“5G+垂直行業(yè)”顛覆與重構(gòu)：定制化5G網(wǎng)絡(luò)方案分析

　　ICCSZ訊     “網(wǎng)絡(luò)定制化”將使5G超越管道，實(shí)現(xiàn)增值。2020年前后5G的商用，有利于國(guó)家“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略實(shí)施，通過(guò)“5G+垂直行業(yè)”的模式，顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，重構(gòu)業(yè)態(tài)，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展。本文介紹了5G核心設(shè)計(jì)理念，分析了定制化5G關(guān)鍵技術(shù)的架構(gòu)，探討了定制化5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)思路和方案。

　　1、引言

　　2015年6月，國(guó)際電信聯(lián)盟ITU確定了5G的名稱、愿景和時(shí)間表。在ITU的愿景中，5G明確支持增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、海量低功耗連接和低時(shí)延高可靠連接3個(gè)場(chǎng)景。

　　隨后3GPP正式啟動(dòng)5G標(biāo)準(zhǔn)化工作。目前，3GPP完成了5G業(yè)務(wù)與市場(chǎng)研究工作，定義了74個(gè)用戶例，同時(shí)開展5G關(guān)鍵性能指標(biāo)、場(chǎng)景與需求研究工作，明確定義了5G網(wǎng)絡(luò)的19個(gè)能力指標(biāo)和14項(xiàng)運(yùn)營(yíng)需求。隨后5G技術(shù)研究和智能無(wú)線接入網(wǎng)研究立項(xiàng)。

　　從目前已有的共識(shí)看，為應(yīng)對(duì)5G如此多樣化、差異化的業(yè)務(wù)與能力需求，最佳解決方案是“網(wǎng)絡(luò)定制化”。

　　5G網(wǎng)絡(luò)將在計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和無(wú)線資源等核心資源的集中化、虛擬化進(jìn)程中，逐步柔性化，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的定制化能力。定制化是5G的最大亮點(diǎn)，它可以讓5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)更加精準(zhǔn)有效，也更加綠色。但要實(shí)現(xiàn)5G這種“內(nèi)柔外綠”的愿景，在5G設(shè)計(jì)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(shù)束縛。

　　5G的顛覆首先體現(xiàn)在對(duì)傳統(tǒng)通信理論和系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guān)系從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)擴(kuò)展到端到端，為無(wú)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(wú)線通信系統(tǒng)開啟“用戶為中心”的設(shè)計(jì)大門;

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

　　四是天線再思考，小型化設(shè)計(jì)，魔方式組合，讓基站隱形;

　　五是頻譜空口再思考，讓無(wú)線信號(hào)針對(duì)場(chǎng)景和業(yè)務(wù)“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(luò)的平等地位。

　　2、定制化5G關(guān)鍵技術(shù)分析

　　1)5G網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

　　讓網(wǎng)絡(luò)軟化從而可制定.需要利器打通網(wǎng)絡(luò)中強(qiáng)耦合的“關(guān)節(jié)”。這里的利器首當(dāng)NFV/SDN技術(shù)。NFV顛覆了網(wǎng)元形態(tài)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)功能與硬件解藕，功能可編程。SDN實(shí)現(xiàn)了控制/轉(zhuǎn)發(fā)解藕。以此為基礎(chǔ)，還可以進(jìn)一步實(shí)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(huì)提到。解藕重構(gòu)后的SG將呈現(xiàn)簡(jiǎn)潔的“3層1面”結(jié)構(gòu)，即應(yīng)用層、使能層、設(shè)施層和管理面，如圖1所示。

　　5G應(yīng)用層包含eMBB、mMTC和uMTC 3個(gè)場(chǎng)景所有的應(yīng)用?？紤]到中國(guó)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(wù)、公共服務(wù)、教育、金融、醫(yī)療和能源等行業(yè)全面引入5G提供的基礎(chǔ)信息服務(wù)，顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，重構(gòu)業(yè)態(tài)，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。定制化是滿足垂直行業(yè)對(duì)5G差異化信息服務(wù)需求的方式，配合網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，完成從行業(yè)到網(wǎng)絡(luò)資源的高效定制。

　　使能層是支撐網(wǎng)絡(luò)定制化所需的網(wǎng)絡(luò)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(shù)。網(wǎng)絡(luò)能力開放主要包括網(wǎng)絡(luò)及用戶信息開放、無(wú)線業(yè)務(wù)及網(wǎng)絡(luò)資源開放和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算資源開放。網(wǎng)絡(luò)信息包括小區(qū)負(fù)載信息、鏈路質(zhì)量信息(CQI，SINR，BLEB)、網(wǎng)絡(luò)吞吐量信息、移動(dòng)用戶定位信息等。無(wú)線業(yè)務(wù)及網(wǎng)絡(luò)資源開放主要是指基礎(chǔ)電信業(yè)務(wù)能力、業(yè)務(wù)質(zhì)量調(diào)整能力等。計(jì)算資源開放是將計(jì)算能力以基礎(chǔ)設(shè)施形式提供給第三方應(yīng)用，以便于其在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，尤其是網(wǎng)絡(luò)邊緣直接部署業(yè)務(wù)環(huán)境。大數(shù)據(jù)技術(shù)已在應(yīng)用層得到廣泛應(yīng)用。在5G 網(wǎng)絡(luò)中，大數(shù)據(jù)將深人到設(shè)施層(接入層和轉(zhuǎn)發(fā)層)，為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、部署和優(yōu)化提供有力支撐。

　　設(shè)施層包含接入和轉(zhuǎn)發(fā)兩個(gè)核心功能層，在大部分計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和功能虛擬化后，還被稱為虛擬化層。設(shè)施層主要包括接入節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和云節(jié)點(diǎn)3類網(wǎng)絡(luò)實(shí)體。接入層包含多種無(wú)線接入技術(shù)的共存，當(dāng)然5G新空口技術(shù)是無(wú)線接入的核心。轉(zhuǎn)發(fā)層本地業(yè)務(wù)邊緣處理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)優(yōu)化路由，實(shí)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(luò)編排，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔管理、高效切片。切片可以被認(rèn)為是5G網(wǎng)絡(luò)定制化的具體實(shí)現(xiàn)手段。將5G網(wǎng)絡(luò)抽象成網(wǎng)絡(luò)切片，一個(gè)連接性業(yè)務(wù)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(shí)間、容量、速度、時(shí)延、頑健性以及安全性。中國(guó)移動(dòng)成立了OPEN-O組織，旨在實(shí)現(xiàn)首個(gè)跨NFV和SDN的統(tǒng)一協(xié)同編排器，促進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)開源和NFV/SDN應(yīng)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(gòu)、集中控制、分布接入和轉(zhuǎn)發(fā)。下面將重點(diǎn)分析接人層技術(shù)，包括用戶為中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無(wú)線接入網(wǎng)演進(jìn)技術(shù)(C-RAN )與下一代前傳接口技術(shù)、軟件定義空口以及新型協(xié)議棧架構(gòu)。

　　2)用戶為中心無(wú)線接入網(wǎng)

　　截至目前，無(wú)線接入網(wǎng)面向所有用戶提供無(wú)差別的、一致的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和服務(wù)，將難以滿足5G需求。面向低時(shí)延和高帶寬的上層業(yè)務(wù)需求，業(yè)務(wù)下沉和核心網(wǎng)功能邊緣化趨勢(shì)明顯。

　　UCN則有重大突破，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　主要表現(xiàn)在：一是重構(gòu)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(gòu)去耦合，能夠獨(dú)立演進(jìn)，核心網(wǎng)部分功能下沉;三是邊緣增強(qiáng)，本地化存儲(chǔ)、處理與轉(zhuǎn)發(fā)，降低時(shí)延;四是網(wǎng)絡(luò)切片即服務(wù)，針對(duì)不同應(yīng)用服務(wù)需求，提供RAN的定制化，這是圖1中端到端網(wǎng)絡(luò)切片管理在RAN側(cè)的體現(xiàn)。

　　具體地，UCN通過(guò)將RAN功能分配到不同的最佳承載的接入點(diǎn)以及通過(guò)接人點(diǎn)間的協(xié)作配合，可充分利用不同網(wǎng)絡(luò)接人點(diǎn)的差異性，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間協(xié)作，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)效率，這樣，RAN將形成無(wú)線云中心+下一代前傳接口+頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)架構(gòu)。

　　UCN設(shè)計(jì)支持信令與數(shù)據(jù)分離，如在RCC中，集中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制中心負(fù)責(zé)支持多RAT的融合、多連接的協(xié)調(diào)和邊緣控制;無(wú)線數(shù)據(jù)中心面向終端用戶提供邊緣數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。同時(shí)，RAN功能還將與核心網(wǎng)功能重劃分，目標(biāo)是將部分核心網(wǎng)功能下沉，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)功能、接口和協(xié)議，實(shí)現(xiàn)更扁平的架構(gòu)，同時(shí)，接口開放以便網(wǎng)絡(luò)部署融合的邊緣服務(wù)，支持毫秒級(jí)端到端網(wǎng)絡(luò)延遲。

　　考慮到移動(dòng)寬帶將持續(xù)作為網(wǎng)絡(luò)的主要驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)，可以通過(guò)部署邊緣數(shù)據(jù)中心以及邊緣控制器，實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)分流、分發(fā)以及本地移動(dòng)性支持，從而增強(qiáng)移動(dòng)寬帶用戶的體驗(yàn)。此外，邊緣服務(wù)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(wù)提升技術(shù)。

　　3)無(wú)線接入網(wǎng)演進(jìn)技術(shù)與下一代前傳接口

　　中國(guó)移動(dòng)提出的C-RAN，是實(shí)現(xiàn)端到端網(wǎng)絡(luò)定制化的無(wú)線接人網(wǎng)部分解決方案，目前，已取得全球性廣泛共識(shí)。在許多5G研究的相關(guān)組織中，都明確將C-RAN寫進(jìn)相關(guān)白皮書，這些組織包括NGMN,IEEE,ITU-T,ETSI,EU S7FP項(xiàng)目、OAI ,ETSI和FUTURE論壇等。C-RAN將基帶單元集中到通用平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)基站虛擬化和云計(jì)算化。為了保證計(jì)算實(shí)時(shí)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(shù)，如圖3所示。

　　NGFI通過(guò)重構(gòu)RRU和BBU之間的接口，提供大帶寬、低時(shí)延、靈活可擴(kuò)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(gòu)后的BBU集中化、虛擬化，形成無(wú)線云中心RCC，功能重構(gòu)后的RRU形成射頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng) RRSNGFI將兩者之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸升級(jí)為多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。這樣看來(lái)，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(jìn)行分層協(xié)作化，可有效地解決高容量和高密度網(wǎng)絡(luò)中的十?dāng)_問(wèn)題。RCC可實(shí)現(xiàn)跨多個(gè)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(luò)API和虛擬化提供部署點(diǎn)。

　　在考慮業(yè)務(wù)命中率時(shí)，RCC是折中服務(wù)用戶數(shù)和業(yè)務(wù)時(shí)延需求的業(yè)務(wù)下沉部署點(diǎn)。RRS匯聚小范圍內(nèi)RRU信號(hào)，經(jīng)部分基帶處理后進(jìn)行前端數(shù)據(jù)傳輸，可支持小范圍內(nèi)物理層級(jí)別的協(xié)作化算法，適用于宏微覆蓋HetNet場(chǎng)景和密集UDN高容量場(chǎng)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(luò)是低時(shí)延、高帶寬的分組交換網(wǎng)絡(luò)，提供RCC與RRS間的低時(shí)延信息交互，為在RCC實(shí)現(xiàn)MAC及以上層級(jí)的快速協(xié)作算法提供基礎(chǔ)。同時(shí)也能更好地滿足信令與數(shù)據(jù)分離、MassiveMIMO等新技術(shù)應(yīng)用要求。

　　設(shè)計(jì)NGFI時(shí)，至少應(yīng)遵循統(tǒng)計(jì)復(fù)用、載荷相關(guān)的自適應(yīng)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(wú)關(guān)，空口技術(shù)中立RRS歸屬關(guān)系遷移等基本原則。NGFI蘊(yùn)含的理念已成共識(shí)，在各大標(biāo)準(zhǔn)化組織陸續(xù)立項(xiàng)，相關(guān)研究逐步展開時(shí)，部分參與廠商預(yù)計(jì)在2016年完成準(zhǔn)商用原型系統(tǒng)。

　　4)軟件定義空口

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

　　針對(duì)部署場(chǎng)景、業(yè)務(wù)需求、性能指標(biāo)、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(shù)組合并優(yōu)化參數(shù)配置，形成相應(yīng)的空口，實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景及業(yè)務(wù)的“量體裁衣”以及對(duì)新場(chǎng)景及業(yè)務(wù)的后向兼容。

　　SDAI設(shè)計(jì)需要提供一個(gè)足夠多樣性的技術(shù)集合和相關(guān)參數(shù)集合，使得候選技術(shù)集合中的技術(shù)能夠支撐不同場(chǎng)景與業(yè)務(wù)的極端需求。

　　同時(shí)，技術(shù)方案選擇需要考慮性能與復(fù)雜度的折中，一方面是技術(shù)集中的候選技術(shù)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(shù)方案盡量使用統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，復(fù)用相關(guān)實(shí)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(duì)多種多址接入技術(shù)，可以確定統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，區(qū)別體現(xiàn)在碼字的使用上。針對(duì)多種波形的實(shí)現(xiàn)，則可以復(fù)用具有共性特征的信號(hào)處理模塊，如濾波器和快速傅里葉變換。目前，3GPP標(biāo)準(zhǔn)化工作首要的重點(diǎn)是幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮對(duì)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(wù)并存的支持以及eMBB、mMTC和uMTC 3個(gè)場(chǎng)景的兼容性。

　　目前，self-contain幀結(jié)構(gòu)成為主流設(shè)計(jì)，一個(gè)self-contain幀結(jié)構(gòu)包括下行控制、數(shù)據(jù)和上行控制3個(gè)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(duì)eMBB ,mMTC和uMTC等場(chǎng)景中的典型應(yīng)用和用戶進(jìn)行靜態(tài)定制，也可針對(duì)具體的用戶和業(yè)務(wù)進(jìn)行動(dòng)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(gòu)。

　　5)協(xié)議棧

　　傳統(tǒng)協(xié)議棧是以小區(qū)為中心進(jìn)行用戶接入、標(biāo)識(shí)和無(wú)線資源管理，帶來(lái)復(fù)雜的移動(dòng)性管理和不一致的用戶體驗(yàn)，無(wú)法滿足用戶為中心網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行重設(shè)計(jì)。MCD(多級(jí)集中分布式協(xié)議棧)技術(shù)的目標(biāo)是讓用戶獨(dú)立于小區(qū)，成為與小區(qū)平等的協(xié)議棧基本元素之一。

　　多級(jí)集中分布式協(xié)議棧架構(gòu)如圖5所示，用戶管理自身的所有信息與已分配的無(wú)線資源，小區(qū)管理所有公共無(wú)線資源。小區(qū)在高層對(duì)用戶業(yè)務(wù)類型進(jìn)行集中式慢速控制，保持用戶邏輯鏈路的“靜”;在底層對(duì)用戶空口資源進(jìn)行分布式快速配置，保持用戶物理信道的 “動(dòng)”，從而通過(guò)動(dòng)靜結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)“零切換”。協(xié)議棧重構(gòu)已經(jīng)成為5G標(biāo)準(zhǔn)化首要突破的領(lǐng)域，是保障5G各種需求、場(chǎng)景和技術(shù)(如海量用戶需求、高密度網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景、SDAI、UCN、C/U分離、多連接等)落地的重要手段。

　　3、結(jié)束語(yǔ)

　　“網(wǎng)絡(luò)定制化”將使5G超越管道，實(shí)現(xiàn)增值。2020年前后5G的商用，有利于國(guó)家“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略實(shí)施，通過(guò)“5G+垂直行業(yè)”的模式，顛覆傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，重構(gòu)業(yè)態(tài)，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展。