移动网关功能和设备形态逐渐归一，形成面向多业务的统一承载平台。
IP锚点下沉使移动网络具备层三组大网的能力，因此应用服务器和数据库可以随着网关设备一同下沉到网络边缘，使互联网应用、云计算服务和媒体流缓存部署在高度分布的环境中，推动互联网应用与网络能力融合，更好地支持5G低时延和高带宽业务的要求。
3）5G控制平面—网络控制功能重构
网关转发功能下沉的同时，抽离的转发控制功能（NF-U）整合到控制平面中，并对原本与信令面网元绑定的控制功能（NF-C）进行组件化拆分，以基于服务调用的方式进行重构，实现可按业务场景构造专用架构的网络服务，满足5G差异化服务需求，如图3中（b）所示。控制功能重构的关键技术主要包括以下方面。
（1）控制面功能模块化梳理控制面信令流程，形成有限数量的高度内聚的功能模块作为重构组件基础，并按应用场景标记必选和可选的组件。
（2）状态与逻辑处理分离对用户移动性、会话和签约等状态信息的存储和逻辑进行解藕，定义统一数据库功能组件，实现统一调用，提高系统的顽健性和数据完整性。
（3）基于服务的组件调用按照接人终端类型和对应的业务场景，采用服务聚合的设计思路，服务引擎选择所需的功能组件和协议（如针对物联网的低移动性功能），组合业务流程，构建场景专用的网络，服务引擎能支持局部架构更新和组件共享，并向第三方开放组网能力。
3、5G网络服务—端到端网络切片
网络切片利用虚拟化技术将通用的网络基础设施资源根据场景需求虚拟化为多个专用虚拟网络每个切片都可独立按照业务场景的需要和话务模型进行网络功能的定制剪裁和相应网络资源的编排管理，是5G网络架构的实例化。
网络切片打通了业务场景、网络功能和基础设施平台间的适配接口。通过网络功能和协议定制，网络切片为不同业务场景提供所匹配的网络功能。
例如，热点高容量场景下的C-RAN架构，物联网场景下的轻量化移动性管理和非IP承载功能等。
同时，网络切片使网络资源与部署位置解耦，支持切片资源动态扩容缩容调整，提高网络服务的灵活性和资源利用率。切片的资源隔离特性增强整体网络健壮性和可靠性。
一个切片的生命周期包括创建、管理和撤销3个部分。
如图4所示，运营商首先根据业务场景需求匹配网络切片模板，切片模板包含对所需的网络功能组件，组件交互接口以及所需网络资源的描述;上线时由服务引擎导人并解析模板，向资源平面申请网络资源，并在申请到的资源上实现虚拟网络功能和接口的实例化与服务编排，将切片迁移到运行态。网络切片可以实现运行态中快速功能升级和资源调整。在业务下线时及时撤销和回收资源。
图4 网络切片的创建过程
针对网络切片的研究主要在3GPP和ETSI NFV产业推进组进行，3GPP重点研究网络切片对网络功能（如接入选择、移动性、连接和计费等）的影响，ETSI NFV产业推进组则主要研究虚拟化网络资源的生命周期管理。
当前，通用硬件的性能和虚拟化平台的稳定性仍是网络切片技术全面商用的瓶颈，运营商也正通过概念验证和小范围部署的方法稳步推进技术成熟。
4、5G网络标准化进展
1）ITU
ITU于2015年启动5G国际标准制定的准备工作，首先开展5G技术性能需求和评估方法研究，明确候选技术的具体性能需求和评估指标，形成提交模板；
2017年ITU-R发出征集IMT-2020技术方案的正式通知及邀请函，并启动5G候选技术征集；
2018年底启动SG技术评估及标准化；
计划在2020年底形成商用能力。
2）IEEE
作为IEEE 3G4G标准的制定机构，IEEE 802标准委员会结合自身优势，积极推进下一代无线局域网标准（IEEE 802.11ax）研制，并希望将其整合至5G技术体系。
IEEE通信学会也在积极探索5G标准化工作思路，目前计划成立信道建模、下一代前传接口、基于云的移动核心网和无线分析4个研究组，深入开展5G技术研究。
3）3GPP
全球业界普遍认可将在3GPP制定统一的5G标准。从2015年初开始，3GPP已启动5G相关议题讨论，初步确定了5G工作时间表。
3GPP 5G研究预计将包含3个版本：R14、R15、R16。
具体而言：
R14主要开展5G系统框架和关键技术研究；
R15作为第一个版本的5G标准，满足部分5G需求，例如5G增强移动宽带业务的标准；
R16完成全部标准化工作，于2020年初向ITU提交候选方案。3GPP无线接入网工作组计划在2016年3月启动5G技术研究工作。
3GPP业务需求工作组（SA1）最早于2015年启动“Smarter”研究课题，该课题将于2016一季度前完成标准化，目前已形成4个业务场景继续后续工作，见表2。
表2 3GPP R14 5G网络架构关键功能和使能技术
3GPP系统架构工作组（SA2）于2015年底正式启动5G网络架构的研究课题“extGen”立项书，明确了sG架构的基本功能愿景，包括
（1）有能力处理移动流量、设备数快速增长；
（2）允许核心网和接人网各自演进；
（3）支持如NFV、SDN等技术，降低网络成本，提高运维效率、能效，灵活支持新业务。
SA2计划在2018年输出第一版的5G网络架构标准，并于2019年中完成面向商用的完备规范版本。
目前，SA2正在进行5G网络架构需求和关键特性的梳理，筛选出第一阶段重点研究的关键功能和使能技术（见表2）。R14阶段后续工作将聚焦这些关键特性，开展架构设计、技术方案和标准化评估工作。
5g网络架构标准化更进一步
8月底，在波兰召开的3GPP CT3/4小组联合会上，经过产业界众多公司的联合讨论，3GPP确定采纳TCP、HTTP/2、JSON、Restful、OpenAPI 3.0的组合为基础，对5G核心网协议进行标准化。
这是继今年5月中国移动牵头在3GPP确定SBA（Service-based Architecture）作为5G网络基础架构后，5G标准化的又一个非常关键的里程碑，标志着5G网络架构标准化进一步走向落地。这为3GPP按计划于2018年6月完成5G核心网一阶段标准打下了重要基础。
移动通信系统每一代架构的革新都有与之适应和配套的协议演进和革新。从2/3G到4G再到5G，一步步都在向着更加IT化、开放化的方向发展。5G协议的选择使得“互联网化”和“云化”的基因深深融入新一代移动通信系统中。正如3GPP规范中所说，新一代协议的设计将给5G网络带来诸多优点“采用Cloud-native及互联网技术、面向未来、实现快速部署、连续的集成和发布新的网络功能和服务、便于运营商自有或第三方业务开发。”
undefined核心网控制面协议逐代演进
5G SBA接口的标准涉及多个层次和方面的协议选择，即传输层、应用层、序列化方法、接口描述语言（IDL）、API设计方式。每个协议都有众多备选进入大家的视野。经过近两个月的分析、讨论、仿真、比较、筛选，3GPP最终确定采纳TCP、HTTP/2、JSON、OpenAPI 3.0、Restful的组合为基础，对5G核心网协议进行标准化。
undefined5G核心网协议选择
高性能、灵活是移动通信系统设计的不懈追求。在本次协议选择尘埃落定的同时，3GPP也指出后续版本（Release 16）的协议将进一步考虑HTTP/2 承载于QUIC/UDP和采用二进制编码方法（如CBOR）作为协议进一步演进优化的可能性。
在本次协议选型中，中国移动作为报告人联合国内外产业界伙伴进行了深入的分析和评估。引入新一代协议的共识反映了产业界对实现5G网络开放化、服务化的期望。中国移动研究院网络所黄振宁也在本次会上当选3GPP CT3副主席，将在后续5G协议进一步标准化中力求实现技术的复杂度及灵活性的平衡，继续为产业界积极贡献力量。
看完吓一跳，赶紧回忆一下LTE协议和接口…
LTE网络参考模型
LTE接口和协议
LTE用户面协议栈
LTE控制面协议栈
5g网络架构将全面革新
在8月17日由TD产业联盟举办的“面向5G的LTE网络创新研讨会”上，来自工信部、三大运营商、设备厂商和产业链的伙伴共同探讨了4G LTE网络向5G网络演进的诸多话题。
1、工信部：支持5G和LTE薄弱环节的研发
工业和信息化部信息通信发展司副司长陈家春表示，国家高度重视信息对经济发展的重要作用，也为信息通信行业的发展提出了更新和更高的要求。近10年间，我国实现了4G的跨越，建成了全球规模最大的4G网络，全球TD-LTE用户超过11.43亿。
5G作为新一代信息通信发展的主要方向，深刻地影响着各行各业。与4G相比，5G具有高速率等新特性，在用户体验方面需满足消费者对虚拟现实及超高清网络的需求，进一步提升用户的网络体验，能够满足各行业的应用需求，支撑社会创新发展。
为抓住5G发展的机遇，我国已于2016年1月率先启动了5G技术的研发实验。2016年9月，第一阶段测试已顺利完成，在支持5G研发的同时，还要继续大力支持LTE的发展，继续支持LTE增强性芯片和仪表等薄弱环节的研发。
2、信通院魏克军：二阶段结果满足ITU指标
在5G测试方面，我国已取得阶段性成果。中国信息通信研究院高级工程师魏克军做了以下总结。我国按计划有序组织5G技术研发试验，5G关键技术和技术方案性能得到初步验证，当前的测试结果可全面满足ITU确定的5G性能指标需求。我国以5G技术研发试验为平台，支持5G技术研发、标准化和产业发展，推动5G完整产业链的形成，为2020年5G商用目标顺利实现奠定基础。
同时，魏克军总结了中国5G第二阶段测试进展情况。华为、中兴基本完成了第二阶段的测试任务，爱立信、诺基亚已启动测试，大唐、三星后续将按计划启动测试工作。测试场景涵盖连续广域覆盖、热点高容量（低频和高频）、低时延高可靠和低功耗大连接场景，测试验证了不同系统厂商技术方案的可行性。是德、罗德、大唐联仪、展讯、MTK等芯片和仪表厂商也参与了测试，实现了仪表与系统设备的物理层互通，推动了5G产业链的构建。
3、中国电信韦乐平：5G核心网要做“减法”
在网络创新方面，中国电信集团公司科技委主任韦乐平表示，5G的使能技术包括SDN、NFV、Clouds、MEC、网络切片、大数据和机器学习六大核心。这其中，SDN/NFV是5G网络创新的关键，因为其能满足5G对网络的期望，即5G网络要提供差异化新业务、足够的包容性/灵活性、水平集成的云化网络架构。
谈及4G承载网络如何向5G承载网络演进，韦乐平表示可分3步。第一步，网络功能软件化、虚拟化乃至云化，硬件也需要标准化；控制面和用户面分离（CU分离）。第二步，网络功能模块化，可灵活调用；网络功能架构重构，适应5G业务的需要。第三步，业务功能微业务化，凸显其原子化、组件化、敏捷化和轻量化特征，进入虚拟化的高级阶段；应用也应该容器化，架构简单，性能接近裸机，同时扩展性和迁移性好、部署快、效率高；网络切片化和MEC化，以适应不同的业务和应用。
谈及未来5G核心网架构，韦乐平分享了自己的观点。他表示，5G核心网架构应该简化，因为从2G到4G的时候做的是“加法”，网元、接口和信令等不断繁衍，这就造成新特性/功能/应用等引入很慢。当部署5G网络的时候，应该做“减法”，核心网可能仅考虑NR与4G间的互操作，运营商可以通过CU分离和控制面融合达架构进一步简化。
对于当前热门的5G承载网话题，韦乐平表示，为满足5G时代的低时延、高带宽和灵活多样业务的需求，5G承载网需要向分布式、虚拟化、云化、可编程的方向演进。他认为，构筑单一的5G统传网（xHaul）是关键，运营商可以将回传和前传结合在一起形成统一的承载传送网。因为统传网有利于简化规划、设计、运维，提供定时功能，也易于通过IPv6分段路由提升网络扩展性和灵活性，协助运营商实现分布式智能和集中编程间的最佳平衡。在韦乐平看来，WDM-PON和IP+Optics是两种可满足前传带宽和延时要求的候选方案，与现有网络状况有关。
4、中国移动黄宇红：三步走加快5G商用
中国移动一直是中国5G发展的领头羊，中国移动对4G向5G演进的规划备受产业关注。中国移动通信集团公司研究院副院长黄宇红表示，4G标准成熟后几年后才开始商用，而按照2020年规模商用的目标，5G要在标准完成一两年后就开始大规模商用，时间紧、任务重、挑战大。因此，中国移动计划以终为始，加快5G商用的试验准备。
在具体计划方面，中国移动将在2017年中到2018年中开展5G技术试验，包括无线基本性能验证、标准方案验证及参数选择、面向规划技术验证以及面向组网技术验证。
在2018年中到2019年中，中国移动将开展5G规模试验，包括无线基本型技术验证，端到端互通，面向建设、组网、新技术的试验，以及发展终端样机。
在2019年中到2020年中，中国移动将开展5G网络预商用和商用，包括形成面向运营商的技术体系，面向友好用户的业务体验测试，开展规划、组网和建设工作。
黄宇红还表示，中国移动将通过部署3D-MIMO、TDD/FDD融合组网，进一步提升4G网络性能，满足多场景需求。在物联网方面，中国移动立足“云-管-端”，打造最强移动物联网生态。
5、中国电信孙震强：网络切片是重要抓手
中国电信股份有限公司北京研究院副总工程师孙震强表示，5G是面向产业的网络，垂直行业应用将成为5G产业发展的新方向，网络切片是解决垂直行业个性化需求的重要抓手。
网络切片可以实现在同一套硬件资源上利用虚拟化技术，根据用户的需求定制划分不同的网络资源，形成多个虚拟专网，从而集约高效地使用基础网络资源，还可以减少基础设施的重复投资，切片间业务还可实现完全隔离，还可提升端到端的用户体验。
5G网络切片可以按照关键场景进行划分。中国电信目前在做智能电网、智能城市的应用，这些企业可以采用无线技术和统一的网管，使用中国电信的网络来满足不同行业的需求。
6、中国联通唐雄燕：LTE向5G平滑演进
在网络架构的挑战方面，中国联通网络技术研究院首席专家唐雄燕表示，5G总体系统架构和无线接入架构都将发生革命性变化。OTT的主导作用更强，业务模式前所未有。另外5G网络云化、虚拟化、切片化趋势更加明显，所以5G网络架构的创新面临巨大挑战。目前运营商希望以LTE为起点，实现5G平滑演进。
中国联通目前在多方面发力，全面向5G进发。在语音业务方面，中国联通已经成功开通千兆级LTE网络，运用了3CA、4MIMO、256QAM等技术，最高传输速率达1.2~1.6Gbit/s。
在5G日程表方面，联通今年正在开展技术验证，2018年将开展大规模测试，2019年预商用，争取2020年正式商用。
7、华为徐学兵：4.5G持续演进，三个不等待
华为很早就提出了4.5G概念，在4G向5G演进方面助力全球诸多运营商积极开展实践。华为技术有限公司LTE产品线副总裁徐学兵表示，业界应以创新引领5G，加速4.5G演进，做大移动物联。
“5G不一定要等到2020年发号枪响才行动，在5G‘冰山’下有大量工作需要做。”对于4.5G演进，徐学兵说，华为提出5G商用的“三个不等待”。
首先，网络不等待。在频谱方面，5G竞争力始于4G，Sub-3GHz频段持续演进，构建5G体验基础网。在架构方面，一方面5G NSA要以4G为锚点建设5G，4G和5G一张网，5G的建设始于4G。另一方面运营商建设5G SA，使用上下行解耦可提升高频覆盖，存量低频覆盖任然是关键。
在站点和技术方面，基于存量4G，运营商打造面向5G的网络，如天面提前改造，可快人一步构建5G竞争力。4T4R是全球公认建网基准，是5G起步配置。Massive MIMO商用启航，满足话务热点的容量和体验需求。此外，运营商进行室内数字化改造，可提升4G室内体验，预埋5G演进能力。
其次，业务不等待。NB-IoT加速物联网发展，助力垂直行业数字化转型。通过在“端-管-云”发力，华为NB-IoT解决方案可成熟商用，助力中国物联业务探索。
最后，产业不等待。基于4G演进培育移动物联网生态，促进产业蓬勃发展，更多新物联网正在成长，揭开万物互联新纪元。华为正通过X Labs引领产业合作，探索新领域。
工商网监
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