5G網絡技術研究現狀和發展趨勢

王胡成，徐 暉，程志密，王 可

（1.無線移動通信國家重點實驗室（電信科學技術研究院）北京 100191；2.北京郵電大學 北京 100876）

1 移動通信網絡中的新需求

每一代移動通信系統都是在一定的技術基礎上，因特定的業務/用戶需求而誕生的。第一代移動通信系統出現在蜂窩系統理論提出之后，主要滿足人們無線移動通話的需求；隨著數字蜂窩技術的發展與成熟，為了進一步提高移動通話的質量，推出了實現數字化語音業務的第二代（2G）蜂窩移動通信系統；20世紀末，IP和互聯網技術的快速發展改變了人們的通信方式，傳統的語音通信的吸引力下降，人們期望無線移動網絡也能夠提供互聯網業務，于是出現了能夠提供數據業務的第三代（3G）移動通信系統；21世紀飛速發展的信息技術為人們提供了更多的移動通信業務，這對3G系統的服務能力提出挑戰，因此實現無線網絡寬帶化的第四代（4G）移動通信系統應運而生。4G網絡是全IP化網絡，主要提供數據業務，其數據傳輸的上行速率可達20 Mbit/s，下行速率高達100 Mbit/s，基本能夠滿足各種移動通信業務的需求，然而移動互聯網技術和物聯網技術的快速發展又幾乎顛覆了傳統的移動通信模式，這些新型移動通信業務，例如社交網絡、移動云計算、車聯網等，對移動通信網絡的發展提出了新的需求。

根據對未來移動通信網絡中典型的通信場景的研究可知，未來移動通信網絡將服務于人們居住、工作、休閑和交通等各種場所，涵蓋了住宅區、辦公室、體育場、露天集會、高速鐵路等多種場景。這些不同場景下的移動通信具有不同的特征，例如超高的流量密度、超高的連接數密度、超低時延、超高的移動性等，因此，國內外的科研組織機構都對未來移動通信網絡中的通信場景進行了分類研究，例如國內IMT-2020網絡工作組將這些通信場景分為以下比較典型的4類[1]。

·連續廣域覆蓋場景：最傳統的通信場景，以保證用戶的移動性和業務連續性為目標，為用戶提供100 Mbit/s以上無縫的高速業務體驗。

·熱點高容量場景：主要面向局部熱點區域，為用戶提供極高的數據傳輸速率（1 Gbit/s），滿足網絡極高的流量密度（數十Tbit/s/km2）需求。

·低功耗大連接場景：針對物聯網中部署大量終端的應用場景，要求網絡支持超千億設備連接，滿足百萬/km2連接數密度指標要求，還要保證終端的超低功耗和超低成本。

·低時延高可靠場景：主要面向車聯網、工業控制等垂直行業的極端性能需求，為用戶提供毫秒級的端到端時延和/或接近100%的業務可靠性保證。

顯然，現有的服務于傳統通信業務的移動網絡難以適用于這些新的通信場景，因此需要面向新需求的移動通信技術展開研究。

2 LTE網絡的發展現狀和存在的問題

基礎的LTE網絡主要由eNB、MME、SGW和PGW構成，eNB負責空口信令和數據的傳輸，并與MME進行信令面交互，與SGW進行數據轉發；MME作為LTE網絡中的控制面節點，負責移動性管理和會話管理的控制；SGW和PGW既有控制面功能，又有用戶面功能，控制面功能主要包括數據傳輸隧道的建立和管理，用戶面負責數據傳輸。LTE網絡采用集中式的控制面管理機制，所有的移動性管理和會話管理的信令都需要由網絡中的集中控制節點MME來處理。LTE網絡的用戶面也采用集中式的數據路由，終端的所有上下行數據都必須經過PGW路由[2]。

隨著移動互聯網業務和物聯網業務的發展，LTE網絡逐漸難以適應新業務的需求或者網絡運營的新需求，具體表現為集中式的移動性管理機制決定需要在接入網和核心網之間存在大量的信令交互，當網絡中存在海量終端或者存在密集組網場景時，核心網將面臨信令擁塞的風險；集中式的路由方式降低“本地數據”的傳輸效率，使得內容的邊緣緩存難以部署；保持終端“永遠在線”可能導致網絡資源被大量閑置的PDN連接消耗，例如物聯網終端；網絡節點的邏輯與硬件緊耦合使得網絡的擴展性受到制約，網絡運營的成本增高。

近幾年來，LTE的標準化組織3GPP一直致力于LTE網絡的演進和增強，使得LTE網絡既能夠滿足用戶需求又能夠提高網絡運營的效率。從3GPP R8階段LTE標準的正式提出到R13階段標準項目的凍結，針對LTE網絡的特性增強可以分為以下幾類。

·提高網絡容量，為了提高熱點區域的系統容量，3GPP分別在R9提出的femto cell技術，在R12提出small cell技術，這有效地提高了LTE網絡本身的系統容量；而在R11提出的WLAN_NS，又是利用WLAN的補充覆蓋，間接地增加了整個3GPP系統的容量。

·提高數據傳輸效率：針對LTE系統中單個用戶的數據傳輸，3GPP提出了在R10的LIPA/SIPTO（local IP access/selected IP traffic offload） 和R11的LIMONET（LIPA mobility and SIPTO at the local network）技術，將用戶設備的上下行數據通過更靠近用戶位置的網關路由進行傳輸，從而縮短數據傳輸路徑的長度，提高傳輸效率；而針對向一組用戶進行下行數據傳輸的情況，3GPP R12階段提出的GCSE_LTE（group communication system enabler）項目改造了eMBMS技術，使得相同的消息可以通過多播的方式進行傳輸。除此之外，3GPP在R12的ProSe（proximity service）項目中還提出了鄰近通信技術，實現了鄰近終端之間的直接通信，有效地提高了鄰近終端間的數據傳輸效率。

·降低系統信令開銷：由于LTE網絡可能被用于服務機器類型通信（machine type communication，MTC）的終端，而MTC終端與手持終端相比，具有一定的特殊性或規律性，例如不頻繁數據傳輸特性、時延容忍、低移動性等，因此3GPP針對這類具有特殊規律的終端，在R13的HLCom（high latency communication）和eDRX項目中提出了信令過程優化的方法，降低這類終端的信令開銷。

·提高網絡的運營能力：網絡的運營能力包括對業務的支撐能力和對網絡資源優化調度的能力，3GPP在R13中提出了AESE（architecture enhancements for wervice capability exposure）和MONTE（monitoring enhancement）項目，實現了將網絡狀況和服務能力向第三方開放，提高了網絡業務應用的支撐能力；在網絡資源優化調度方面，3GPP在R10中提出NIMTC項目，實現了對網絡中系統信令的有效控制，為更高優先級業務的有效運行提供保障。

雖然3GPP針對LTE網絡做出一系列的優化和增強，然而LTE網絡的設計原則和網絡中基本的工作機制決定了優化和增強并不能完全地解決LTE網絡所面臨的問題。因此，新的移動通信網絡需要重新設計網絡架構和工作機制，從根本上解決LTE網絡難以應對的問題。

3 5G網絡相關的技術研究

目前已經掀起了5G系統研究的高潮，各科研組織、產業聯盟或實力廠商紛紛發布了5G相關的白皮書，介紹了與5G技術相關的研究狀況。

3.1 NGMN的白皮書

2014年12 月，世界運營商聯盟組織NGMN（Next Generation Mobile Network）發表了5G白皮書[3]。白皮書指出5G系統將是一個端到端的生態系統，能夠實現網絡高度融合，是一個由多種接入技術、多層網絡、多種設備和多種用戶類型交互的異構網絡環境，能夠提供跨越時間和空間的、無縫的、連續的用戶體驗。NGMN從6個方面進行了需求分析，包括用戶體驗、設備、商業模式、管理和運營、增強服務和系統性能，指出5G系統將實現一個完全移動的、萬物互聯的社會，能夠針對客戶和參與者創造價值，傳遞連續的體驗和實現持續的商業模式。

根據對5G的需求分析，NGMN給出了5G網絡的設計原則，具體可歸結為以下幾點：

·采用成本高效的密集布置；

·支持動態的無線拓撲；

·簡單化核心網絡，例如采用SDN（software defined networking，軟件定義網絡）技術；

·采用網絡分片提高系統的柔性功能和能力；

·鼓勵價值創造，降低新業務部署的復雜度；

·保護用戶的隱私；

·簡化運維和管理。

基于這些設計原則，NGMN提出了基于SDN、NFV（network function virtualization，網絡功能虛擬化）和云計算等先進技術的5G網絡架構，實現了以用戶為中心的更靈活、智能、高效和開放的5G新型網絡。

3.2 5GPPP對5G的分析

2014年，5GPPP（5G Public-Private Partnership）提 出了下一代通信網絡和服務，主要從以下5個方面進行分析和研究[4]。

（1）5G發展的驅動力分析

·為用戶提供新的服務能力，保證用戶體驗的連續性，促進新業務的發展，例如物聯網；

·資源整合的需求，將通信、計算和存儲資源整合到可編排的、統一的基礎設施中；

·用戶和社會對可持續和可擴展的網絡新技術的需求；

·對技術和商業創新的生態環境的需求。

（2）5G中關鍵性能指標分析

包括網絡容量、低時延、高移動性、較準確的終端位置信息以及系統的可靠性和可用性。

（3）5G的設計原則分析

要確保靈活、快速地適應多樣化的應用需求以及數據傳輸時的安全性和隱私性。

（4）5G的關鍵技術分析

·異構接入技術的融合；

·軟件驅動網絡，比如采用SDN、NFV、MEC（mobile edge computing）等技術保證網絡性能，提高系統的可擴展性和敏捷性；

·最優化網絡管理操作。

（5）5G的頻譜分析

5G將提供從幾百MHz到GHz范圍的頻譜，以提高整體系統容量。

3.3 4GAmerica的建議書

當全球范圍布置4G技術時，工業界已經開始了對5G的研究。同樣地，美國也開始了5G相關的研究工作。2014年10月，4G Americas頒布了5G需求和解決方案的建議書，闡述了下列問題：什么是5G時代的關鍵應用，存在什么樣的挑戰和需求，什么是新的關鍵技術和方案[5]。

4G Americas認為5G無線接入不僅僅是關于無線接口技術，而且是指未來的全面解決方案，能夠提供人與設備的無縫寬帶接入，因此，4G Americas針對5G的市場驅動、應用情況、需求、規則和技術進行了詳細地調研分析。

（1）市場驅動和應用情況

未來的移動網絡應該提供任何人和任何物的無線接入服務，例如物聯網、社交網絡和M2M通信等，不僅能夠給人們提供所需的信息，比如語音、視頻、醫療和娛樂等，還能夠創建個人網絡以供人們娛樂和協作，甚至實現機器與機器之間的交流學習，完成報警監視、家庭健康、車隊管理等方面的應用。因此，運營商最好的客戶范圍不再局限于人與人之間的通信，還包括物與物之間的通信。

（2）5G的需求

5G的需求驅動將來自用戶和網絡自身。用戶的需求驅動來自于對用戶的QoE提升，具體表現為連接的可靠性和傳輸速度、移動性支持、無縫的用戶體驗和對應用上下文的感知；網絡的需求驅動包括自動化網絡運維管理的需求和實現靈活高效的系統架構的需求。

（3）5G潛在的網絡技術

多RAT協同和管理、終端直通、高效的小數據傳輸、無線回路（backhaul）/接入整合、靈活的網絡、靈活的移動性支持、上下文感知、信息中心網絡。

3.4 IMT-2020推進組關于5G的研究

IMT-2020（5G）推進組是在2013年2月由工業和信息化部、發展和改革委員會、科學技術部共同支持下，集合國內產學研界多方技術力量，共同成立的5G移動通信技術研究組織。IMT-2020需求組于2014年5月發布了《5G愿景與需求》的白皮書，明確了5G網絡中的業務可分為移動互聯網業務和物聯網業務，并描述了不同業務在不同場景下的需求特征，由此啟動了國內關于5G網絡架構和關鍵技術的研究[6]。2015年5月，IMT-2020網絡組發布了《5G網絡技術架構》的白皮書，提出5G網絡架構的設計原則，包括控制轉發分離、控制功能重構、簡化核心網結構、靈活高效的控制轉發、支持高智能運營和開放網絡能力；確定SDN和NFV技術為實施5G新型設施平臺的基礎；給出了由接入平面、控制平面和轉發平面共同組成的5G網絡邏輯架構，圖1為參考文獻[1]中給出的架構。

根據IMT-2020網絡組對5G網絡架構的設計，接入平面包含各種無線接入設備，并能夠對無線接入進行協同控制，提高無線資源的利用率；控制平面通過網絡功能重構，實現控制的集中化，從而對接入資源或轉發資源進行全局調度。通過對控制平面功能的按需編排，可以實現面向用戶/業務需求的定制化服務。另外，基于控制平面之上的網絡能力開放層可以實現對網絡功能的高效抽象，從而屏蔽底層網絡的技術細節，實現運營商的網絡能力向第三方應用友好開放；轉發平面包括網絡中的轉發功能、用戶面下沉的分布式網關、邊緣內容緩存等，轉發平面接受集中的控制平面的統一控制，能夠有效提高數據轉發效率和靈活性。

圖1 IMT-2020定義的5G網絡邏輯架構

4 5G網絡技術相關的標準化研究

4.1 ITU

國際電信聯盟（ITU）從2012年開始了5G愿景、技術趨勢等前期研究，以凝聚全球對5G的共識。隨著前期研究工作逐步進入尾聲，ITU-R近期對外發布了IMT-2020工作計劃[7]，計劃于2016年初啟動5G技術性能需求和評估方法的研究，2017年底啟動5G候選提案征集，2020年底完成標準制定。在5G時代，ITU除了關注無線空口技術和無線接入網絡的發展之外，還對網絡架構給予了更多的關注，為此，ITU-T在SG13工作組下面新成立了一個焦點小組，專門研究IMT-2020網絡架構所面臨的問題、場景和需求，從而確定2020年及之后的國際移動通信5G部署的網絡標準化要求。

由于SDN對網絡技術的重大影響，5G網絡中難以避免SDN技術的融合，因此ITU-T在2012年年中也開始了SDN與電信網絡結合的標準研究，下一代網絡（next generation network，NGN）研究組SG13首先啟動了電信網絡SDN的需求和架構的項目，初步提出了在電信網絡中實現SDN的網絡架構。與此同時，SG11研究組與SG13研究組共同開展NGN相關信令和協議的研究。在SG13研究組的研究基礎上，SG11研究組主要進行SDN信令需求和框架的研究工作，并與SG13協商明確SG11側重對SDN信令需求、信令參考架構、信令的實現機制和協議、協議兼容性測試等標準的制定。SG11組研究的電信網絡SDN架構中的信令將與ONF制定的OpenFlow和OF-Config協議兼容，并將在其基礎上根據通信網絡的需求進行協議擴展，或者定義不同層面的協議標準。

4.2 3GPP

2014年11 月，沃達豐在3GPP SA1工作組會議上提交了一份潛在5G研究項目的報告[8]，指出了5G的4個方面的驅動力：用戶可感知的性能提升，在數據傳輸速率和時延上提供連續一致的用戶體驗；作為新業務的運營支撐平臺，提供更有價值的網絡服務，例如保證通信的低時延、高可靠性等；降低運營成本，提高能效；提供按需服務的能力，向用戶提供差異化、定制化的網絡服務。由于國內外很多研究組織都已經啟動了5G相關的研究，因此這份報告得到了絕大多數公司的支持，2015年2月，沃達豐在3GPP SA1工作組第69次會議上提出在R14階段進行SMARTER（new services and markets technology enablers）的立項。世界各研究組織在3GPP組織進行5G需求的輸入，包括4G America、NGMN、國內IMT-2020等，標志著3GPP開始了對5G系統的標準化研究。截至目前，SMARTER項目共搜集了20種典型用例，這些用例按照不同的需求場景大致可以分為以下幾類[9]。

·網絡架構與組網：主要指針對不同的業務需求進行按需組網，通過對網絡的切片，實現在一個物理網絡上劃分出多個虛擬網絡切片，分別服務于不同的業務需求。

·低時延高可靠通信：主要為了滿足對時延極其敏感、對通信可靠性要求極高的新型移動業務，例如自動駕駛、工業控制、飛行控制、遠程醫療等。

·低時延高速率通信：虛擬現實或增強現實類業務要求低傳輸時延和高數據傳輸速度，以保證用戶的體驗。

·熱點區域移動寬帶通信：典型的熱點高容量區域的通信場景，例如商場、寫字樓、辦公區等，需要滿足人們通過Gbit/s速率的移動寬帶接入進行娛樂或辦公的需求。

·廣域覆蓋下的移動寬帶接入：傳統的室外覆蓋場景下的移動寬帶接入，在這種場景下仍然要提供百兆帶寬的移動接入，并且保證在用戶高速移動（例如高速鐵路）時的一致性體驗。

4.3 CCSA

CCSA的TC1在2012年底成立了以軟件定義為核心特征的未來數據網絡（future data network，FDN）特別工作組，開始研究FDN的應用場景、需求、體系架構和通信協議等方面的標準化工作。

CCSA TC3 WG1工作組也成立了軟件化智能型通信網絡S-NICE子工作組，開始研究基于SDN的智能型通信網絡、網絡虛擬化和未來網絡3個方面的研究和標準化工作。

CCSA TC5 WG5工作開始針對移動通信網研究移動軟網絡方向的標準化工作。

5 未來網絡的發展趨勢

通過分析目前廣泛研究的5G網絡中的通信場景和LTE網絡的不足可以發現，未來5G網絡中存在的多種不同的通信場景分別具有不同的性能要求，而LTE網絡因為其自身的工作原理，并不能適用于這些新的通信場景，也無法滿足通信的性能要求。因此未來需要重新定義5G網絡架構和支撐5G網絡架構的關鍵技術。

5G網絡發展的驅動力源于5G網絡中的需求，根據現有5G網絡的研究，例如3GPP SMARTER項目的需求劃分，5G的需求可分為業務自身的需求和網絡運營的需求兩個方面，因此，5G的網絡架構和關鍵技術需圍繞這兩個方面的需求進行設計。由于5G網絡中需支持多種不同類型的業務，存在多種不同的通信場景，因此5G的網絡架構不應該是靜態統一的，而應該能夠根據業務和通信場景的特點呈現不同的形態，實現以用戶為中心的目的，提高用戶體驗，例如針對移動云計算業務，采用分層架構以實現邊緣計算，從而降低信令開銷和減少業務傳輸時延；而對于物聯網業務，采用更加簡化的架構以降低網絡管理的復雜度，從而降低網絡成本，進而節省物聯網用戶的成本。此外，從網絡運營的需求考慮，為了實現5G網絡中用戶需求和網絡資源的匹配，保證用戶體驗并降低運營成本，提升業務感知能力和加強網絡能力開放，也是5G網絡的重要發展趨勢。綜合分析未來5G網絡技術的發展趨勢，可以總結為以下幾點。

（1）SDN和NFV成為平臺支撐技術

SDN對網絡技術產生了變革性的影響。傳統移動通信網絡的控制平面與轉發平面沒有完全分離，網絡的控制平面無法集中化，這使得網絡無法通過集中的平臺來統一控制和調度網絡硬件資源，因此網絡難以做到網絡資源的動態調整，無法實現根據用戶需求進行可編程操作的目的，也無法基于網絡的特性進行開放創新，從而難以做到網絡資源的按需分配，并且造成網絡中的新業務部署的周期很漫長。而SDN恰好具有控制與轉發分離、控制邏輯集中和網絡可編程三大特征[10]，因此成為新型網絡架構的支撐技術之一。

在傳統移動通信網絡中，網絡設備的邏輯和硬件緊耦合造成網絡的可擴展性差、擴容縮容困難、新業務的部署成本很高的問題。為了解決這些問題，電信產業界開始借鑒SDN的技術思想。2012年11月，AT&T、德國電信、中國移動等13個主流運營商牽頭在ETSI成立了NFV行業規范組（Industry Specification Group，ISG），研究利用IT虛擬化技術改造運營商網絡，使得網絡中的各節點的功能可以通過軟件實現，并實現功能的重構和網絡的智能編排；使得網絡的硬件基礎設施可以采用符合業界標準的高容量服務器、交換機和存儲設備，降低了設備的成本[11]。這樣的改造改變了運營商組建網絡的方式，提高了網絡的智能化運營水平，有利于網絡創新。因此NFV技術也是未來5G網絡的平臺支撐技術之一。

（2）網絡實現動態切片

多種類型的業務和多樣化的通信場景對5G網絡提出了多樣化的性能需求，而這些多樣化的性能需求顯然無法通過統一的網絡架構來保證，因此5G網絡需具備虛擬化切片的能力，使得每個網絡切片能夠適配不同的業務和通信場景，以提供合理的網絡控制和高效的資源利用。

網絡切片是指將物理網絡通過虛擬化技術分割為多個相互獨立的虛擬網絡，每個虛擬網絡被稱為一個網絡切片，每個網絡切片中的網絡功能可以在定制化的裁剪后，通過動態的網絡功能編排形成一個完整的實例化的網絡架構。通過為不同的業務和通信場景創建不同的網絡切片，使得網絡可以根據不同的業務特征采用不同的網絡架構和管理機制，包括合理的資源分配方式、控制管理機制和運營商策略，從而保證通信場景中的性能需求，提高用戶體驗以及網絡資源的高效利用，例如在超密集場景下引入本地化的控制管理機制和數據傳輸機制，降低網絡中的信令開銷和傳輸路徑的跳數。

（3）網絡能力深度開放

目前提出的5G網絡的需求都著重強調了用戶體驗，體現了以用戶為中心的理念。而用戶體驗的提高依賴于用戶需求與網絡服務的高度匹配，因此要求5G是一個開放的網絡，能夠實現業務信息與網絡服務信息的有效交互，促進用戶、網絡服務和業務應用之間的信息共享，提升網絡的服務水平和用戶的體驗。

目前3GPP在R13完成的AESE/MONTE項目已經實現了部分網絡能力的開放，比如將終端位置信息、終端狀態信息、網絡負載信息等上報給第三方應用以及接收第三方應用提供的終端通信模型來優化網絡。這種能力開放還比較初級，網絡和應用之間的信息交互程度有限，例如網絡還不能對業務應用進行大數據分析，業務應用也無法獲取網絡實時全面的資源信息。未來5G網絡將更大程度地實現能力開放，使得網絡和應用實現更緊密的互動、更深度的信息共享，使得應用可以基于網絡的資源狀況（基礎設施、管道能力、網絡服務、網絡數據）提供更優質的服務，網絡也可以基于應用層的用戶信息（業務特征、用戶狀態）進行資源的定制和優化調度，從而共同提高用戶體驗，實現用戶、網絡和應用的三方共贏。

6 結束語

移動互聯網和物聯網的發展推動了移動通信技術的更新，當LTE系統不能完全滿足新型移動通信業務的需求時，第五代移動通信網絡的研究已經啟動。從需求層面上講，5G網絡的需求指標突出了用戶體驗；從架構層面上講，受到IT產業的沖擊，5G網絡技術烙上明顯的IT印記，SDN和NFV的技術思想影響了5G系統架構的設計，例如控制轉發分離、網絡虛擬化等。

未來的5G網絡將以用戶為中心，注重用戶體驗，因此5G網絡將更加開放、智能、靈活。通過采用SDN和NFV作為平臺支撐技術，5G網絡可以實現更加開放的API，完成對用戶需求和業務特征的感知以及接受應用層的編程管理；基于對需求和通信場景的深度感知，5G網絡能夠完成對網絡功能的智能編排，靈活地完成網絡資源的高效調度，保證用戶體驗。

1 IMT-2020.5G網絡技術架構.2015 IMT-2020.5G Network Technology Architecture,2015

2 3GPP TS 23.401.General Packet Radio Service(GPRS)Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)Access,2014

3 NGMN Alliance.NGMN 5G White Paper,2015

4 5GPPP.The 5G Infrastructure Public Private Partnership:the Next Generation of Communication Networks and Services,2015

5 4G Americas.4G Americas’Recommendations on 5G Requirements and Solutions,2014

6 IMT-2020.5G愿景與需求白皮書,2014 IMT-2020.5G Vision and Demand White Paper,2014

7 ITU-R.ITU Towards“IMT for 2020 and Beyond”,2015

8 Vodafone.S1-144361.Overview of Potential 5G Study Item,2014

9 3GPP TR 22.891.Feasibility Study on New Services and Markets Technology Enablers,2015

10 ONF White Paper.Software-Defined Networking.The New Norm for Networks,2012

11 ETSI GS NFV 002.Network Functions Virtualization(NFV),2013