带你读《5G 系统技术原理与实现》——1.1 5G 网络架构的演进趋势

简介: 带你读《5G 系统技术原理与实现》——1.1 5G 网络架构的演进趋势

第1 章 5G 网络架构与组网部署


移动互联网与物联网的快速发展,以及市场对高品质、多样性业务的持续追求,对下一代移动通信系统提出了具体要求,5G 网络应运而生。5G 网络需要支持更高的速率、更多的设备连接数、更高的终端移动速度,同时可以提供更低的时延和极高的可靠性。2015年5G 工作组第22 次会议,ITU(International Telecommunication Union,国际电信联盟)将5G 应用定义为三大场景:eMBB(enhanced Mobile Broadband,增强移动宽带)/mMTC(massive Machine Type Communication,大规模机器类通信)/URLLC(Ultra-Reliable and Low Latency Communication,超高可靠和低时延通信)。5G 之前的移动通信系统不能同时支持三大应用场景,基于传统思路对5G 网络进行部署会面临越来越多的挑战。为了满足ITU 对5G 不同的业务场景需求,3GPP(3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划)在设计5G 网络时,引入了很多革命性的技术,5G 网络架构就是最具代表性的一个变革。


5G 技术的发展除了技术层面的要求外,还需要考虑网络建设成本及行业应用的发展现状。本章内容将系统介绍5G 网络架构的演进趋势、5G 网元功能与接口、5G 网络组网部署。


1.1 5G 网络架构的演进趋势


5G 移动通信系统包括5GC(5G Core Network,5G 核心网)和NG-RAN(Next Generation-Radio Access Network,5G 无线接入网)。5G 移动通信系统整体架构如图1-1 所示。

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图1-1 5G 移动通信系统整体架构


5G 核心网与5G 无线接入网通过NG 接口连接,实现控制面和用户面功能。5G 无线接入网之间通过Xn 接口连接,实现控制面和用户面功能。


4G 移动通信系统包括EPC(Evolved Packet Core Network,演进分组核心网)和E-UTRAN(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network,演进通用陆地无线接入网络)。4G 移动通信系统整体架构如图1-2 所示。

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图1-2 4G 移动通信系统整体架构


5G 移动通信系统整体架构与4G 整体架构类似。无线接入网与核心网仍然遵循各自独立发展的原则,空中接口终止在无线接入网。无线接入网与核心网的逻辑关系仍然存在,无线接入网与核心网的接口依然明晰。4G 与5G 移动通信系统整体架构对比如图1-3所示。

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图1-3 4G 与5G 移动通信系统整体架构对比


在4G 移动通信系统中,E-UTRAN 由BBU(Baseband Unit,基带处理单元)和RRU(Remote Radio Unit,射频拉远单元)实现,但是E-UTRAN 是一个逻辑整体。5G 移动通信系统中,NG-RAN 可以分为CU(Centralized Unit,集中单元)和DU(Distributed Unit,分布单元)。在逻辑上,NG-RAN 可以不是一个整体。DU可以由BBU 实现,CU通常基于通用服务器实现。AAU(Active Antenna Unit,有源天线单元)继承RRU 的所有功能,在此基础上进一步增加功能,例如增加大规模天线功能。在4G 移动通信系统中,无线接入网与核心网之间的传输网络称为回传,BBU 和RRU 之间的光纤网络称为前传。在5G 移动通信系统中,无线接入网与核心网之间的传输网络称为回传,CU 和DU 之间的传输网络称为中传,BBU 和AAU/RRU 之间的光纤网络称为前传。


MEC(Multi-Access Edge Connection,多接入边缘连接)是支撑5G 系统运行的关键技术。MEC 最原始的含义是Mobile Edge Computer,即移动边缘计算。MEC 的基本思想是在靠近终端的位置上提供信息技术服务环境和云计算能力,并将内容分发推送到靠近终端侧(例如基站),从而更好地支持5G 网络中低时延和髙带宽的业务需求。


1.1.1 核心网架构演进


从1G 开始到现在的5G,核心网技术一直处于快速发展过程中。从核心网技术重大变革的维度,移动通信系统经历了模拟通信、数字通信、互联网和SDN/NFV,共4 个时期。

SDN(Software Defi ned Network)即软件定义网络;NFV(Network Function Virtualization)即网络功能虚拟化。不同阶段核心网技术特征与代表技术如图1-4 所示。

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图1-4 不同阶段核心网技术特征与代表技术


2020 年及以后,核心网技术的发展目标是实现从“互联网应用被动适应网络”向“网络主动、快速、灵活适应互联网应用”转变;网络和资源的部署将打破行政管理体制和传统组网思路的制约,转向以IDC(Internet Data Center,互联网数据中心)为核心的新格局。


移动通信系统核心网从3G 到4G 的演进的特点是取消了CS(Circuit Switch,电路交换)域,只保留PS(Packet Switch,分组交换)域。4G 移动通信系统实现了控制和承载相分离。控制面功能实体包括MME(Mobility Management Entity,移动管理实体)、HSS(Home Subscriber Server,用户归属地服务器)、SGW(Serving Gateway,服务网关)的控制面、PGW(PDN Gateway,PDN 网关)的控制面、PCRF(Policy and Charging Rules Function,策略与计费规则功能)单元和CG(Customer Gateway,后4G 时期网络能力开放后控制面引入的网关接口)。4G 核心网架构如图1-5 所示。


4G 核心网需要应对的场景比较简单,主要是面向人的移动宽带接入。为了解决4G网络的语音通信需求,基于IMS(IP Multimedia Subsystem,IP 多媒体子系统)发展出了VoLTE 技术;为了应对物联网应用的需求,基于现有LTE(Long Term Evolution,长期演进)系统进行改造和加强,发展出了NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,窄带物联网)技术和eMTC(enhanced Machine Type Communication,增强机器类通信)技术。4G 核心网在URLLC 和mMTC 方面的不足随着业务需求的明确愈发显著。更低时延和超大的连接数使得4G 核心网在新需求面前无能为力。

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图1-5 4G 核心网架构


5G 核心网颠覆了4G 核心网的设计思路。5G 核心网基于SBA(Service Based Architecture,基于服务架构)实现,使用NFV 技术灵活重构网络功能,使用SDN 技术灵活构建数据转发通道,使用切片技术实现业务保障与资源利用率最大化,完全实现CUPS(Control and User Plane Separation,控制面与用户面分离),结合云技术实现全面支撑5G 应用场景需求以及网络定制化、开放化、服务化、支撑大流量、大连接和低时延的万物互联需求。5G 核心网需要一个敏捷、可持续演进的新架构。这个架构包括技术(如微服务、敏捷基础设施)和管理(DevOps,持续交付、康威定理),其并不是把传统网络功能软件简单移植到虚拟化平台上,这个架构的真正思路是架构业务逻辑、系统组织和管理方式。其中涉及的主要技术包括以下几种。


DevOps:Development 和Operations 的组合,是一组过程、方法与系统的统称,用于促进开发(应用程序/ 软件工程)、运维和质量保障(QA)部门之间的沟通、协作与整合。


持续交付:一系列开发实践方法,用来确保代码快速、安全地部署到产品环境中,其采用持续集成、代码检查、单元测试、持续部署等方式,打通开发、测试、生产的各个环节,持续地、增量地交付产品。


微服务:首先是一个服务,其次该服务的颗粒比较小。微服务可以采用Docker、LXC 等技术手段实现。


敏捷基础设施: 提供弹性、按需的计算、存储、网络资源能力。可以通过OpenStack、KVM、Ceph(分布式文件系统)、OVS 等技术手段实现。


为了应对5G 网络的发展要求,基于服务的5G 核心网架构被提出(如图1-6 所示)。通过对5G 核心网功能进行拆分,可以将MEC 部署在更靠近用户的边缘数据中心,同时将部分计算和存储功能也相应地下沉到网络边缘,以提升网络性能。

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图1-6 基于服务的5G 核心网架构


1.1.2 无线接入网演进


从2G 开始到现在的5G,无线接入网技术一直处于变化之中,无线接入网的实现方式也呈现出“分合分”的表象。无线接入网的发展与演进如图1-7 所示。

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图1-7 无线接入网的发展与演进


在2G 和3G 时代,无线接入网包括两个网元:控制器和基站。2G 移动通信系统的控制器称为BSC(Base Station Controller,基站控制器);3G 移动通信系统的控制器称为RNC(Radio Network Controller,无线网络控制器)。2G 移动通信系统的基站称为BTS(BaseTransceiver Station,基站收发台),3G 移动通信系统的基站称为Node B。之所以会有这个变化是因为制定2G 和3G 移动通信系统标准的组织不同,进而导致命名规则各异。2G 和3G无线接入网基于CS 架构的设计理念进行构建,优先考虑支持语音通信。为了应对分组数据的需求,基于现有的架构衍产生了GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线服务)通信系统。


4G 移动通信系统延续了3G 移动通信系统对无线接入网的命名规则,但是设计理念发生了变化。4G 无线接入网基于PS 架构的设计理念进行构建,优先考虑支持数据业务,以至于最终在3GPP 协议标准中完全取消了CS 域。设计理念的改变,使得4G 无线接入网对原来2G 和3G 无线接入网中的功能实体(控制器和基站)进行了合并,产生一个新的功能实体e-NodeB。4G 无线接入网结构扁平化,取消了基站控制器,有利于降低时延,提高数据转发效率。3G 和4G 无线接入网都可以通过“BBU+RRU+ 天线”的方式加以实现。


5G 移动通信系统继续延续3G 和4G 移动通信系统对无线接入网的命名规则,但是设计理念更加全面,更具进步性。5G 无线接入网基于PS 架构的设计理念进行构建,但是其支撑的业务类型不仅仅是宽带数据业务,还包括大连接业务和超高可靠超低时延业务,所以5G无线接入网再次被拆分。5G 无线接入网的基站被称为gNB,其将接入网网元功能拆分为二级:CU 和DU。DU 可以通过“BBU+AAU”或“BBU+RRU+ 天线”的方式加以实现。从3GPP技术标准的维度看,CU 和DU 的拆分是对5G 空口协议栈的拆分。CU 与DU 的划分方式有很多种,这些内容将在1.2 节进行描述。3GPP 协议已经确定采用的划分方式:CU 负责处理5G 空口协议的RRC 层和PDCP(Packet Data Convergence Protocol,分组数据汇聚协议)层,DU 负责处理5G 空口协议的MAC(Media Access Control,介质访问控制)层、RLC(Radio Link Control,无线链路控制)层和物理层。CU 主要包括非实时的无线高层协议栈功能,同时也支持部分核心网功能下沉和MEC 业务的部署,DU 主要负责处理实时性需求较高的功能。这样划分的好处是5G 无线接入网可以更好地实现资源分配和动态协调,从而提升网络性能,可以满足5G 不同场景的需要;同时,灵活的硬件部署也能降低5G 网络建设成本。


需要强调的一点内容:在5G 移动通信系统中,gNB 负责实现5G 无线接入网的功能。gNB 是一个逻辑节点,不代表某一个具体的物理产品。gNB 的实现方式有很多,“BBU+AAU”的方式或“BBU+RRU+ 天线”的方式仅仅是两种主流的实现方式。常见的gNB 产品实现形态是基于“BBU+AAU”方式的三扇区基站,此时AAU 实现三个扇区基站信号的发射和终端信号的接收。gNB 的实现方式还可能是C-RAN、一体化微站、数字化室分(Pico,皮站)、家庭网关基站(Femto,飞站)、白盒化基站(Open RAN)等。







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