5G移動通信系統的接入網絡架構

項弘禹，張欣然，樸竹穎，彭木根

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5G移動通信系統的接入網絡架構

項弘禹，張欣然，樸竹穎，彭木根

（北京郵電大學，北京 100876）

為了滿足巨流量、大鏈接、超低時延等5G組網性能需求，針對廣覆蓋和高容量設計的傳統無線接入網絡架構亟需演進。首先結合5G愿景與需求，闡明了5G接入網絡架構的特點和重要性；然后從學術界和產業界兩個角度詳細介紹了5G接入網絡架構的設計原理和具體組成，分析了優點和不足；最后，探討了接入網絡架構的挑戰和未來的可能發展方向。

5G；網絡架構；無線接入網絡

1 引言

5G移動網絡時代的日益靠近，使得全球產業界和學術界團體加速對于5G網絡架構的研究，盡早推出5G第一個商業版本。3GPP（Third Generation Partnership Project）早在2016年就公布了5G的兩種網絡架構[1]：獨立組網，即接入網絡僅包括新空口（new radio）或evolved E-UTRA；非獨立組網，接入網絡中新空口與evolved E-UTRA共存。并于2018年6月完成了5G NR R15的第二個版本，同時展開了R16版本標準化工作，這極大地提升了業界對于5G的信心，對5G的后續標準推進和產業發展產生了重大影響。

2 5G網絡愿景與架構特點

2.1 5G需求與挑戰

隨著物聯網、車聯網等技術的蓬勃發展，網絡中的接入終端種類與數量不斷增長，5G無線網絡將實現真正的“萬物互聯”。預計到2030年，全球移動通信設備總數將達到1 000億量級，移動數據流量相較2010年增長約20 000倍[2]。移動網絡中的數據流量呈現分布不均勻，隨時間、地點和應用變化多樣的特點，為網絡傳輸帶來了巨大的壓力。另一方面，未來移動通信網絡中出現了許多新興業務，既包含小數據分組服務（如低數據速率的機器通信和實時遠程控制），又包含豐富的內容服務（如高清視頻、增強現實和在線游戲）。5G劃分出了3種業務類型以應對多樣化業務服務的差異化性能指標帶來的挑戰，如下所示[3]。

（1）eMBB（enhanced mobile broadband）

主要包括車站、體育場等超密集區域的巨大數據流量的熱點高容量場景。該類場景下性能需求包括1 Gbit/s用戶體驗速率、數十Gbit/s峰值速率和數十Tbit/(s·km2)的流量密度，網絡的流量過載使得現網的流量傳輸方法面臨嚴峻挑戰。此外，eMBB還包括需要保證用戶在高移動性情況下的業務連續性的連續廣域覆蓋場景，挑戰在于隨時隨地為用戶提供100 Mbit/s以上的用戶體驗速率，保證業務的連續性與網絡的基本服務能力。

（2）uRLLC（ultra-reliable and low latency communication）

主要面向對時延和可靠性具有極高指標需求的應用，例如車聯網、工業控制等低時延高可靠場景，需要網絡為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100% 的業務可靠性保證，這與4G網絡百毫秒級的端到端時延和業務中斷時間相距甚遠，要求5G網絡針對更高的可靠性與更低的時延要求提出關鍵的使能技術。

（3）mMTC（massive machine type communication）

主要應用于機器間通信，以傳感器為主，包括智能城市、森林防火和可穿戴設備等低功率大連接場景，滿足接入設備數量巨大且功耗極低的需求，預期達到100萬/km2的連接數密度的性能指標。海量的連接數使得網絡的控制面負載急劇增加，信令擁塞將是亟待解決的問題。

為了靈活地支撐多樣化的業務服務，滿足不同應用場景下的性能指標需求，未來移動網絡需要具備網絡功能和操作管理的多樣性，能夠智能感知用戶需求，對網絡功能進行簡化、重構和編排，提供高效靈活的網絡控制和轉發功能，實現不同用戶場景、商業模型下各種應用的使用。同時，為方便實現接入網拓撲的部署和維護，5G網絡還需要能夠提供按需定制服務，開放網絡能力以提供靈活的業務部署環境，在滿足差異化業務需求的同時，提升網絡服務價值，以實現更友好的網絡生態。

除了性能需求帶來的挑戰，網絡效率需求，如頻譜效率、能量效率和成本效率也將是5G重點關注的效率因素，二者共同定義了5G的關鍵能力。在5G中，網絡需要實現超百倍的能量效率提升和比特成本降低以及5~15倍的頻譜效率的提升，以保證5G的可持續發展[4]。除了網絡性能和效率以外，移動通信網絡還面臨著感知和開放能力不足的挑戰。當前移動通信網絡缺乏對用戶和業務感知能力，有限的網絡開放能力無法實現網絡資源與業務需求的友好對接，不利于業務體驗的改善和網絡運營效率的提升。網絡中日益增長的終端設備數量大幅提升了運維成本，降低了運維效率。網絡運行過程中會源源不斷地產生海量數據，海量數據尚未得到充分利用，造成了數據價值的浪費。5G通信網絡需要充分利用網絡運行過程中產生的大量數據降低網絡建設成本，提升網絡運營水平，提供更加智能的網絡運營能力。

2.2 網絡架構特征

和以往的網絡不同，5G網絡將不只是網絡的演進提升，更會帶來革命性的改變。5G網絡除了各方面性能的提升，網絡架構也將引入許多新的特征。

（1）面向虛擬化網絡的NFV/SDN

NFV（network function virtualization）[5]的引入將5G網絡構建成一個虛擬化的網絡環境，差異化的軟件功能經過虛擬化后運行在相同的硬件設備上，不同網絡功能將共享硬件的計算、存儲與通信資源。SDN（software-defined networking）[6]的引入則使得網絡的可編排性得到提升，分離網絡的數據與控制面。參考文獻[7]在介紹了歐洲電信標準化協會（ETSI）組織關于NFV技術的研究以及開放網絡基金會（ONF）組織關于SDN技術的研究后，以核心網為例，進一步探討了二者與5G核心網絡的有效結合。參考文獻[8]則研究了NFV/SDN在回傳網絡上的應用，提出了一種光纖與無線網絡融合的5G-Xhaul架構，并實現靈活的網絡功能分割。

（2）面向多樣化服務的網絡切片

針對不同的服務需求和性能指標，網絡被劃分成網絡功能實體的邏輯組合，被切片后的網絡，即網絡切片[9]用于為目標用戶和終端提供指定的服務。參考文獻[10]在總結現網應對5G服務時的不足后，提出一種面向服務的網絡用戶面編排架構。參考文獻[11]則將網絡切片的概念進一步提升，加強網絡的開放程度，提出“Anything as a Service”，通過快速靈活地調度網絡資源，實現服務的動態創建與管理。

（3）面向多維度資源融合的云霧協同

以往的分層異構和云無線接入等網絡，受限于集中式的云處理網絡架構，性能難以滿足5G多樣化的通信需求。利用邊緣節點計算存儲和信號處理功能，將霧作為云的協同部分，能夠實現集中分布自適應的高效組網。參考文獻[12]提出云霧協同架構，將不同服務解析成服務功能鏈，服務功能鏈由云霧中的網絡功能和多維度資源部署實現。類似地，參考文獻[13]提出將網絡的多維資源虛擬化，通過靈活分層與編排構成云霧，滿足5G需求。

3 5G網絡架構研究現狀

3.1 5G網絡標準化進展

國際電信聯盟（ITU）于2015年啟動5G國際標準制定的準備工作。首先開展5G技術性能需求和評估方法研究，明確候選技術的具體性能需求和評估指標；2017年正式啟動5G候選技術征集；2018年底啟動5G技術評估及標準化；計劃在2020年底形成商用能力。在該路線圖的指導下，全球范圍內的標準化組織和5G研究項目組相繼開展工作，推動5G技術的研發進程。

3GPP作為5G研發的主要標準化組織，自2015年12月啟動5G相關議題討論，制定了5G標準化時間表，計劃于2020年商用。3GPP 5G的整體研究工作將包含3個階段：研究階段、工作階段1、工作階段2，分別對應R14~R16。2017年12月，3GPP完成非獨立組網的5G新空口規范，包含無線接入網絡、業務與系統、核心網與終端3部分。次年6月，完成獨立組網的5G新空口規范，同時批準5G第二階段新項目，展開R16的研究和標準化工作。

5GPPP作為歐盟框架7（FP7）項目中的5G后續項目，以設計5G通信網絡和服務為終極目標，于2015年7月開始展開工作。5GPPP項目共分為3個階段，第一階段已于2017年年底完成，內容包含新型網絡架構等19個研究項目；第二階段包含邊緣計算等21個研究項目；第三階段自2018年6月開始，包含基礎設施、自動駕駛、垂直行業測試驗證3個項目，目前正在積極開展技術評估和測試驗證工作。

3.1.1 5G網絡整體架構

2015年年底，3GPP系統架構工作組（SA2）正式啟動5G網絡架構的研究課題“NexGen”[14]，明確了5G架構的基本功能愿景。2017年12月，3GPP凍結“NexGen”階段2的工作，輸出第一版的3GPP 5G網絡架構標準[15]，在該標準中，3GPP定義了5G網絡整體架構的特點、功能和服務。強調與4G系統不同，5G系統將采用基于服務的架構，并且支持端到端的網絡切片功能。

5G網絡架構采用基于服務的架構和通用接口，傳統網元功能基于NFV技術拆分成若干個自包含、自管理、可重用的網絡功能服務模塊，通過靈活定義服務模塊集合，實現定制化的網絡功能重構，對外通過統一的服務調用接口組成業務流程。圖1給出了非漫游場景下基于服務的5G網絡架構示意圖。在該架構中，根據特定場景需求，將不同網絡功能按需有序組合，實現網絡的能力與服務的定制化，為不同業務部署專用網絡，實現5G網絡切片。網絡切片技術使運營商能夠更加靈活、快速地響應客戶需求，支持網絡資源的靈活分配。

5GPPP于2017年12月發布了“5G架構2.0”白皮書[16]，描述了5G整體架構設計和評估分析。白皮書進一步地指出，考慮到5G需要支持多樣化業務和性能指標，網絡切片概念需與5G系統深度融合。為了支持網絡切片功能，5G架構分為以下功能層：服務層、管理編排層、控制層、多域網絡操作系統工具、數據層，分別負責租戶應用服務交互和商業策略決策、切換管理與編排、專用網絡功能控制、網絡資源虛擬化、數據傳輸功能。各層通過有效的協作完成切片的生命周期管理和整體網絡的控制管理等。在所提5G架構中，網絡切片的開放程度可以分為兩種：為租戶提供可自主控制和運營的虛擬基礎設施，即基礎設施作為服務；生成服務實例，直接為租戶提供網絡服務。

3.1.2 5G接入網絡架構

2017年3月，3GPP無線接入網絡工作組正式開啟了5G NR工作項目階段[17]。同年12月，完成非獨立組網的5G新空口規范。2018年6月，完成獨立組網的5G新空口規范，至此完成了5G標準第一階段的工作，定義了5G接入網的整體架構與接入節點架構[18]。

3GPP定義了新型無線接入網絡NG-RAN，包含兩種接入節點：gNB，即提供5G控制面和用戶面服務的5G基站；ng-eNB，為用戶提供LTE/E-UTRAN服務的基站。gNB和ng-eNB間通過Xn接口進行連接，gNB和ng-eNB通過NG接口與核心網（5GC）連接。5G gNB可進一步劃分為CU（central unit）和DU（distributed unit），提供低成本部署，支持負載管理、實時性能優化在內的協作。NG RAN的一個顯著特點是可以運行獨立組網和非獨立組網，運營商可根據網絡需求和成本靈活選擇5G部署方式。在獨立組網方式下，gNB連接到5G核心網絡（5GC）；在非獨立組網方式中，利用雙連接技術將NR和LTE緊密集成，連接到現有的4G核心網（EPC）。在雙連接架構中，主節點和輔助節點同時為用戶提供無線資源，提高用戶的體驗速率。5G無線協議棧包含兩部分：傳輸用戶數據（IP分組）的用戶面和控制信令交互的控制面。用戶面引入了服務數據自適應協議層（SDAP），用以支持5G核心網基于流的新QoS模型。SDAP層可將帶有QoS需求的IP流映射到特定配置的無線電承載上，在無RRC信令輔助的情況下進行動態的配置、重配置。控制面引入了RRC inactive狀態，該狀態下用戶在省電的同時，可更快與connected狀態切換。

李重俊是唐中宗冊立的太子，卻受到武三思的嫉恨。“三思子崇訓尚安樂公主，常教公主凌忽重俊，以其非韋氏所生，常呼之為奴。或勸公主請廢重俊為王，自立為皇太女，重俊不勝忿恨。三年七月，率左羽林大將軍李多祚、右羽林將軍李思沖、李承況、獨孤祎之、沙咤忠義等，矯制發左右羽林兵及千騎三百余人，殺三思及崇訓于其第，并殺黨與十余人。又令左金吾大將軍成王千里分兵守宮城諸門，自率兵趨肅章門，斬關而入，求韋庶人及安樂公主所在。”因唐中宗出現在玄武門樓，李重俊率領的兵將臨陣倒戈，兵敗后為左右所殺。

類似地，5GPPP也對5G接入網架構及其關鍵技術展開了研究[23]。根據部署場景，網絡部署將選擇合適的用戶面和數據面切分方案。包括數據面/控制面完全集中、數據面/控制面部分集中、控制面完全集中、數據面部分集中、數據面/控制面完全分離的5種切分選項，其中，完全分離的方案對時延、速率沒有要求，各節點通過X2接口進行分布式協作。完全集中式方案在多個節點間進行集中式調度，可獲得更高的自由度。節點間的協議棧聚合方法將依據網絡狀況和業務需求而定：無線接入技術（RAT）的聚合點默認選擇時間無關的協議棧層（即非時間同步的RRC/PDCP層），然而需時間同步的MAC層切分方案可實現更高的RAT協作。具體地，在PDCP層聚合方案中，CU/DU選擇在PDCP/RLC層切換，DU可支持一種和多種空口技術；在MAC層聚合方案中，引入了擴展動態頻譜訪問MAC框架，將MAC層進一步劃分為高/低層MAC，低層MAC對應特定的空口技術。

3.2 網絡架構理論研究

面向不同的應用場景與性能需求，無線接入網絡需要由傳統的以基站為中心，基站—用戶式孤立管道傳輸數據的結構，轉變為以用戶和業務為中心，異構節點共存與協作的網絡結構。5G網絡架構中，有線和無線連接將被有效利用完成回傳，提升用戶體驗速率并降低業務傳輸時延，滿足未來多樣化業務的性能需求。

（1）云無線接入網絡（C-RAN）

集中式云無線接入網絡（cloud RAN，C-RAN）是未來無線接入網演進的重要方向。C-RAN中，基于通用硬件平臺的云計算承載基站的上層基帶處理功能，池化的基帶處理中心（base band unit pool，BBU池）提供協作信號處理、集中的資源管理、多RAT管理等功能；基站剩余的射頻等底層功能被分配給遠端無線處理單元（remote radio unit，RRU），匯聚小范圍內的RRU信號，經部分基帶處理后進行前端數據傳輸。在滿足一定的前傳和回傳網絡的條件下，C-RAN可以有效提升網絡容量，降低網絡能耗和部署成本。

傳統C-RAN架構[19]中，BBU池匯聚了基站大部分功能，RRU僅負責射頻信號處理，這不僅要求網絡前傳鏈路能夠提供低時延高速率的理想條件，還使得網絡架構僵化固定。參考文獻[20]提出一種前傳資源靈活分配的方法，實現面向業務流量和網絡環境的BBU-RRU靈活適配。借助SDN，BBU池由原有的硬件基礎設施變為軟件定義的環境，參考文獻[21]提出BBU-RRU功能可編排，BBU池不僅能夠靈活擴容，還能面向業務的靈活擴展與拆分功能，平衡了實時性和傳輸網絡性能要求。進一步地，參考文獻[22]搭建了基于通用處理器的C-RAN，驗證了C-RAN在不同環境和傳輸策略下的性能。

C-RAN與5G關鍵技術的結合能夠進一步提升網絡性能。參考文獻[23]研究了大規模MIMO對C-RAN容量的提升，并通過構建部分集中的BBU池減少前傳鏈路開銷。參考文獻[24]提出在RRU配備射頻感知功能下，C-RAN能夠實現基于小區站址的射頻資源分配，完成干擾消除提升網絡容量。參考文獻[25]研究了C-RAN與邊緣緩存的結合，并比較分析了緩存配置對C-RAN性能的影響，包括前傳鏈路負載與能量開銷。

（2）霧無線接入網絡（F-RAN）

F-RAN由于其網絡架構特征能很好地滿足5G多樣化的性能要求，一經提出就引起了業界的廣泛關注，業界對F-RAN的各個方面開展了大量的跟蹤研究。考慮到5G對時延的特殊需求，參考文獻[28]在前傳/回傳鏈路容量受限情況下，分析了F-RAN中邊緣緩存和前傳容量對傳輸時延的影響，借助信息論揭示了網絡性能與資源開銷間存在的權衡關系，并設計了一種聯合編碼緩存和信號壓縮方法。參考文獻[29]對F-RAN移動性管理和資源管理進行了研究，設計與提出F-RAN自適應接入節點選擇機制和干擾消除方法，能夠減少異常切換發生概率和信令開銷，提高網絡資源利用率，驗證了F-RAN作為5G無線接入網絡架構的優越性。參考文獻[30]調研了邊緣緩存對網絡性能，包括譜效、能效、時延的影響，提出一種F-RAN 的自適應接入模式選擇機制，在提供低傳輸時延的前提下，提高網絡頻譜和能量效率。

除了F-RAN本身的架構優勢之外，F-RAN能夠很好地和5G關鍵技術相兼容，如大規模MIMO、正交多址技術可以直接應用于F-RAN中。F-RAN 通過SDN實現了接入網絡層面的NFV。參考文獻[31]提出了基于NFV/SDN的F-RAN 架構，緩解了集中SDN 控制器和骨干傳輸網的壓力，實現了高效的編排管理。參考文獻[32]提出了基于網絡切片的F-RAN 架構，將接入網絡切片成多個邏輯獨立網絡，以滿足不同業務差異化的性能需求。參考文獻[33]提出了一種面向5G增強現實（AR）的F-RAN 架構，將AR業務分解成多個可并行執行的子任務，并交由網絡邊緣節點進行分布式計算。參考文獻[34]提出了一種面向差異化時延要求的F-RAN 架構，借助通用處理器設備組建的仿真平臺，實現并驗證了對不同優先級業務的分級響應和處理，能夠適配不同時延和速率要求的業務。

（3）接入網絡切片（RAN slicing）

網絡切片通過網絡虛擬化技術，將網絡中的各類物理資源抽象成虛擬資源，并基于指定的網絡功能和特定的接入網技術，按需構建端到端的邏輯網絡，提供一種或多種網絡服務。由于核心網虛擬化程度較高，現有網絡切片大部分都針對核心網。但是，探索研究接入網絡中進行切片依舊存在必要性：考慮到5G的低時延、高容量與大連接的需求，接入網絡中進行切片能夠更好地提供差異化性能；網絡切片作為端到端的邏輯網絡，接入網絡切片有助于補充完整現有的基于核心網絡的切片方法。參考文獻[35]總結接入網絡切片存在的挑戰，并提出一種基于LTE的接入網絡切片架構，在該架構中，接入網絡被模塊化，物理資源被抽象化，以實現靈活的服務編排與生命周期管理。參考文獻[36]提出一種基于3GPP eDECOR的接入網絡切片架構，并進一步地以eMBB、uRRLC和mMTC為例，借助Open Air Interface平臺驗證所提架構的有效性。

考慮到5G新特性，參考文獻[37]研究5G RAN中，服務可解析成不同層空口協議棧的描述信息，并根據各層描述信息選擇合適的協議棧配置，完成接入網絡切片實例化。在C-RAN架構中，參考文獻[38]研究了面向多租戶環境的網絡切片方法，并針對網絡中多維度資源聯合分配問題，提出分層的求解算法，保證用戶傳輸速率需求的前提下最大化租戶總收益。F-RAN架構下，參考文獻[39]探索了網絡切片和邊緣計算的融合，提出了基于邊緣計算的接入網絡切片架構，并指出資源管理和信息感知在該架構中的關鍵作用。

4 挑戰和待研究內容

為了實現5G的“增強寬帶，萬物物聯”，業界提出許多關鍵技術，5G技術在提升網絡性能的同時，也給5G系統架構帶來了額外的挑戰。例如，5G性能需求的維度增加，5G空口設計時需要在不同的性能指標之間進行權衡折中與聯合優化，而為了應對多種業務共存而引入的網絡切片技術將系統設計的復雜性進一步增加。可以預見的是，隨著5G技術應用范圍的擴展，5G系統的復雜度也將呈指數型增長，系統設計和優化需要聯合考慮不同域的技術的協同融合。

在傳統方法無法對5G系統中存在的問題進行建模求解的場景下，人工智能技術的引入能夠提供有效的幫助。例如，根據業務種類與網絡環境，在為用戶分配無線資源塊時，網絡資源調度器靈活選擇合適的帶寬與符號長度；基于用戶和終端的上下文與位置信息，網絡提供差異化的移動性管理；利用強化學習方法優化網絡功能部署位置，完成網絡的智能優化與管理。2017年11月，ITU成立了“機器學習”焦點組，重點研究機器學習、人工智能在包含5G系統的未來網絡中的應用。隨后，ETSI發布了《自動化下一代網絡中的網絡和服務操作的必要性和益處》白皮書，強調5G 網絡中服務管理、運營自動化的目標。學術界也對5G和人工智能的結合展示了極大的研究熱情。參考文獻[40]首先總結了現有5G技術在網絡資源、管理移動性管理等方面所透露的初步人工智能特性，探討了人工智能在5G中進一步發展的必要性。

盡管人工智能在5G網絡中的應用已經得到初步的探討，神經網絡與深度學習方法更是得到了仿真的初步驗證，但5G網絡與人工智能的結合依然處于初步階段，未來仍舊需要進一步深化該方面的研究，包括但不限于人工智能算法中數據的獲取與模型的選擇以及5G網絡在傳輸、存儲和處理大數據時，網絡成本和性能的折中。

5 結束語

本文對5G網絡架構的研究與標準化進行了調研。在闡述5G愿景與需求、總結5G接入網絡架構特征的基礎上，從學術界和產業界分別介紹了5G接入網絡架構的設計原理和具體組成，并根據現有工作，探討了接入網絡架構當前存在的挑戰和對網絡發展前景的展望，指出未來網絡智能化的需求。

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Network architecture in the 5G mobile systems

XIANG Hongyu, ZHANG Xinran, PIAO Zhuying, PENG Mugen

Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China

In order to meet the performance requirements of 5G networking such as huge traffic, large links, and ultra-low latency, the traditional wireless access network architecture for wide coverage and high capacity design needs to evolve. Firstly, combining the 5G vision and needs, the characteristics and importance of the 5G access network architecture were clarified. Then the design principle and specific composition of the 5G access network architecture was introduced from the perspectives of academia and industry, and the advantages and disadvantages were analyzed. Finally, the challenges of access network architecture and possible future development directions were discussed.

5G, network architecture, radio access network

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018230

項弘禹（1993?），男，北京郵電大學泛網無線通信教育部重點實驗室博士生，主要研究方向為霧無線接入網中切片架構及理論性能。

張欣然（1992?），男，北京郵電大學泛網無線通信教育部重點實驗室博士生，主要研究方向為車聯網和5G系統級仿真。

樸竹穎（1994?），女，北京郵電大學泛網無線通信教育部重點實驗室碩士生，主要研究方向為無線接入網中的邊緣緩存管理和優化。

彭木根（1978?），男，北京郵電大學網絡技術研究院副院長、教授、博士生導師，主要研究方向為霧無線接入網絡、后5G組網理論和關鍵技術、空間信息網絡等。

2018?06?03；

2018?08?10