5G架构
移动网络架构的设计目标是定义网元（如基站、交换机、路由器、终端），以及网 元之间的互操作，并确保系统操作一致性。本章讨论基本系统架构的考量，并简单介绍 目前相关研究活动。实现系统目标的网络架构可以从不同的角度进行思考，例如将技术 元素集成为一个完整系统的角度、合理的多厂商互操作的角度或者兼顾成本和性能的物 理网络设计的角度。
由于 5G 系统必须满足多种需求，一些需求之间是互相矛盾的，为了实现未来网络 的灵活性，诸如网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）等赋能工具将得到应用， 特别是在核心网的应用。使用这些技术需要重新考虑传统的网络架构设计。本章帮助读 者建立对影响未来网络设计的重要课题的概念。
11.1 NFV 和 SDN
当前运营商的网络包括了大量越来越多的硬件设备。引入新业务往往需要集成复杂 的专用硬件，包括昂贵的过程设计和随之而来的推后的上线时间。同时，硬件的生命 周期由于技术和服务加速创新而变短。2012 年年底，网络运营商发起了 NFV 倡议 [1]。 NFV 的目标是将不同网络设备整合到工业标准的大量服务器上。这些服务器可以位于不同的网络节点，也可以部署在用户办公地点。这里的 NFV 依赖于传统的服务器虚拟化， 但又不同于传统的服务器虚拟化。其不同之处在于虚拟网络功能（VNF）可能由一个或 者多个虚拟机组成，为了取代定制的硬件设备，虚拟机需要运行不同的软件和进程（见 图 3.1）。一般来说，通常多个 VNF 需要依次使用，才能够为用户提供有用的服务。
例如：空中接口分布在层层叠加的不同的协议层中（见图 3.5）。为了实现连接服务， 射频处理、物理层、媒体接入层、无线链路控制层和包数据融合协议层等按照顺序依次 排列。
NFV 需要一个编排的框架，对 VNF 和网络功能（NF） （如调制、编码、多址接入、 加密等）进行适当的实例化并进行监视和运行。事实上，NFV 框架包括实现网络功能的 软件、通常被称为 NFV 基础设施（NFVI）的硬件（符合工业标准的大量服务器）和虚拟 化管理和编排架构框架。为了满足实时需求，一些网络功能需要添加硬件加速器。加速器 承担密集运算和有严格时间要求的任务，而这些无法由 NFVI 实现。这样既可以从 NFVI 分流，也可以满足时延要求。在 后续章节给出了更详细的 NFV 的机会和制约因素的分析。 如图3.1所示，虚拟化在端点（例如终端）之间的物理和逻辑的路径需要加以区分。
NFV 最为重要的优势是在降低资产和运营开销的同时，缩短功能发布时间 [1]。但是，获得这些优势的前提条件是不同厂商的VNF是可移植的，并且可以在网络硬件平台共存。
除了 NFV，如前所述的 SDN 是另一个重要的未来 5G 网络的赋能者。SDN 的基本 原理是将控制面和数据面分拆（也称为基础设施层和用户面），网络智能的逻辑集中化， 以及将物理网络通过标准接口从应用和服务中抽象出来 [2]。不仅如此，网络控制集中到控制层（控制面），而网络设备（例如处理数据的交换机和路由器）则分布在基础设施 层的拓扑结构中（见图 3.2）。
控制层北向接口通过标准化的应用编程接口（API）与应用和服务互动，南向接口 通过标准化的 OpenFlow 指令集与物理网络互操作。API 实现路由器、安全性和带宽管 理等服务。OpenFlow 允许直接接入网络设备面，例如多厂商交换机和路由器。基于每 一个线程的网络可编程能力，提供了极端颗粒控制，能够响应不断变化的应用层实时需 求，从而避免缓慢复杂的人工网元配置。从拓扑结构的角度，属于控制和基础设施层的 NF 可以被集中化部署，也可以根据需要进行分布式部署，详见 第13 节。 NFV 和 SDN 并非互相依存。但是由于 NFV 提供了灵活的基础设施，SDN 软件可 以运行其上，反之亦然，即 SDN 概念使基于线程的网络功能配置成为可能，因此两个概念高度互相补充。
在 5G 网络中，这两个技术将起到重要赋能的作用，实现网络灵活性、延展性和面 向服务的管理。考虑经济的原因，网络不可能按照峰值需求来建设，灵活性是指按需 可用、量身定制的功能实现。延展性是指满足相互矛盾的业务需求的能力，例如通过 引入适合的接入过程和传输方式（更多 MTC 信息见第4章），支持大规模机器类通信 （mMTC），超可MTC（uMTC）和极限移动宽带服务。面向服务的管理将通过基于线 程的控制面，以及基于 NFV 和 SDN 的联合框架的用户面来实现。
11.2 RAN 架构基础
网络架构设计的首要目标是将技术元素集成为完整系统，并且使它们可以合理地互协 同操作。在这一部分，如何获得关于系统架构的共识变得十分重要，即如何使多厂商设计 的技术元素能够相互通信，并实现有关功能。在现有的标准化工作中，这种共识通过逻辑 架构的技术规范来实现，包括逻辑网络单元（NE） 、接口和相关的协议。标准化的接口在协 议的辅助下，实现NE之间的通信，协议包括过程、信息格式、触发和逻辑网络单元的行为。 举例：如图 3.3 所示，3GPP 定义的第 4 代无线接入技术 E-UTRAN 架构由网络单元 无线基站（eNB）和终端设备（用户设备 UE） [3] 组成。eNB 之间的链接通过 X2 接口， UE 和 eNB 之间的链接通过 Uu 空中接口。4G 系统采用了扁平化架构，因此 eNB 通过 S1 接口直接连接到核心网（EPC）。
每个网络单元（NE）包括一组网络功能（NF）并基于一组输入数据来完成操作。 网络功能生成一组输出数据，这些数据用于与其他的网络单元的通信。每个网络功能必 须映射到网络单元。对技术元素进行功能分拆，并把网络功能分配到网络单元中的过程， 由功能架构来描述（如图 3.4 所示）。实践中，技术元素的具体实现或许需要将网络功能 分置在逻辑架构的不同位置。
举例：信道测量只能在终端或者基站的空中接口直接进行，而基于信道测量的资源 分配可以在基站完成。
网络功能对不同接口的时延和带宽提出要求。这意味着在一个具体的部署中，我们需要对如何组织网元结构具有通盘考虑。物理架构描述了网络单元或者网络功能在网络 拓扑结构的位置，它的设计对网络性能和网络成本有重大影响。一些网络功能出于经济 原因倾向于集中放置，比如利用运算资源的统计复用。尽管如此，由于功能性或者接口 的要求（诸如时延和带宽的要求），一些功能需要运行于接近空中接口的位置，或者相 互靠近，这就需要分布式部署。这种情况下性能和成本都会受到影响。从功能安排的角 度，有关技术和操作方面的问题在 13 节作详细说明。
传统地将 NF 分配到 NE，以及将 NE 分配到物理节点的方式，对于每个特定的部署 都是定制的。如第２章介绍，差异化的最终用户需求、服务和用例要求5G 系统架构更 为灵活。新型的架构赋能技术，例如NFV 和 SDN，致力于提升网络灵活性 1。在 14 节描述的编排和控制架构，使在未来的物理网络中部署网络功能获得更为显著的灵活性。 更准确地说，SDN/NFV 已经应用于 4G 网络，主要是核心网功能。5G 网络的架构从开始就会考虑采用这些技术。这里需要强调的是未来的网络更聚焦于网络功能，而不是网络单元。
标准化组织制定的技术规范起着关键的作用，确保来自于世界范围内不同厂商的设备 能够互操作。尽管传统网络单元 NE、协议和接口由技术规范约定，实现的过程中网络 和终端设备厂商仍然有相当的自由度。
第一个自由度是如何将网络单元映射到物理网络。
例如：尽管 E-UTRAN 本质上是分布式逻辑架构，网络设备厂商仍然能够设计一个 集中化的解决方案，例如将物理控制设备放置在一个集中的接入地点，执行 eNB 的部分 功能，其他的功能在接近无线单元的地方执行。从这个角度看，网络厂商将标准的网络 单元分开部署在多个物理节点，来实现集中化部署架构。另一个方向是同一个供货商拥 在同一物理节点，合并网络单元的自由度，如市场上的有些核心网节点中，厂商提供集 成的分组数据网网关（P-GW）和业务网关（S-GW） [3]。
第二个自由度是各厂商采用的硬件和软件平台架构的自由度。到目前为止，3GPP 还没有定义任何的特定软件或者硬件架构，或者定义任何面向网络单元的平台。
第三个自由度是厂商如何实现不同网络功能的决策逻辑（decision Logic）。 例如，3GPP 规范了空中接口的信息交换协议。在众多规范中，这就规定了无线基 站（eNB）如何传递调度信息，终端设备（UE）解读这些信息的方式，以及UE如何反应。 尽管如此，eNB 仍然具有如何使用信息进行资源分配的自由。
第十二节：5G的功能架构和灵活性
