慕和网络，慕和网络张世阳

导语

5G的发展逐渐成为通讯领域的创新引擎，低时延、分布式结构和高吞吐量成为5G技术的代表特性。5G系统架构必须具有高度的适应性，以满足性能期望，并服务于随5G技术一同出现的新用例、服务、业务模型、基础设施使用方案。用户平面与控制平面的分离是5G演化路径中关键技术变化之一，最终在诸多技术的支持下，5G可通过更小型化的核心网支持更多设备的网络连接服务。随着5G应用的不断增多，5G有机会将为运营商创造新的服务和收入机会，给行业和社会带来颠覆性的变化。

5G无线技术和下一代核心网的演进是通信领域创新的主要动力。通过引入三种新的性能改进——低时延、分布式和高吞吐量，带来新的商业机会。3GPP是5G标准的主要推动者，预计在2018年5月可完成Release 15版本的发布。随着标准的演进，5G技术将改变网络及其运行的方式。网络功能虚拟化基础设施(NFVI)将是技术和操作模式发生变化的一个领域。

自动化和编排（Orchestration）将改变未来网络的建设和运营方式。通过大规模普及网络功能虚拟化(NFV)、网络服务编排和网络管理自动化，实现网络的转型。人工智能、机器学习和5G技术，将创建广泛分布、高度密集、高带宽的移动网络，改变网络的运营模式和业务模式。像沉浸式增强现实/虚拟现实(AR / VR)和自动驾驶这样的用例可以改变人们如何使用和与技术互动的方式，从而为运营商创造新的服务和收入机会。

本文介绍了5G移动网络的一些新兴用例，标准化，体系结构和技术进步。

(一) 应用案例

人们有一个共识，5G会成为创新的引擎，给行业和社会带来颠覆性的变化。随着瞬时通信的普遍可用性、高质量保证、更低的成本，5G正带来新的用例和新的商机。5G体系结构预计将可以满足各种各样的用例要求，包括时延、覆盖范围、带宽和稳定性等方面。其用例主要可分为以下几类：

•增强型移动宽带（(eMBB)）；

•车联网；

•增强型多媒体服务；

•大规模物联网；

•超可靠的低时延应用；

•固定无线接入等。

这几个方面的应用，在不同程度上都对数据传输速度、网络时延和设备移动速度限制提出了要求。

(二) 标准化、产业格局及核心功能

自2013年以来，一些行业协会一直在研究5G技术。这些工作包括确定5G的应用需求、研究如何评估5G的性能以及技术概念等。5G America发布了一篇白皮书，公布了一些研究成果，列举了全球范围内的数十个5G研究项目。3GPP、ITU、ETSI、IETF等组织早期的5G研究，使得5G快速标准化。但需要注意的是，5G标准化主要是由3GPP推动的。5G需要许多支持技术，如编排、分析、NFVI等。这些支持技术则是由OPNFV、OpenStack、OpenDaylight等其他组织推动的。

在核心网络功能中，已经定义了网络功能本身的几个新节点。下述的许多功能需求仍然在3GPP Release 15内部进行讨论。主要网络功能(NF)如下：

•认证服务功能（AUSF，包含EAP身份验证服务器功能、存储密钥）；

•核心接入和移动管理功能（AMF）

•数据网络(DN)

•网络曝光功能(NEF)

•网元贮存功能(NRF)

•策略控制功能(PCF)

•会话管理功能(SMF)

•统一的数据管理(UDM)

•用户平面功能(UPF)

•应用功能(AF)

在无线接入网（RAN）中，5G包含的设备又被称为5G新无线电设备(NR)和演进的LTE(eLTE)无线电设备。为了满足国际电信联盟的IMT-2020的要求，以及ITU对这些技术的审核，需要对这些技术进行仿真演示。5G-NR无线电的基站预计被称为gNodeB。与eNB相比，5G无线网络的关键要求是提供低时延(< 5ms)，以及比eNB高得多的带宽。从无线的角度来看，在用例类别中提到的三个主要用例是：速率更高的增强无线宽带服务、大规模物联网以及关键通讯应用。为满足这些需求，在LAYER 1和2分别进行了优化。

5G RAN支持网络切片功能，以根据数据类型和用户订阅提供不同的承载数据处理。 通过RAN网络切片，移动网络运营商可将客户视为属于不同租户类型，每个租户类型具有不同的服务要求，这些服务要求基于服务水平协议（SLA）和订阅来管理每个租户有资格使用的切片类型。

为满足性能目标使得所需的接入节点密度增加，带来了相当多的部署挑战（例如，回程可用性，回程容量和可扩展性）。包括3GPP，CPRI和IEEE等组织在寻求无线回程的解决方案，5G将根据产品类型（室内毫微微蜂窝与室外宏蜂窝）以及可用资源（城市环境，光纤可用，农村环境，无线回程有足够的频谱），综合利用多种回传技术，引入无线自回程技术。3GPP SA1定义了无线自回程的要求。

(三) 主要结论

5G系统架构必须具有高度的灵活性，以满足各种性能期望，并服务于随5G技术一同出现的新用例、服务、业务模式、基础设施使用方案。用户平面与控制平面的分离是5G演化路径中的关键技术变化之一。考虑到5G的用例和部署架构可能会显著提升无线带宽密度，因此将业务流量分配到网络的边缘，对于5G网络来说十分必要。

综合利用边缘计算解决方案和分布式移动性管理（DMM）、分离用户平面功能，可使突发的大量业务更接近网络的边缘，将有可能推出数据量较大的应用（例如增强型视频服务，身临其境的用户体验，虚拟现实以及车对车/基础设施通信）。这一转变避免了回程成本的增加和流量瓶颈，并满足5G对于低时延的要求。

发展5G势在必行，将4G核心技术提升作为发展5G的导向是明智的。在诸多技术的支持下，5G可通过更小型化的核心网支持更多设备的网络连接服务。

内容框架

(一) 简介

(二) 用例

2.1 用例种类

2.1.1 增强型移动宽带

2.1.2 车辆联网

2.1.3 增强型多媒体服务

2.1.4 大规模物联网

2.1.5 超可靠的低时延应用

2.1.6 固定无线接入

2.2 用例需求

(三) 标准化与产业格局

3.1 行业标准组织

3.1.1 3GPP

3.1.2 5GTF - 5G技术论坛

3.1.3 国际电信联盟

3.1.4 IETF

3.1.5 其他标准化组织和论坛

(四) 5G的核心网

4.1 核心网络功能

4.2 5G核心交互

4.3 5G核心和EPC互操作变量

4.4 网络切片

4.4.1 高级体系结构

(五) 无线接入网

5.1 第一层

5.2 第二层

(六) 无线自回程

(七) 结论

图表目录

图 1 5G融合架构

图 2 5G技术支持的大规模物联网

图 3 3GPP确定的主要5G服务和需求用例

图 4 3GPP的5G标准化路线图

图 5 NG-RAN架构

图 6 3GPP 5G核心服务架构

图 7 网络功能服务模型

图 8 5G核心和EPC互操作变量

图 9 具有网络切片功能的下一代核心网

图 10网络切片对业务扩展的支持作用

图 11 下行链路第二层结构

图 12 上行链路第二层结构

图 13 无线协议栈可能的分拆选项

图 14 网络切片案例

关键图表

图 1 5G融合架构

图 2 5G技术支持的大规模物联网

图 3 3GPP确定的主要5G服务和需求用例

图 4 3GPP的5G标准化路线图

图 5 NG-RAN架构

图 6 3GPP 5G核心服务架构

图 7 网络功能服务模型

图 8 5G核心和EPC互操作变量

图 9 具有网络切片功能的下一代核心网

图 10 网络切片对业务扩展的支持作用

图 11 下行链路第二层结构

图 12 上行链路第二层结构

图 13 无线协议栈可能的分拆选项

图 14 网络切片案例