5G网络分析及发展趋势

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摘要：随着移动互联网和物联网的快速发展以及各种新型业务的不断涌现，移动通信在过去的10年间经历了爆炸式增长。丰富多彩的移动互联网和物联网业务在给人们生活带来便利、改变生活方式的同时，对未来移动通信网络提出了更高的要求和挑战。本文对5G网络架构进行了深入，并对5G网络未来的发展趋势进行了分析。

关键词：5G，网络架构，关键技术，发展趋势

5G(5th Generation，第五代移动通信系统)是一个端到端的生态通信系统，它将实现一个全连接和全移动的社会。现有的传统网络是刚性固化的，传统网络往往更加关注网络的底层传送能力而忽略了网络的能力向上层应用和业务开放，因此导致网络缺少流程化的能力开放接口，业务很难灵活地调用网络能力，这就导致承载网不能承载一些互联网的业务和应用，而必须采用应用层专用的协议进行纠错、应用加速和流量均衡等优化设计。

一、4G/5G融合互操作架构

4G/5G融合组网意味着网络、数据、业务均需要进行一体化的融合演进，对从现有4G网络到5G的演进过程来说，用户签约数据融合、业务策略数据融合以及业务连续性是网络融合过程中需最优先考虑的问题。基于这部分网络演进需求，3GPP定义了专用于跨系统互操作的4G/5G融合网元，即HSS+UDM、PCRF+PCF、PGW-C+SMF和PGW-U+UPF。4G/5G融合互操作系统架构如图1所示，其中N26接口为可选接口，其应用部署取决于运营商具体的部署策略和业务需求。

图1  4G/5G融合互操作系统架构

4G/5G网元融合部署的收益除了数据和用户状态的统一管理外，大部分4G/5G间的主要交互流程均可以通过融合网元内部接口实现，不需要单独定义标准化接口，简化了互操作业务处理流程。

针对HSS+UDM，融合部署使用同一AUC，不需要进行鉴权向量的二次获取，同时BOSS方面可以进行统一管理，降低了操作维护的复杂度。另外在移动性管理方面，用户从4G或者5G注册，UDM或HSS可以通过内部接口通知对端清除各自网络下的用户注册信息，简化了业务处理流程。如果HSS和UDM不采用融合组网，则UDM和HSS需要通过MAP接口或Diameter接口去对方获取鉴权五元组，实现上相对复杂，同时BOSS需要考虑两个网元间的操作及数据一致性等问题，增加了处理复杂度。

针对PCRF+PCF，融合部署支持统一的套餐流量管理，一个套餐可以同时在多种接入方式下累积，同时支持网络采用统一的控制策略，可以根据用户的网络切换情况在内部进行QoS映射，保证统一的策略控制和用户体验。如PCRF和PCF不采用融合组网，则不同接入制式流量需要在不同的网元中进行累积，无法进行数据同步，难以进行同一套餐的统一控制，同时需要在两个网元中进行策略数据的受理，业务处理相对复杂。

针对PGW-C+SMF以及PGW-U+UPF，融合部署支持4G/5G切换过程中的业务连续性，保证用户的无缝切换体验，同时用户面融合部署对接入制式不敏感，切换过程中不需要变更用户面锚点，节省业务处理资源。如不采用融合组网，切换过程中会发生用户IP地址的改变，将无法保证用户业务和会话的连续性，并且需要更多资源处理切换相关的流程，增加网络负荷。

二、实现网络构建或功能配置

2.1  网络重构的演进方向

首先，网络重构将把网络运营从分散型向集约型演进，由于历史原因，传统电信运营商一般沿袭了自上而下的网络组织和运行方式，各个省市的网络运营商均独立建设和运营基础网络，因此导致网络利用率低下、端到端业务体验较差。随着互联网的发展，网络用户对网络的运营模式提出了更高的要求，因此网络必须具有“统一集约规划”、“统一集约建设”和“统一集约管控”三大特征。

其次，传统网络更多关注网络底层的传送能力，而对于承载网络能力向上层应用和新业务的创新开发并无过多的考虑，因此缺乏标准化的业务开放接口，业务调度不灵活。未来的网络架构必须要达到网络能力接口标准化及开放的要求。

再次，在互联网发展过程里，基于云计算来提供业务已成为大势所趋，但是目前云和网之间缺乏灵活的握手互动机制，通常计算资源、存储资源和网络资源多是彼此之间独立静态配置，无法统一按需提供。未来的网络架构必须向业务、IT和网络云化以及基于DC(Data Center，数据中心)集中部署并以DC为网络核心的云网融合转变^[2]。

最后，网络要走向运营开发一体化，在现行的网络运营模式下，厂家与运营商之间都是简单的售卖方式，主要由“供给”决定“需求”，未来的网络需要达到用户对网络的定制化要求，通过分离网络的软件与硬件，引入IT设备等多种手段达到由简单的售卖到创新驱动发展的目的。

2.2  SDN/NFV技术的引入

随着通信技术的变革和发展，现有的网络已经不再适应现在高速发展的高速率时代，网络架构的重构将减少网络的层级、转移网络核心节点，同时也会将网络软化，网络流量收敛比减少，基于SDN/NFV的新架构是网络重构的要方式，它以网络控制与转发及网络软硬件双解耦为基本特征，是全局性、革命性的架构重构。

从SDN和NFV的定义出发，一套整体的SDN解决方案包括数据层、控制层和应用层。控制器运用南向接口对设备进行控制，运用北向接口支持应用开发，为业务提供服务。

(1)数据层

在数据层平面，首先离不开物理网络基础设施。其次，网络虚拟化是SDN的重要特性，主机Overlay方案(Host Tunnels)适合全虚拟化环境，消除基于硬件的网络限制；网络Overlay方案(Fabric tunnels)支持物理资源池，满足转发的高性能需求；如果是物理和虚拟并存的环境，适合混合Overlay方案。不同的IT环境选用适合的虚拟网络方案。

(2)控制层

在控制层平面，运用发展控制器软件或软硬一体的控制器形态，包含开源控制器和商用控制器。统计指出，当前全世界供应商提出的控制器案例已大于25个。开源方案和供应商方案同步演进，依据客户IT环境和需求，选择最适当的方案。

(3)应用层

在应用层平面，包括4～7层的网络服务，以及网络关联的管控和运行维护(M&O)功能。基于SDN结构，网络应用层是重点，一方面，网络应用直接反映用户及业务需求；另一方面，原有的网络服务、管理和维护方案都亟待换代升级，以满足SDN架构需求。网络应用生态的多样性、创造性都将无限庞大。当前为数众多的SDN厂家、安全厂商在网络应用层部署。根据客户需求场景，基于SDN技术的解决方案可归结为网络功能虚拟化、网络监控和网络安全，分别对应网络生命周期中的网络交付(网络功能虚拟化)、网络运行维护(监控和安全)。

(4)深度进化：SDN在网络基础設施和网络服务的各个层面彰显价值

除了NFV，SDN开始影响到更深层的网络监控和网络安全方案。SDN视角下的网络监控和安全，也必须综合引入虚拟化、开放网络架构、云计算等设计。比如，符合SDN时代的网络产品打破封闭和专用的设备形态，是基于SDN和x86架构的可编程软件。

三、5G关键技术

➢高频段传输

足够量的可用带宽、小型化的天线和设备、较高的天线增益是高频段毫米波移动通信的主要优点，但也存在传输距离短、穿透和绕射能力差、容易受气候环境影响等缺点。射频器件、系统设计等方面的问题。

➢新型多天线传输技术

由于引入了有源天线阵列，基站侧可支持的协作天线数量将达到128根。此外，原来的2D天线阵列拓展成为3D天线阵列，形成新颖的3D-MIMO技术，支持多用户波束智能赋型，减少用户间干扰，结合高频段毫米波技术，将进一步改善无线信号覆盖性能。

➢同时同频全双工技术

利用该技术，在相同的频谱上，通信的收发双方同时发射和接收信号，与传统的TDD和FDD双工方式相比，从理论上可使空口频谱效率提高1倍。

➢D2D技术

这是一种在系统的控制下，允许终端之间通过复用小区资源直接进行通信的新型技术，它能够增加蜂窝通信系统频谱效率，降低终端发射功率，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。

➢密集和超密集组网技术

超密集网络能够改善网络覆盖，大幅度提升系统容量，并且对业务进行分流，具有更灵活的网络部署和更高效的频率复用。未来，面向高频段大带宽，将采用更加密集的网络方案，部署小小区/扇区将高达100个以上。

➢新型网络架构

未来5G可能采用C-RAN接入网架构。C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方公里的无线接入系统。

四、未来网络的发展趋势

早在2009年，华为已经开展早期研究，并在之后向外界展示5G原型机基站，于2013年11月份宣布将在2018年前投入6亿美元对5G技术进行研发与创新；2013年5月13日，韩国三星公司宣布，已成功开展5G的核心芯片实作，并将于2020年开始推向商业化；2014年5月份，日本电信运行商NTT DoCoMo正式宣布与Ericsson、Nokia、三星等六间厂商合作，开展高速5G网络测试，并期望于2020年开始运作。下面简介各个国家及地区的5G网络现状。

4.1  5G网络在各国的发展现状

欧洲始终是移动通许技术的引领者，这得益于欧盟的科技框架计划。在新的计划中，欧盟设置多个关于5G移动通讯物理层技术的研究课题，欧盟委员会认为5G将“推动数字化革命”，但此项技术的发展预计需要数十亿欧元的投资，以及跨电信运营商、行业、成员国和第三方国家的共同努力。

中国政府从3G开始就注重电信标准的自主研发，我国是从2013年开始着手5G移动通信技术研发的，并将相关的研究课题纳入到了863计划中，对5G通讯研究予首期1.7亿人民币的自助，目前二期资助计划也完成了评审。2017-2018年将会全面推进第二阶段及第三阶段的技术研发。在2016年世界电信标准化第六次全会上，中国5G标准化研究提案获得批准。在国内的企业层面上，华为、中心、大唐等国内的通讯设备企业高度重视研发布局，并且在标准制定及产业应用上已获得国内外业界的认可。5G网络技术将会在无线传输效率、无线通信频率以及通信系统智能化这三个主要方面得到改善和提升。

韩国在2013年5月成立了韩国“5G Forum”，旨在推动其国内的5G移动通讯进展。2016年10月，韩国最大的移动通讯运营商SK Telecom宣布，将与三星、诺基亚、爱立信等科技巨头合作，在韩国设立5G移动网络研究中心-----5G Playground。

日本与中国台湾在5G技术方面的实力较为软弱只能选择跟随有中国、欧洲和美国主导下的5G标准。日本在三大移动运营商及夏普、松下和富士通的参与下，在技术层面上可能会有一个较快的发展。

美国及加拿大的对5G通讯研究并没有到达国家政府层面的推动计划上，但很多行业、高校都已投入对5G的研究，相互交流和贡献各自的研究成果。北美以Verizon和AT&T 为首的运营商也在拉拢日韩企业结盟，试图抢占高频应用及5G阵地。

4.2  国内推动5G发展及科技环境转型升级的着力点

5G通信技术正处于萌芽阶段，各国研究仍处于摸索阶段，我国应尽快制定明确的战略目标，攻研核心技术，积极构建健康的产业环境，大力培养尖端、核心人才，加强与深化国际战略合作，才能抢先一步、占得先机，进而发展前瞻科技及产业关键核心技术，带动我国产业与科技环境转型升级^[3]。未来网络的发展趋势将以SDN和NFV作为5G平台支撑技术，实现网络动态切片，深度开放网络能力^[4]作为核心，这将使网络和应用更加紧密的互动、更深度的信息共享，更大程度的实现能力开放，使得应用可以基于网络的资源提供更优质的服务。

五、结语

5G通信技术带来的不仅仅是高速、安全的网络，更多地是带来全球化网络的无缝连接，5G的兼容性，给各国通信行业带来了一个新的平台。在平等的条件下，中国的营运商如何提高服务，如何合理地建设网络、调整运营策略，就变成了新的挑战和任务。5G的兼容性也可以把终端生产厂商统一到一个平台上，不同制式、规格的无线终端将被集成，这为全球的通信发展制定了统一的道路。在5G通信技术发展的道路上，中国可以更好地引领世界经济共同发展，更好地同步信息，促进全球经济一体化。5G的未来对军事、医疗、建筑、教育等各个方面都会带来前所未有的信息便利，整个世界将建成更加智能、完善的移动网络。

参考文献：

[1]IMT-2020. 5G网络技术架构. 2015

[2]5GPPP. The 5G Infrastructure Public Private Partnership: the Next Generation of Communication Networks and Services, 2015

[3]IMT-2020推进组. 5G愿景与需求白皮书[Z]. 2014.

[4]尤肖虎，潘志文，高西奇等. 5G移动通信发展趋势与若干关键技术. 中国科学：信息科学，2014，44(5)：551～563

[5]Agyapong P, 1wamura M, Staehle D, et 01. Design considerations for a 5G network architecture. IEEE Communalization Magazine, 2014, 52(11): 65-75

作者： 辽宁邮电规划设计院有限公司 周巍 王浩年  来源： 《中国新通信》2018年第11期