5G的功能架构和灵活性 | 《5G移动无线通信技术》之十二-阿里云开发者社区

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5G的功能架构和灵活性 | 《5G移动无线通信技术》之十二

简介: 本节首先介绍了5G的高级要求又介绍了5G的功能架构和其灵活运用的性能。

第十一节:5G架构之NFV和SDN

5G的功能架构和灵活性

12.1 5G架构的高级要求

在定义 RAN 逻辑架构之前,需要先定义一些高级原则。这些原则的制定需要考虑 5G 用户需求和预期的业务。下面列举最为重要的 5G 高级架构原则。
原则 1:5G 架构需要利用与 LTE 演进共同部署的优势,但是应当避免系统间的依 赖关系。同时,所有的 RAN 功能(例如系统接入、移动性、QoS 处理和覆盖)都需要 考虑新的空中接口工作的频率。
这个原则来源于:
(1)对 LTE 成功提供移动宽带业务(MBB)以及其他的业务,比如 mMTC [4] 的肯定;(2)在 5G 部署的初期,LTE 将会拥有广泛的覆盖 [5]。这一原则得到文献[5]的肯定,5G 架构设计需要遵循多无线接入技术(RAT)的协作的原则 [5]。 RAT 间的协作还包括非 3GPP 技术,例如 IEEE 802.11 家族,但是协作的水平有所不同。在 5G 和 3G 或者 2G 网络之间也许不需要切换和业务连续性 [5]。
原则 2:5G 架构允许多层和多 RAT 的多连接。
未来一个终端可以连接到相同 RAT 的多个链接(例如宏基站和小基站),也可以是 不同 RAT 的多个链接(例如新的 RAT 和 LTE)。这样实际上是利用或者延伸了诸如载波 聚合或者双连接技术。RAT 的组合可以包括非 3GPP RAT,例如 IEEE 802.11ax(高效 率 Wi-Fi 技术)
原则 3:5G 架构需要支持采用不同的回传技术的节点间协作。
这意味着新的空中接口的设计要尽可能避免不必要的限制,满足不同的网络功能分 拆部署的要求。这一原则十分重要,因为干扰消除的协作机制是“5G 设计原则”[5],其 中大规模 MIMO 和多点协作(CoMP)发送和接收机制是重要的技术元素 [4]。这一原则 也适用于部署在不同位置部署的 LTE 演进网络和新的空中接口。同时确保运营商现有的 回传网络仍然能够进行 5G 部署。
原则 4:5G 架构需要内在的灵活性,来实现广泛用例和商业模型的场景中网络能力 的优化使用。
这一原则要求 3GPP 制定相同的逻辑架构,并足够灵活地提供 MBB 业务和非 MBB 业务,例如uMTC和不同的商业模型(比如网络分享)。对于无线接入网络和核心网架构, 协议设计需要足够灵活来满足不同的要求。
原则 5:5G 架构需要可编程的框架来实现创新。
为了支持未来广泛的要求,并提供大量的服务(包括 5G 部署时仍然未知的服务), 同时允许快速的业务创新,5G 的终端需要高度可编程和可配置,需要支持多模多频段, 能够聚合来自不同技术的数据流。同时需要提高终端的能耗性能和业务感知的信令效率。

12.2 功能架构和5G灵活性

在传统的网络中,如何将 NF 和 NE 分拆到物理节点是针对特定的部署进行的。 SDN 和 NFV 技术使新的网络架构成为可能,允许以新的方式部署移动网络。除了空中 接口,出于显而易见的原因,近来 5G 研究突出了基于 NF 定义和功能之间接口的逻辑 架构,而不是基于 NE 定义和节点之间接口的架构 3。这一方案的优势如下。

  • 参考传输网络的能力和制约因素,灵活优化地布置 NF;
  • 避免冗余,仅采用必要的 NF;
  • NF 可以通过特殊实现方式进行优化。

但是,这个方式需要定义大量的接口,从而实现多厂商互操作。因此,根据功能使 用的情况,运营商必须能够灵活地定义和配置自己的接口。对运营商潜在的挑战是系统 的复杂性,其中有大量的接口需要管理。如 14 节所述,采用软件接口而不是节点之 间的协议或许是一个解决方案。因此,5G 的架构设计需要平衡复杂性和灵活性。
本节介绍 NE 功能分拆的准则、功能分拆的例子和优化移动网络运营的案例。需要 指出的是本节的分析不仅支持从节点间到功能间接口的变化,也适用于潜在 RAN 功能 分拆的节点间功能接口。

12.2.1 功能分拆准则

在逻辑架构设计时,“功能分拆”允许将网络功能映射到协议层,同时将这些协议 层分配到不同的网络单元中。
在 5G 中有不同的功能分拆的可能性。主要是由下面的两个因素决定的。

  • 把网络功能按照相对于无线帧需要同步和不需要同步加以区分。基于这一原则, 接口可以分为严格时间限制和松散时间限制。
  • 回传(BH)以及或许用于 5G 的前传技术,这些技术给接口带来时延和带宽的 限制。

对于功能分拆,下列因素应当特别认真考虑 [8]。

  • 集中化的优点:从架构来看,是否集中部署优于分布部署(见表 3.1)。

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  • 计算需求及多样性:一些功能或许需要集中化提供的强大的运算能力,同时在这些区域提供不同需求类型的应用。
  • 链路级物理限制:特别是在中心单元池和远端单元之间的连接上的时延和带宽要求。
  • 面向空中接口,网络功能之间的同步和时延依赖性:运行于 OSI 模型上层的网 络功能被认为是非同步的。因此如果两个网络功能之一需要来自另一个功能的关键时间 信息,二者就不应当被分拆。表 3.1 归纳了网络功能从完全集中式到完全分布式部署的 优点、需求和限制。

12.2.2 功能分拆选项

如前所述,5G 的特点是可以将网络功能灵活地布置于网络拓扑结构的任意位置。 这种灵活性引入两个可选方式,即集中化 RAN(C-RAN)和分布式 RAN(D-RAN)。 传统意义上,C-RAN 主要是集中化基带处理资源(基带池)。在 NFV 的帮助下,将 工业化标准的大量服务器硬件用于基带信号处理,C-RAN 可以被延伸到云计算无线接入 网络(Cloud-RAN),其中网络功能采用虚拟化的方式部署。对于原有以 D-RAN 为主的 物理架构,C-RAN 和 Cloud-RAN 架构体现了结构改变。 到目前为止,只有完全集中化的 RAN 架构得到部署,这就需要通过无线接入点和 基带池之间的前传来传输数字化的信号(I/Q 采样,每个天线端口一路数据流),如通 过 CPRI 接口 [9] 或者 ORI 接口 [10]。5G 网络的灵活性概念引伸为一般意义上的功能分拆。 一个经典的功能分拆报告请见文献 [8]。图 3.5 显示了四种不同的无线接入点和集中处 理器之间的功能分拆的选择方案。图中的分界线的位置标明了不同网络层位于中心位置 (分界线之上)和还是位于本地位置(分界线之下)。

  • 分拆方法 A:较低物理层分拆。类似于现有的基于 CPRI/ORI 接口的功能分拆。 最高集中化增益需要付出昂贵的前传的代价。
  • 分拆方法 B:较高物理层分拆。类似于前一种分拆方式,但仅对基于用户的网络 功能进行集中化,而小区特定的功能实施远程管理。例如,前向纠错(FEC)编码 / 解 码或许是集中的。这种分拆的处理能力和前传要求随着用户数、占用资源和数据速率改 变。因此,在前传链路可能获得集合(MUX)增益,而集中增益略有损失。
  • 分拆方法 C:MAC 层集中化。关键时间集中化处理不是必需的,而且集中化增 益较小。这就意味着调度和链路自适应(LA)必须区别为关键时间部分(本地操作)和 非关键时间部分(集中操作)。
  • 分拆方法 D:分组数据融合协议(PDCP)集中化。类似于现有的 3GPP LTE 的双连接机制。不需要和空中接口帧同步的功能通常是集中化和虚拟化中要求最少的。这 些功能通常位于PDCP和RRC协议层。前面提到位于低层的功能必须和空中接口帧同步, 例如,分拆方式 A 和 B 中的部分功能。这对他们之间的接口提出很高的要求,使集中 化和虚拟化极具挑战。

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此外,这里没有明确阐述的是,核心网功能是集中化和虚拟化的最大获益者。 如第 13 节所述,实际的功能分拆高度依赖于物理部署和特定的应用。而且,功能 分拆可以按照控制面和用户面来进行不同的分拆。三种模型如下 [8]。

  • 直接流程:来自核心网的分组数据进入中心实体,再由中心实体发送到远程单元。这个方式经过集中化的较高层和分布式的较低层来实现。
  • 前向 - 后向流程:来自核心网的分组数据直接发到远程单元,远程单元决定哪些 数据必须由中心单元处理。之后,中心单元网络功能完成所需的处理,并把分组数据再 次发给远程单元。这个选择由分布式管理的某些较高层网络功能实现。
  • 控制 / 用户面分拆:上述两个模型可以进一步分拆为仅负责控制面处理的中心单 元和仅负责用户面处理的远程单元组成。

12.2.3 特定应用的功能优化

5G网络将会为无线网络运营的优化提供更多的自由度,例如,针对特定的目的,可能 部署专用软件,其中只包括部分RAN协议栈。表3.2列举了一些无线网络功能优化的要素。
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基于场景可以优化的功能存在于所有 RAN 协议层。在物理层,编码承担着重要的 作用,例如,适用于 mMTC 的分组编码和适用于 xMBB 的 Turbo 编码,对于资源受限 的硬判决解码,载波调制(例如关键时延业务采用单载波,高速率业务采用多载波), 或者根据具体场景采用不同信道预测算法。
在 MAC 层,除了其他的方面,Hybrid ARQ 或许可以根据时延的要求,进行不同的 优化。移动性功能高度依赖实际用户移动速度。调度器的实现必须考虑用户密度、移动 性和 QoS 要求。随机接入协作也可以针对 MTC 进行优化。
网络级功能可以依据实际的部署方式和业务组成进行优化。本地分流功能取决于是 否提供本地业务,即本地化的业务,例如因特网的流量可能由无线接入节点来处理。多 小区合作和协作依赖于网络的密度、结构特征和用户特点,诸如干扰分布和用户密度。 双连接功能取决于某个多 RAT 协作功能可以被采用(见 12.2.5 节)。
例如,在大规模 MIMO 和小基站超密网络(UDN)广域部属的场景。由于 UDN(见 第 11 章)和大规模 MIMO 波束可以使用于较高的频段,而小基站和窄波束无法确保移 动条件下的顽健性。因此,多 -RAT 连接可以实现 C 面分极。 集中化的程度严重依赖于可预期的回传网络。 例如:具有光纤连接的宏蜂窝可以更多地集中化部署。出于经济原因考虑,UDN 节点需要自带无线回传模块。但是由于带宽受限,仅有较少的网络功能可以集中化部署。 再有,网络功能的使用依赖于场景和部署的 RAN 技术。 例如:对于UDN网络,小区间干扰协作或者多小区联合处理是必要的。同时大规模 MIMO需要导频协作算法。而且,UDN通常部署在步行街环境,移动性低,相较于大范围 的铁路环境,这一场景允许不同干扰消除方法。最后,利用大规模MIMO实现回传,则不 需要移动性管理。在体育场场景,内容是在本地提供,因此核心网功能、信息和电信业务 也应当是在本地提供。类似地,在热点地区服务可以由本地提供,这就需要本地核心网功能。 以上每个例子,都可以采用针对特定的用例专有的软件进行优化。

12.2.4 集成 LTE 和新的空中接口来满足 5G 需求

将新的空中接口和原有系统集成,一直是移动网络引入新一代技术过程中的重要组 成部分。直到引入 4G 阶段,这一工作的主要目标是实现全网无缝的移动管理。实现在 特定区域平滑引入新一代技术新业务的同时,保证原有业务的平稳运行,例如,UTRAN 支持的语音业务,而在 LTE 引入初期通过 CSFB 实现语音业务回落。在不同的 3GPP 系 统之间,集成一般是通过不同系统核心网节点之间的接口来实现,例如,S11 接口(在 MME 和业务网关之间),S4 接口(在业务网关和 SGSN 之间) [11]。
向 5G 演进的过程中,新空中接口和 LTE 的紧密集成(相对于现有系统之间的集成), 从第一时间起就是 5G RAN 架构必不可少的组成部分。
这里的紧密集成是指在具体的接 入协议之上,采用多接入共享的协议层。 这里紧密集成的要求来自于 5G(高达 10 Gbit/s)的速率要求。同时和低时延要求一 起推动了在较高的 6 GHz 之上的频段设计新空中接口。在这些频段,传播特性更具有挑 战性,覆盖呈点状覆盖 [12]。
与 5G 研究活动同步进行的是,3GPP 不断地增加 LTE 的功能,很可能当 5G 推向市 场的时候, LTE具有的能力已经可以满足很多5G要求,例如和MTC及MBB相关的要求。 那时,LTE 也将广泛地部署,并运行在传播特性更好的频段,这使得 LTE 和新空中接口的集成更具吸引力 46。
这些多种接入方式的紧密集成方案,之前已经有所研究 [13],其中 GSM、UTRAN 和 WLAN 共有的基于 RRM 的架构被引入到基于业务的接入选择。在 Ambient Networks 项 目中 [14],对不同的紧密集成架构进行了讨论,提出了一个依赖多个无线资源管理的架构 和一般链接分层方案。 近来更多的紧密集成的架构得到验证,其中同时考虑了 LTE 协议架构,以及新的空 中接口的重要因素 [12]。而且根据文献 [12],至少在 LTE 的 PDCP 和 RRC 层应该和新的 空中接口共享,来支持 5G 需求。这导致协议架构更倾向于 LTE Release 12 中支持双连 接的架构。各种不同的选择如图 3.6 所示。
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(1)相互连接的多个核心网和公用核心网
这种情况下,每种 RAT 拥有各自的 RAN 协议栈和各自的核心网,两个核心网之间 由节点间接口连接。目前解决方案集成了 UTRAN(3G)和 E-UTRAN(4G)。控制面的 协作通过移动管理设备(MME)和 S-GW 之间的接口完成。当 5G 和 LTE 集成时,应 该不会采用这种方案,因为这样做很难达到无缝的移动性管理和透明连接。
这种情况下,每个 RAT 拥有各自的 RAN 协议栈,而共享核心网。新的 5G 网络功 能可以用于 LTE,也可以用于新空中接口。这样可以潜在地减少硬切换的时延,并实现更加无缝的移动性。但是,潜在的多 RAT 协作的功能或许无法实现。
(2)公共的物理层(PHY)
LTE 物理层是基于 OFDM 的。物理层通过传输信道向 MAC 层提供服务,并将传输 信道映射到物理信道。基于 OFDM 的发送方式很可能会在新空中接口中得到保留,但 是仍然会和 LTE 有很大的不同,例如,OFDM 参数配置,即载波的间隔、信号的长度、 保护间隔和循环前缀长度(参照第 7 章)。因此,引入共同的物理层也许非常困难。而且, 这一架构对部署也提出限制条件,因为非共站多 RAT 场景几乎不可能工作,这是由于 在 LTE 和新空中接口间需要高级别的同步。
(3)公共媒体接入层(MAC)
LTE MAC 层以逻辑信道的形式向 RLC 层提供服务,它将逻辑信道映射到传输信道。 主要的功能是:上行和下行调度、调度信息报告、Hybrid-ARQ 反馈和重传、合成 / 分拆 载波聚合时来自多个载波的数据。原则上,在 MAC 层对 LTE 和新空中接口的集成可以 带来协作增益,实现跨空中接口,跨载波调度。 实现公共 MAC 层的挑战来自于 LTE 和新空中接口时域和频域结构的不同。在公共 MAC 层和下方的包括 LTE 和新空中接口的物理层需要高级别的同步。而且,对于不同 的基于 OFDM 的发送方式也需要合适的参数配置。高级别同步的实现程度同样会制约 共址 RAT 的 MAC 层可以实现的集成程度。
(4)公共 RLC LTE 的 RLC 层向 PDCP 层提供服务。
它的主要功能是实现用户面和控制面的分段 和连接、重传处理、重复检测,并按顺序提交给更高层。由于 PHY、MAC 和 RLC 层需 要同步,RLC 集成变得具有挑战。例如,为了实现分段 / 重组,RLC 需要了解调度的决 定,即下一个 TTI 的资源块,这些信息需要由 PHY 及时提供。
除非多个空中接口拥有公共的调度器,否则联合的分段和重组难以进行。与之前描 述的公共 MAC 层类似,公共 RLC 也仅限于共址部署的 LTE 和新空中接口。
(5)公共 PDCP/ 无线资源控制(RRC)
LTE 的 PDCP 层同时用于控制面和用户面。主要的控制面功能包括加密 / 解密和完 整性保护。对于用户面,主要功能是加密 / 解密、报头压缩 / 解压、按序交付、重复检 测和重传。与 PHY、MAC 和 RLC 层的功能相比,PDCP 功能对于下层的同步没有严格 的要求,如同步。因此对于 LTE 和新空中接口特定的 PHY、MAC 和 RLC 层的功能设计, 应该不会对公共的 PDCP 层带来影响。而且,这样的集成也可以在共址和非共址的场景 使用,使其更具有面向未来的一般性特征。
RRC 层在 LTE 中负责控制面功能。包括接入层和非接入层的系统信息广播、寻呼、 连接处理、临时 ID 分配、配置较低层协议、QoS 管理、接入网安全管理、移动性管理、 测量报告和配置。RRC 功能不需要较低层的同步,从而有可能对多个空中接口采用公共 的控制面实现协作增益。正如公共 PDCP 层,支持共址和非共址部署。

12.2.5 多 RAT 协作功能

得益于前面章节建议的公共 PDPC/RRC 协议架构的紧密集成,网络可以实现不同的 RAT 协作功能,一些不同的选项如图 3.7 所示。
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(1)控制面分集
LTE 和新空中接口的公共控制面允许具有双射频终端,在单个控制点拥有对两个空 中接口专有信令的连接。在 LTE Release 12 中,为了提升移动的顽健性,开发了一个类 似的双连接概念 [15]。在这个功能中,不需要明确的信令来变换连接,接收机需要具备接 收任意连接上任意信息的能力,包括在两个空中接口上的相同信息。这或许是这一功能 的主要优点,即在传播困难的场景中,满足某些重要的超可靠通信需求。另外如下所述, 公共控制面功能也是赋能用户面集成的功能。
(2)快速控制面交换
这个基于公共控制面的功能,使得终端能够通过任一空中接口连接到一个控制点,并且不需要密集的连接信令,就可以快速从一个链接变换到另一个链接(无需核心网信 令、上下文传输等)。其可靠性不如采用控制面分集高,因此进一步提高可靠性还需要其他的信令支持。
(3)用户面聚合
用户面聚合的一个变化形式叫作流聚合,它允许在多个空中接口聚合单一数据流。 另一个变化形式叫作流路由,这个功能是指一个给定的用户数据流被映射到单一空中接 口。这样来自同一个 UE 的每一个流可以被映射到不同的空中接口。这个功能的优点是 提升速率,形成资源池和支持无缝移动性。当空中接口的时延和速率不同时,流聚合的 变化形式可能带来的好处十分有限。
(4)快速用户面交换
这里不同于用户面聚合,终端的用户面在任一时间仅使用一个空中接口,但是提供 了在多个空中接口之间快速变换机制。这就要求具有一个稳健的控制面。快速用户面切 换提供了资源池、无缝移动,并提升可靠性。
(5) LTE 辅助的极简设计
这个功能依赖于公共控制面,基本的想法是利用 LTE 来发送所有的控制信息,这样 可以简化 5G 设计。为了达到后向兼容的目的,这一点非常重要(参见第 2 章)。例如系统信息,发送给处于休眠模式的终端的信息可以通过 LTE 发送,这样做主要的好处是减少了 5G 总体网络能源消耗和“休眠”干扰。尽管发送的能量仅仅是从一个发射机转移 到另一个发射机,但是发射机的电路处于关闭状态可以节省大量的能源。
第十三节:物理架构和5G部署

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