“5G+垂直行业”颠覆与重构：定制化5G网络方案分析

　　ICCSZ讯     “网络定制化”将使5G超越管道，实现增值。2020年前后5G的商用，有利于国家“互联网+”战略实施，通过“5G+垂直行业”的模式，颠覆传统产业，重构业态，促进社会经济转型发展。本文介绍了5G核心设计理念，分析了定制化5G关键技术的架构，探讨了定制化5G网络设计思路和方案。

　　1、引言

　　2015年6月，国际电信联盟ITU确定了5G的名称、愿景和时间表。在ITU的愿景中，5G明确支持增强移动宽带、海量低功耗连接和低时延高可靠连接3个场景。

　　随后3GPP正式启动5G标准化工作。目前，3GPP完成了5G业务与市场研究工作，定义了74个用户例，同时开展5G关键性能指标、场景与需求研究工作，明确定义了5G网络的19个能力指标和14项运营需求。随后5G技术研究和智能无线接入网研究立项。

　　从目前已有的共识看，为应对5G如此多样化、差异化的业务与能力需求，最佳解决方案是“网络定制化”。

　　5G网络将在计算资源、存储资源和无线资源等核心资源的集中化、虚拟化进程中，逐步柔性化，从而实现网络的定制化能力。定制化是5G的最大亮点，它可以让5G网络运营更加精准有效，也更加绿色。但要实现5G这种“内柔外绿”的愿景，在5G设计一开始就必须具备革新的意志力，以颠覆性思维突破传统技术束缚。

　　5G的颠覆首先体现在对传统通信理论和系统设计理念的再思考。：

　　一是经典香农理论再思考，将能效与谱效的折中关系从点对点扩展到端到端，为无线通信系统开启绿色之旅;

　　二是蜂窝再思考，颠覆蜂窝概念，小区不再是唯一中心，为无线通信系统开启“用户为中心”的设计大门;

　　三是信令控制再思考，重构网络“中枢神经”，提升网络“智商”;

　　四是天线再思考，小型化设计，魔方式组合，让基站隐形;

　　五是频谱空口再思考，让无线信号针对场景和业务“量体裁衣”;

　　六是前传再思考，打造射频与基带间“最后一公里”的高速路;

　　七是协议栈再思考，提升用户与网络的平等地位。

　　2、定制化5G关键技术分析

　　1)5G网络总体架构

　　让网络软化从而可制定.需要利器打通网络中强耦合的“关节”。这里的利器首当NFV/SDN技术。NFV颠覆了网元形态，实现了网络功能与硬件解藕，功能可编程。SDN实现了控制/转发解藕。以此为基础，还可以进一步实现核心网与接人网解藕、用户与小区解藕等，下文将会提到。解藕重构后的SG将呈现简洁的“3层1面”结构，即应用层、使能层、设施层和管理面，如图1所示。

　　5G应用层包含eMBB、mMTC和uMTC 3个场景所有的应用。考虑到中国的“互联网+”战略，"5G+垂直行业”模式将在农业、制造业、流通、交通、生活服务、公共服务、教育、金融、医疗和能源等行业全面引入5G提供的基础信息服务，颠覆传统产业，重构业态，促进社会经济的可持续发展。定制化是满足垂直行业对5G差异化信息服务需求的方式，配合网络切片技术，完成从行业到网络资源的高效定制。

　　使能层是支撑网络定制化所需的网络能力与状态信息、用户信息、安全和大数据等信息与技术。网络能力开放主要包括网络及用户信息开放、无线业务及网络资源开放和网络计算资源开放。网络信息包括小区负载信息、链路质量信息(CQI，SINR，BLEB)、网络吞吐量信息、移动用户定位信息等。无线业务及网络资源开放主要是指基础电信业务能力、业务质量调整能力等。计算资源开放是将计算能力以基础设施形式提供给第三方应用，以便于其在无线网络内部，尤其是网络边缘直接部署业务环境。大数据技术已在应用层得到广泛应用。在5G 网络中，大数据将深人到设施层(接入层和转发层)，为网络系统设计、部署和优化提供有力支撑。

　　设施层包含接入和转发两个核心功能层，在大部分计算资源、存储资源和功能虚拟化后，还被称为虚拟化层。设施层主要包括接入节点、网络节点和云节点3类网络实体。接入层包含多种无线接入技术的共存，当然5G新空口技术是无线接入的核心。转发层本地业务边缘处理、远程数据优化路由，实现“零等待”。

　　管理面包含集中式/分布式控制和端到端网络编排，实现简洁管理、高效切片。切片可以被认为是5G网络定制化的具体实现手段。将5G网络抽象成网络切片，一个连接性业务被定义成定制化的软件定义功能，这些功能管辖地理覆盖区、持续时间、容量、速度、时延、顽健性以及安全性。中国移动成立了OPEN-O组织，旨在实现首个跨NFV和SDN的统一协同编排器，促进5G网络开源和NFV/SDN应用。

　　总之，可定制化的5G呈现出深刻的IT化特征，如资源虚拟化、功能可重构、集中控制、分布接入和转发。下面将重点分析接人层技术，包括用户为中心网络架构、无线接入网演进技术(C-RAN )与下一代前传接口技术、软件定义空口以及新型协议栈架构。

　　2)用户为中心无线接入网

　　截至目前，无线接入网面向所有用户提供无差别的、一致的网络架构和服务，将难以满足5G需求。面向低时延和高带宽的上层业务需求，业务下沉和核心网功能边缘化趋势明显。

　　UCN则有重大突破，结构如图2所示。

　　主要表现在：一是重构RAN，分解小区功能，大集中大分散，打破小区边界;二是核心网与RAN 再划分，两者功能重构去耦合，能够独立演进，核心网部分功能下沉;三是边缘增强，本地化存储、处理与转发，降低时延;四是网络切片即服务，针对不同应用服务需求，提供RAN的定制化，这是图1中端到端网络切片管理在RAN侧的体现。

　　具体地，UCN通过将RAN功能分配到不同的最佳承载的接入点以及通过接人点间的协作配合，可充分利用不同网络接人点的差异性，通过节点间协作，实现优化的网络效率，这样，RAN将形成无线云中心+下一代前传接口+频拉远系统架构。

　　UCN设计支持信令与数据分离，如在RCC中，集中的无线网络控制中心负责支持多RAT的融合、多连接的协调和边缘控制;无线数据中心面向终端用户提供边缘数据业务。同时，RAN功能还将与核心网功能重划分，目标是将部分核心网功能下沉，简化网络功能、接口和协议，实现更扁平的架构，同时，接口开放以便网络部署融合的边缘服务，支持毫秒级端到端网络延迟。

　　考虑到移动宽带将持续作为网络的主要驱动业务，可以通过部署边缘数据中心以及边缘控制器，实现有效的数据分流、分发以及本地移动性支持，从而增强移动宽带用户的体验。此外，边缘服务还包括RAN上/下文信息以及RAN能力的开放，可用于支持包括跨层优化等业务提升技术。

　　3)无线接入网演进技术与下一代前传接口

　　中国移动提出的C-RAN，是实现端到端网络定制化的无线接人网部分解决方案，目前，已取得全球性广泛共识。在许多5G研究的相关组织中，都明确将C-RAN写进相关白皮书，这些组织包括NGMN,IEEE,ITU-T,ETSI,EU S7FP项目、OAI ,ETSI和FUTURE论坛等。C-RAN将基带单元集中到通用平台上，实现基站虚拟化和云计算化。为了保证计算实时性，C-RAN引入加速器概念。为了突破传统CPRI接口瓶颈，C-RAN引人下一代前传接口(NGFI)技术，如图3所示。

　　NGFI通过重构RRU和BBU之间的接口，提供大带宽、低时延、灵活可扩展的前传能力。具体做法是NGFI将部分BBU处理功能移至RRU上，在功能重构后的BBU集中化、虚拟化，形成无线云中心RCC，功能重构后的RRU形成射频拉远系统 RRSNGFI将两者之间点对点传输升级为多点对多点的网络传输。这样看来，NGFI介于前传和后传之间，也可以称为中传，即xHaul。

　　RCC引人资源调配控制单元进行分层协作化，可有效地解决高容量和高密度网络中的十扰问题。RCC可实现跨多个RRS间的大范围控制协调和协作化算法以及多小区控制面/用户面逻辑上的分离，并且为网络API和虚拟化提供部署点。

　　在考虑业务命中率时，RCC是折中服务用户数和业务时延需求的业务下沉部署点。RRS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，适用于宏微覆盖HetNet场景和密集UDN高容量场景。 RRS根据部署需求分为一体化RRS和分离式RRS两类。

　　NGFI网络是低时延、高带宽的分组交换网络，提供RCC与RRS间的低时延信息交互，为在RCC实现MAC及以上层级的快速协作算法提供基础。同时也能更好地满足信令与数据分离、MassiveMIMO等新技术应用要求。

　　设计NGFI时，至少应遵循统计复用、载荷相关的自适应带宽变化，尽量支持性能增益高的协作化算法，接口流量尽量与RRU天线数无关，空口技术中立RRS归属关系迁移等基本原则。NGFI蕴含的理念已成共识，在各大标准化组织陆续立项，相关研究逐步展开时，部分参与厂商预计在2016年完成准商用原型系统。

　　4)软件定义空口

　　软件定义空口是实现端到端网络定制化的空口部分解决方案，即空口定制化。这种能力来自于SDAI定义的灵活的帧结构、双工、多址、波形、天线、频谱等技术集合和相应的参数集合，SDAI基本原理如图4所示。

　　针对部署场景、业务需求、性能指标、可用频谱和终端能力等具体情况，SDAI按需选取合适的空口技术组合并优化参数配置，形成相应的空口，实现对场景及业务的“量体裁衣”以及对新场景及业务的后向兼容。

　　SDAI设计需要提供一个足够多样性的技术集合和相关参数集合，使得候选技术集合中的技术能够支撑不同场景与业务的极端需求。

　　同时，技术方案选择需要考虑性能与复杂度的折中，一方面是技术集中的候选技术方案的数量要控制在一定范围内;另一方面是候选技术方案尽量使用统一的实现结构，复用相关实现模块，以提高资源的利用效率，降低商用化成本。

　　例如，针对多种多址接入技术，可以确定统一的实现结构，区别体现在码字的使用上。针对多种波形的实现，则可以复用具有共性特征的信号处理模块，如滤波器和快速傅里叶变换。目前，3GPP标准化工作首要的重点是帧结构设计，帧结构设计必须考虑对灵活频谱使用、灵活双工、高频段协作、大规模天线、多业务并存的支持以及eMBB、mMTC和uMTC 3个场景的兼容性。

　　目前，self-contain帧结构成为主流设计，一个self-contain帧结构包括下行控制、数据和上行控制3个部分，其中，下行控制和上行控制固定用于控制信息传输，数据部分可灵活用于上行或下行数据传输。

　　SDAI可针对eMBB ,mMTC和uMTC等场景中的典型应用和用户进行静态定制，也可针对具体的用户和业务进行动态定制。由于这种定制化是以用户为中心的，而传统的小区为中心协议栈，因此需要重构。

　　5)协议栈

　　传统协议栈是以小区为中心进行用户接入、标识和无线资源管理，带来复杂的移动性管理和不一致的用户体验，无法满足用户为中心网络的设计目标，需要对协议栈进行重设计。MCD(多级集中分布式协议栈)技术的目标是让用户独立于小区，成为与小区平等的协议栈基本元素之一。

　　多级集中分布式协议栈架构如图5所示，用户管理自身的所有信息与已分配的无线资源，小区管理所有公共无线资源。小区在高层对用户业务类型进行集中式慢速控制，保持用户逻辑链路的“静”;在底层对用户空口资源进行分布式快速配置，保持用户物理信道的 “动”，从而通过动静结合的方式实现“零切换”。协议栈重构已经成为5G标准化首要突破的领域，是保障5G各种需求、场景和技术(如海量用户需求、高密度网络场景、SDAI、UCN、C/U分离、多连接等)落地的重要手段。

　　3、结束语

　　“网络定制化”将使5G超越管道，实现增值。2020年前后5G的商用，有利于国家“互联网+”战略实施，通过“5G+垂直行业”的模式，颠覆传统产业，重构业态，促进社会经济转型发展。