5G网络架构设计的5个重要问题
段晓东，孙滔，陈 炜，韩小勇。陆璐
(中国移动通信有限公司研究院网络技术研究所北京100053)
摘要：5G网络架构是当前国内外业界研究的重点，虚拟化、云计算、软件定义网络(SDN)等技术的发展也使得蜂窝网架构的重新设计成为可能。从背景及需求出发，提出了架构设计需要考虑的五大问题：集中或分布、无线网与核心网定位、网络组织与编排、NFV／SDN的影响、演进或颠覆。对影响上述问题的因素进行了初步探讨。关键词：5G；网络架构；NFV；SDN；虚拟化；分组网演进 1引言
随着4G网络商用部署规模的迅速扩展，其对当前移动互联网产业及人们日常生活的影响得到进一步体现。5G移动通信系统的研发随之被迅速提上日程，5G网络系统架构对网络功能、组织、管理等有着重要的影响，成为研究的焦点之一。
从接入能力来看，我国IMT．2020推进组在2014年6月发布的《5G愿景与需求》白皮书【l】中对5G网络愿景做了清晰的总结。提出了5G的关键需求和能力指标，包括：0．1—1 Gbit／s的用户体验速率、每平方千米一百万的连接数密度、毫秒级的端到端时延、每平方千米数十’rbi“s的流量密度、500 kndh以上的移动性和数十Gbit／s的峰值速率。这些指标要求网络架构具备以下特性：更扁平的架构、更快捷的内容分发、更灵活的网络编排、更简洁的移动性管理、更高效的资源管理、更安全的网络体系。
相对于接入网技术中2G、3G、LTE的变革，核心网主要经历了口化、控制和承载分离、分组化的变革。由于频谱资源稀缺以及频谱效率提升空间受限于香农极限，业界逐渐认识到．5G需求的实现，除了需要空中接口技术的突破以外，网络架构的创新也是5G的关键推动力之一。为了满足5G网络速度更快、时延更低、连接更多、效率更高的愿景，有必要对现有的网络架构、网元功能形态等进行全新的设计。2 5G网络架构研究现状
目前，国际上多个标准化组织都已经开始进行5G网络及其架构的研究工作。这其中，ITU(国际电信联盟)从5G愿景、需求、频谱等角度人手，NGMN(下一代移动通信网络)联盟从5G愿景、需求、架构、技术等多方面全面展开。欧洲在2012年成立了MEⅡS，并在2014年2月成立5GPPP项目。韩国成立了5G Forum项目，13本成立了2020&Beyond Ad Hoc项目。3GPP作为移动网络标准最主要的制订方，5G网络架构的设计将是其国际组织的重点工作，目前业界预期将在R14开始启动相关工作。我国IMT-2020网络技术工作组中的国内运营商、研究机构、设备商已经开始着手这方面的讨论。从这些研究来看，目前5G的研究仍处于需求制定和空中接口技术攻关阶段，尚未提出明确的网络架构。但在5G架构设计的需求以及可能的技术方面，已经形成了一些共识。在需求方面，普遍将灵活、高效、支持多样业务、实现网络即服务等作为设计目标；在技术方面，SDN、NFV等成为可能的基础技术，核心网与接入网融合、移动性管理、策略管理、网络功能重组等成为值得进一步研究的关键问题。3 5G网络架构需解决的关键问题
3。1 集中或分布的网络架构
集中与分布的网络架构一直是争论的焦点。二者在业界中的应用也是此消彼长，交替上升。从互联网角度来看，从最初的C／S到分布式P2P应用，再到云计算中心等，其看似不同的发展思路其实是业务发展及设备处理能力的限制所造成的。
以人为例，人本身是一个完美的集中控制、分布式处理和感知的系统。大脑负责对各个器官及肢体所收集的信息进行处理及管理。如果说之前的网络架构设计中由于设备处理能力的限制，不得不使用分布式处理的方式．那么云计算技术的发展将使得中心处理和优化成为可能。Google最新的“仙女座(Andromeda)”项目，采用集中控制的方式，提供虚拟网络服务，如图1所示。目前。 Google在全球约有40个数据中心。Google杰出工程师Amin Vahda表示“已经看到逻辑集中及分层的控制与分布式的数据面比全分布更优”，并且“目前很确信，通过明智地发挥集中而不是分布式的管理方式．建设一个本质上更有效的系统”[21。Google的几个关键服务系统均采用这种架构，如GFS数据处理平台、BigTable、B4WAN网络。借鉴rI'公司的组网模式，无线网设计了集中式基带池的架构【3】，如图2所示。通过对无线网元间的协作化分析可知，BBU的集中程度越高，实时处理效率就越高、协作化增益越大，更易减少重叠覆盖的干扰。另一方面，从传输来看．BBU越集中对传输成本的要求也越高。无线网如此，核心网的控制与转发也是如此。网络架构的设计是计算、优化及传输成本的折中。5G网络架构是采用集中式架构还是分布式架构，以何种程度集中控制或分布化，是5G架构设计需要考虑的问题。 3．2接入网及核心网的界限
“无线接入网”+“核心网”是移动网的传统架构，网络架构总体向着简化、扁平化的方向演进。接入网按照不同阶段有2G(GERAN)、3G(UTRAN)、LTE(E．UTRAN)之分；而核心网又有电路交换核心网(CS域)、分组核心网(Ps域)、IMS核心网之分。对接入网来说，不同阶段除了空中接口革新外，其架构也更加扁平化，LTE网络中的Node B节点与RNC节点融合为单一的eNode B节点[41。核心网经历了从仅有电路域。到电路域与分组域并存，再到仅有分组域的变化历程。但到目前，移动网络一直延续着无线接入网+核心网的分层架构。
事实上。网络扁平化的研究中．已经对接入网和核心网的功能融合有所讨论，如业界曾经设计和实现的“三合一”、“四合一”节点等[51。目前无线接入网和核心网的功能已经有了融合的迹象。
IP化、扁平化使得核心网的功能开始融入接入网。以本地IP接入(10cal IP access，LIPA)和中继(relay)为代表的技术，将核心网的功能进行了融合。在LIPA架构中，PGW的功能被集成在HeNB上，实现了地址分配、路由的核心网功能与无线接入功能的融合。而在3GPP R10定义的中继功能中。为中继节点提供接入的DeNB是具有核心网功能的三合一节点，对中继来说它是一个基站，且同时集成中继节点的SGW及PGW功能。
集中化、虚拟化将使得接入网的功能上移到核心域。接入网功能上移最主要的驱动力是集中处理和优化需求。以C．RAN为代表的网络架构，其基带处理等计算工作可在IrI’ 数据中心进行，这使得其与核心网控制面共享计算资源成为可能。此外，接入网的连接管理、协议和信令、SON的功能可上移，与核心网的移动性管理及连接管理功能融合优化。5G网络架构中，接入网和核心网以何种形式存在，甚至是否还存在核心网、是否还有接入网和核心网的区分．这是有待研究和回答的问题。...... 5G网络架构设计的5个重要问题.pdf