“5G+垂直行業(yè)”顛覆與重構：定制化5G網(wǎng)絡方案分析

　　ICCSZ訊     “網(wǎng)絡定制化”將使5G超越管道，實現(xiàn)增值。2020年前后5G的商用，有利于國家“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略實施，通過“5G+垂直行業(yè)”的模式，顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，重構業(yè)態(tài)，促進社會經(jīng)濟轉型發(fā)展。本文介紹了5G核心設計理念，分析了定制化5G關鍵技術的架構，探討了定制化5G網(wǎng)絡設計思路和方案。

　　1、引言

　　2015年6月，國際電信聯(lián)盟ITU確定了5G的名稱、愿景和時間表。在ITU的愿景中，5G明確支持增強移動寬帶、海量低功耗連接和低時延高可靠連接3個場景。

　　隨后3GPP正式啟動5G標準化工作。目前，3GPP完成了5G業(yè)務與市場研究工作，定義了74個用戶例，同時開展5G關鍵性能指標、場景與需求研究工作，明確定義了5G網(wǎng)絡的19個能力指標和14項運營需求。隨后5G技術研究和智能無線接入網(wǎng)研究立項。

　　從目前已有的共識看，為應對5G如此多樣化、差異化的業(yè)務與能力需求，最佳解決方案是“網(wǎng)絡定制化”。

　　5G網(wǎng)絡將在計算資源、存儲資源和無線資源等核心資源的集中化、虛擬化進程中，逐步柔性化，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡的定制化能力。定制化是5G的最大亮點，它可以讓5G網(wǎng)絡運營更加精準有效，也更加綠色。但要實現(xiàn)5G這種“內(nèi)柔外綠”的愿景，在5G設計一開始就必須具備革新的意志力，以顛覆性思維突破傳統(tǒng)技術束縛。

　　5G的顛覆首先體現(xiàn)在對傳統(tǒng)通信理論和系統(tǒng)設計理念的再思考。：

　　一是經(jīng)典香農(nóng)理論再思考，將能效與譜效的折中關系從點對點擴展到端到端，為無線通信系統(tǒng)開啟綠色之旅;

　　二是蜂窩再思考，顛覆蜂窩概念，小區(qū)不再是唯一中心，為無線通信系統(tǒng)開啟“用戶為中心”的設計大門;

　　三是信令控制再思考，重構網(wǎng)絡“中樞神經(jīng)”，提升網(wǎng)絡“智商”;

　　四是天線再思考，小型化設計，魔方式組合，讓基站隱形;

　　五是頻譜空口再思考，讓無線信號針對場景和業(yè)務“量體裁衣”;

　　六是前傳再思考，打造射頻與基帶間“最后一公里”的高速路;

　　七是協(xié)議棧再思考，提升用戶與網(wǎng)絡的平等地位。

　　2、定制化5G關鍵技術分析

　　1)5G網(wǎng)絡總體架構

　　讓網(wǎng)絡軟化從而可制定.需要利器打通網(wǎng)絡中強耦合的“關節(jié)”。這里的利器首當NFV/SDN技術。NFV顛覆了網(wǎng)元形態(tài)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡功能與硬件解藕，功能可編程。SDN實現(xiàn)了控制/轉發(fā)解藕。以此為基礎，還可以進一步實現(xiàn)核心網(wǎng)與接人網(wǎng)解藕、用戶與小區(qū)解藕等，下文將會提到。解藕重構后的SG將呈現(xiàn)簡潔的“3層1面”結構，即應用層、使能層、設施層和管理面，如圖1所示。

　　5G應用層包含eMBB、mMTC和uMTC 3個場景所有的應用。考慮到中國的“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略，"5G+垂直行業(yè)”模式將在農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、流通、交通、生活服務、公共服務、教育、金融、醫(yī)療和能源等行業(yè)全面引入5G提供的基礎信息服務，顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，重構業(yè)態(tài)，促進社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。定制化是滿足垂直行業(yè)對5G差異化信息服務需求的方式，配合網(wǎng)絡切片技術，完成從行業(yè)到網(wǎng)絡資源的高效定制。

　　使能層是支撐網(wǎng)絡定制化所需的網(wǎng)絡能力與狀態(tài)信息、用戶信息、安全和大數(shù)據(jù)等信息與技術。網(wǎng)絡能力開放主要包括網(wǎng)絡及用戶信息開放、無線業(yè)務及網(wǎng)絡資源開放和網(wǎng)絡計算資源開放。網(wǎng)絡信息包括小區(qū)負載信息、鏈路質(zhì)量信息(CQI，SINR，BLEB)、網(wǎng)絡吞吐量信息、移動用戶定位信息等。無線業(yè)務及網(wǎng)絡資源開放主要是指基礎電信業(yè)務能力、業(yè)務質(zhì)量調(diào)整能力等。計算資源開放是將計算能力以基礎設施形式提供給第三方應用，以便于其在無線網(wǎng)絡內(nèi)部，尤其是網(wǎng)絡邊緣直接部署業(yè)務環(huán)境。大數(shù)據(jù)技術已在應用層得到廣泛應用。在5G 網(wǎng)絡中，大數(shù)據(jù)將深人到設施層(接入層和轉發(fā)層)，為網(wǎng)絡系統(tǒng)設計、部署和優(yōu)化提供有力支撐。

　　設施層包含接入和轉發(fā)兩個核心功能層，在大部分計算資源、存儲資源和功能虛擬化后，還被稱為虛擬化層。設施層主要包括接入節(jié)點、網(wǎng)絡節(jié)點和云節(jié)點3類網(wǎng)絡實體。接入層包含多種無線接入技術的共存，當然5G新空口技術是無線接入的核心。轉發(fā)層本地業(yè)務邊緣處理、遠程數(shù)據(jù)優(yōu)化路由，實現(xiàn)“零等待”。

　　管理面包含集中式/分布式控制和端到端網(wǎng)絡編排，實現(xiàn)簡潔管理、高效切片。切片可以被認為是5G網(wǎng)絡定制化的具體實現(xiàn)手段。將5G網(wǎng)絡抽象成網(wǎng)絡切片，一個連接性業(yè)務被定義成定制化的軟件定義功能，這些功能管轄地理覆蓋區(qū)、持續(xù)時間、容量、速度、時延、頑健性以及安全性。中國移動成立了OPEN-O組織，旨在實現(xiàn)首個跨NFV和SDN的統(tǒng)一協(xié)同編排器，促進5G網(wǎng)絡開源和NFV/SDN應用。

　　總之，可定制化的5G呈現(xiàn)出深刻的IT化特征，如資源虛擬化、功能可重構、集中控制、分布接入和轉發(fā)。下面將重點分析接人層技術，包括用戶為中心網(wǎng)絡架構、無線接入網(wǎng)演進技術(C-RAN )與下一代前傳接口技術、軟件定義空口以及新型協(xié)議棧架構。

　　2)用戶為中心無線接入網(wǎng)

　　截至目前，無線接入網(wǎng)面向所有用戶提供無差別的、一致的網(wǎng)絡架構和服務，將難以滿足5G需求。面向低時延和高帶寬的上層業(yè)務需求，業(yè)務下沉和核心網(wǎng)功能邊緣化趨勢明顯。

　　UCN則有重大突破，結構如圖2所示。

　　主要表現(xiàn)在：一是重構RAN，分解小區(qū)功能，大集中大分散，打破小區(qū)邊界;二是核心網(wǎng)與RAN 再劃分，兩者功能重構去耦合，能夠獨立演進，核心網(wǎng)部分功能下沉;三是邊緣增強，本地化存儲、處理與轉發(fā)，降低時延;四是網(wǎng)絡切片即服務，針對不同應用服務需求，提供RAN的定制化，這是圖1中端到端網(wǎng)絡切片管理在RAN側的體現(xiàn)。

　　具體地，UCN通過將RAN功能分配到不同的最佳承載的接入點以及通過接人點間的協(xié)作配合，可充分利用不同網(wǎng)絡接人點的差異性，通過節(jié)點間協(xié)作，實現(xiàn)優(yōu)化的網(wǎng)絡效率，這樣，RAN將形成無線云中心+下一代前傳接口+頻拉遠系統(tǒng)架構。

　　UCN設計支持信令與數(shù)據(jù)分離，如在RCC中，集中的無線網(wǎng)絡控制中心負責支持多RAT的融合、多連接的協(xié)調(diào)和邊緣控制;無線數(shù)據(jù)中心面向終端用戶提供邊緣數(shù)據(jù)業(yè)務。同時，RAN功能還將與核心網(wǎng)功能重劃分，目標是將部分核心網(wǎng)功能下沉，簡化網(wǎng)絡功能、接口和協(xié)議，實現(xiàn)更扁平的架構，同時，接口開放以便網(wǎng)絡部署融合的邊緣服務，支持毫秒級端到端網(wǎng)絡延遲。

　　考慮到移動寬帶將持續(xù)作為網(wǎng)絡的主要驅動業(yè)務，可以通過部署邊緣數(shù)據(jù)中心以及邊緣控制器，實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)分流、分發(fā)以及本地移動性支持，從而增強移動寬帶用戶的體驗。此外，邊緣服務還包括RAN上/下文信息以及RAN能力的開放，可用于支持包括跨層優(yōu)化等業(yè)務提升技術。

　　3)無線接入網(wǎng)演進技術與下一代前傳接口

　　中國移動提出的C-RAN，是實現(xiàn)端到端網(wǎng)絡定制化的無線接人網(wǎng)部分解決方案，目前，已取得全球性廣泛共識。在許多5G研究的相關組織中，都明確將C-RAN寫進相關白皮書，這些組織包括NGMN,IEEE,ITU-T,ETSI,EU S7FP項目、OAI ,ETSI和FUTURE論壇等。C-RAN將基帶單元集中到通用平臺上，實現(xiàn)基站虛擬化和云計算化。為了保證計算實時性，C-RAN引入加速器概念。為了突破傳統(tǒng)CPRI接口瓶頸，C-RAN引人下一代前傳接口(NGFI)技術，如圖3所示。

　　NGFI通過重構RRU和BBU之間的接口，提供大帶寬、低時延、靈活可擴展的前傳能力。具體做法是NGFI將部分BBU處理功能移至RRU上，在功能重構后的BBU集中化、虛擬化，形成無線云中心RCC，功能重構后的RRU形成射頻拉遠系統(tǒng) RRSNGFI將兩者之間點對點傳輸升級為多點對多點的網(wǎng)絡傳輸。這樣看來，NGFI介于前傳和后傳之間，也可以稱為中傳，即xHaul。

　　RCC引人資源調(diào)配控制單元進行分層協(xié)作化，可有效地解決高容量和高密度網(wǎng)絡中的十擾問題。RCC可實現(xiàn)跨多個RRS間的大范圍控制協(xié)調(diào)和協(xié)作化算法以及多小區(qū)控制面/用戶面邏輯上的分離，并且為網(wǎng)絡API和虛擬化提供部署點。

　　在考慮業(yè)務命中率時，RCC是折中服務用戶數(shù)和業(yè)務時延需求的業(yè)務下沉部署點。RRS匯聚小范圍內(nèi)RRU信號，經(jīng)部分基帶處理后進行前端數(shù)據(jù)傳輸，可支持小范圍內(nèi)物理層級別的協(xié)作化算法，適用于宏微覆蓋HetNet場景和密集UDN高容量場景。 RRS根據(jù)部署需求分為一體化RRS和分離式RRS兩類。

　　NGFI網(wǎng)絡是低時延、高帶寬的分組交換網(wǎng)絡，提供RCC與RRS間的低時延信息交互，為在RCC實現(xiàn)MAC及以上層級的快速協(xié)作算法提供基礎。同時也能更好地滿足信令與數(shù)據(jù)分離、MassiveMIMO等新技術應用要求。

　　設計NGFI時，至少應遵循統(tǒng)計復用、載荷相關的自適應帶寬變化，盡量支持性能增益高的協(xié)作化算法，接口流量盡量與RRU天線數(shù)無關，空口技術中立RRS歸屬關系遷移等基本原則。NGFI蘊含的理念已成共識，在各大標準化組織陸續(xù)立項，相關研究逐步展開時，部分參與廠商預計在2016年完成準商用原型系統(tǒng)。

　　4)軟件定義空口

　　軟件定義空口是實現(xiàn)端到端網(wǎng)絡定制化的空口部分解決方案，即空口定制化。這種能力來自于SDAI定義的靈活的幀結構、雙工、多址、波形、天線、頻譜等技術集合和相應的參數(shù)集合，SDAI基本原理如圖4所示。

　　針對部署場景、業(yè)務需求、性能指標、可用頻譜和終端能力等具體情況，SDAI按需選取合適的空口技術組合并優(yōu)化參數(shù)配置，形成相應的空口，實現(xiàn)對場景及業(yè)務的“量體裁衣”以及對新場景及業(yè)務的后向兼容。

　　SDAI設計需要提供一個足夠多樣性的技術集合和相關參數(shù)集合，使得候選技術集合中的技術能夠支撐不同場景與業(yè)務的極端需求。

　　同時，技術方案選擇需要考慮性能與復雜度的折中，一方面是技術集中的候選技術方案的數(shù)量要控制在一定范圍內(nèi);另一方面是候選技術方案盡量使用統(tǒng)一的實現(xiàn)結構，復用相關實現(xiàn)模塊，以提高資源的利用效率，降低商用化成本。

　　例如，針對多種多址接入技術，可以確定統(tǒng)一的實現(xiàn)結構，區(qū)別體現(xiàn)在碼字的使用上。針對多種波形的實現(xiàn)，則可以復用具有共性特征的信號處理模塊，如濾波器和快速傅里葉變換。目前，3GPP標準化工作首要的重點是幀結構設計，幀結構設計必須考慮對靈活頻譜使用、靈活雙工、高頻段協(xié)作、大規(guī)模天線、多業(yè)務并存的支持以及eMBB、mMTC和uMTC 3個場景的兼容性。

　　目前，self-contain幀結構成為主流設計，一個self-contain幀結構包括下行控制、數(shù)據(jù)和上行控制3個部分，其中，下行控制和上行控制固定用于控制信息傳輸，數(shù)據(jù)部分可靈活用于上行或下行數(shù)據(jù)傳輸。

　　SDAI可針對eMBB ,mMTC和uMTC等場景中的典型應用和用戶進行靜態(tài)定制，也可針對具體的用戶和業(yè)務進行動態(tài)定制。由于這種定制化是以用戶為中心的，而傳統(tǒng)的小區(qū)為中心協(xié)議棧，因此需要重構。

　　5)協(xié)議棧

　　傳統(tǒng)協(xié)議棧是以小區(qū)為中心進行用戶接入、標識和無線資源管理，帶來復雜的移動性管理和不一致的用戶體驗，無法滿足用戶為中心網(wǎng)絡的設計目標，需要對協(xié)議棧進行重設計。MCD(多級集中分布式協(xié)議棧)技術的目標是讓用戶獨立于小區(qū)，成為與小區(qū)平等的協(xié)議?；驹刂?。

　　多級集中分布式協(xié)議棧架構如圖5所示，用戶管理自身的所有信息與已分配的無線資源，小區(qū)管理所有公共無線資源。小區(qū)在高層對用戶業(yè)務類型進行集中式慢速控制，保持用戶邏輯鏈路的“靜”;在底層對用戶空口資源進行分布式快速配置，保持用戶物理信道的 “動”，從而通過動靜結合的方式實現(xiàn)“零切換”。協(xié)議棧重構已經(jīng)成為5G標準化首要突破的領域，是保障5G各種需求、場景和技術(如海量用戶需求、高密度網(wǎng)絡場景、SDAI、UCN、C/U分離、多連接等)落地的重要手段。

　　3、結束語

　　“網(wǎng)絡定制化”將使5G超越管道，實現(xiàn)增值。2020年前后5G的商用，有利于國家“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略實施，通過“5G+垂直行業(yè)”的模式，顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，重構業(yè)態(tài)，促進社會經(jīng)濟轉型發(fā)展。