5G 网络结构 |带你读《5G无线网络规划与设计》之三-阿里云开发者社区

开发者社区> 人邮信通> 正文

5G 网络结构 |带你读《5G无线网络规划与设计》之三

简介: 利用多域数据源的可扩展的、以服务为中心的数据分析算法,以及可靠的安全机制,将以一种值得信赖的方式实现在公共基础架构上部署具有不同虚拟化网络功能的定制网络服务。

1.3 5G 标准化现状

第 2 章 5G 网络结构

2.1 网络整体结构

5G 网络将会满足高速移动和全面连接的社会要求。连接对象和设备的激增将为各种新型服务和相关业务模式铺平道路,从而实现各行业和垂直市场的自动化(例如能源、电子医疗、智慧城市、联网汽车、工业制造等)。除了更普遍的以人为中心的应用(如虚拟和增强现实,4K 视频流等)以外,5G 网络将支持机器对机器(M2M,Machine-to-Machine)和机器对人类(M2H,Machine-toHuman)应用的通信需求,使我们的生活更安全、更方便。与当今占主导地位的人与人的通信流量相比,自动通信的设备创建的移动流量必将具有明显不同的特征。以人为中心的应用和机器类型应用程序的共存要求 5G 网络必须支持非常多样化的功能,并满足全面的关键性能指标(KPI,Key PerformanceIndicator)要求。
为了满足上述需求,需要 5G 网络整体架构具有极大的灵活性。因此,3GPP在 5G 网络架构设计中引入了网络切片技术,通过向运营商提供“面向客户”的按需网络切片满足垂直行业对专用电信网络服务的需求,如图 2-1 所示。将这种以客户为中心的服务水平协议(SLA,Service Level Agreement)映射到面向资源的网络切片描述(网络切片描述用于切片实体的实例化和激活)的需求变得明显。过去,运营商在有限数量的服务/片类型(主要是移动宽带、语音服务和短信服务)上以手动方式执行这种映射。随着此类客户请求数量以及相应切片的增加,移动网络管理和控制框架必须对网络切片实例的整个生命周期管理实现高度自动化。
image.png
更具体地说,切片生命周期自动化必须通过体系结构实现,并且包括实现所有生命周期阶段的认知过程(包括准备阶段、实例化、配置和激活阶段、运
行时阶段和退役阶段)的功能和工具。实现上述结构的两个基本技术包括实现网络功能虚拟化的软件化技术与实现网络结构和基础设施资源可编程的软件定义技术。其他关键要素构成了有效的管理和协调程序与协议。最后,利用多域数据源的可扩展的、以服务为中心的数据分析算法,以及可靠的安全机制,将以一种值得信赖的方式实现在公共基础架构上部署具有不同虚拟化网络功能的定制网络服务。
5G 语境中的递归结构可以理解为可被重复使用的设计、规则或过程。在网络服务语境中,此递归结构可以是网络服务的特定部分,也可以是部署平台的重复部分,并且定义为从现有服务中构建新服务的能力。网络服务可以递归地扩展,也就是说一种服务模式可以替代其自身的一部分。与递归服务的定义一样,在软件的角度上,5G 架构的递归结构可被重复地实例化和多次连接。由于相同的实例可在同一时间、在多处不同位置上被重复部署,因而提高了网络结构的可扩展性。递归结构还可以更容易地对网络弹性、可扩展性和变化进行管理。通过将部分服务委托给同一软件块的多个实例来实现递归,是处理复杂和庞大的工作负载或服务图的有效方法。如果从 5G 部署初期就将递归结构考虑在内,将有助于以极小的成本发挥递归结构的优势。
针对虚拟化的基础设施,这种递归结构允许切片实例在由下面的切片实例提供的基础设施资源之上运营。租户(指切片实例的所有者)可以像操作物理
基础设施资源一样对其虚拟基础设施进行操作,可部分资源分配和转售给其他租户。这意味着,每个租户可以拥有和部署自己的管理和协调(MANO,Management and Orchestration)系统。为了支持递归,需要一组同构的应用程序编辑接口(API,Application Programming Interface)来为每个切片的管理提供一个抽象层,并控制底层虚拟资源,其中,底层虚拟资源对于租户正在操作的层次级别是透明的。不同的租户通过这些 API 请求网络提供切片。通过模板、蓝图或服务级别协议(SLA,Service-Level Agreement),每个租户不仅可以指定切片特征(拓扑、QoS 等),还可以指定一些扩展属性,例如所需的弹性、管理和控制级别。服务提供商必须满足要求并对可用资源进行管理。

2.2 网络部署模式

过去,新一代移动通信系统的网络部署完全是独立进行的,并不会对已建移动通信系统加以考虑。到了 5G 时代,由于 5G 将长期与 4G 共存甚至紧密合作,因而 4G 与 5G 的联合部署成为网络部署策略研究中的重点。2016 年 6 月的 3GPP JointRAN/SA Meeting 提案中涉及 8 类备选方案(option1~8),共 12种 5G 网络部署模式。经过研究,认为其中的 option6(独立部署,5G NR 接入4G EPC)和 option8(非独立部署,5G NR 作为主节点接入 4G EPC)只在理论上成立、不具有实际意义,因而在 2016 年 12 月的 3GPP TSG-RAN 第 72 次全体大会上确定标准将不对 option6 和 option8 进行进一步研究。其中option3/option4/option7 是在 3GPP TR38.801 中重点介绍的 LTE 与 NR 双连接的网络部署架构选项。
未来,5G 网络部署备选方案可分为两大类:独立部署(SA)和非独立部署(NSA)。NSA 架构构建在 LTE-NR 双连接技术的基础之上,用户终端须同时连接一个 LTE 节点和一个 NR 节点,其中一个节点作为主节点,负责控制面信令的传递;另一个节点作为辅节点,辅助用户面数据的转发option3/option4/ option7 是基于 NSA 架构的备选方案,区别在于 LTE 节点和 NR 节点承担不同的角色,以及部署的核心网不同。SA 架构中无线侧只存在一类节点,不同部署模式(option1/option2/option5)的区别在于选取的无线接入网节点和核心网不同。

2.2.1 option1

option1 实际上就是目前的 LTE/EPC 网络结构,无线接入网节点为 4G eNB,通过 S1 接口与 4G 核心网 EPC 连接,eNB 直接通过 X2 接口连接。option1 代表了 5G 网络建设的起点,5G 网络部署模式(option1 和 option2)如图 2-2 所示。
image.png

2.2.2 option2

option2 为独立组网的 5G 网络结构,是由 NR 技术和 5GC 构建的完整的5G 网络,如图 2-2 所示。无线接入网节点为具备全部 NR 功能的 gNB,通过 NG接口与 5GC 连接,gNB 之间通过 Xn 接口连接。这种模式需要进行充分的 gNB 部署,保障基本的 NR 连续覆盖。可以认为,option2 是 5G 网络发展的最终结构。

2.2.3 option3/3a/3x

option3 系列的无线接入网采用 LTE-NR 双连接技术,其中 LTE 节点 eNB作为主节点、NR 节点 en-gNB 作为辅节点,核心网采用 4G EPC,如图 2-3 所示。从图中可以看出,主节点 eNB 与 EPC 之间的连接利用的是 S1 接口,包括负责控制面转发的 S1-C 接口和负责用户面转发的 S1-U 接口。辅节点 en-gNB是只具备部分 gNB 功能的 NR 节点,只辅助用户面转发。
image.png
根据分割用户面数据承载的位置不同,option3 系列分为 option3/3a/3x 这 3种部署模式。option3 模式中数据承载由主节点 eNB 进行分割,此时辅节点 en-gNB通过 X2-U 节点与主节点 eNB 连接,与核心网 EPC 没有连接。option3a 模式中数据承载由核心网进行分割,此时辅节点 en-gNB 通过 S1-U 与核心网 EPC 连接,与主节点 eNB 没有连接。option3x 模式中数据承载既可由核心网分割,又可由主节点分割,因此,辅节点 en-gNB 需要与主节点 eNB 和核心网 EPC 都建立连接。
option3 系列部署模式由于控制面锚点在 LTE 节点上,因此,可以依托现有的 4G 基站实现连续覆盖。但由于核心网仍然采用 EPC,因而无法真正满足ITU 定义的 5G 需求。

2.2.4 option4/4a

option4 系列的无线接入网采用 LTE-NR 双连接技术,其中,NR 节点 gNB作为主节点,LTE 节点 ng-eNB 作为辅节点,核心网采用 5GC,如图 2-4 所示。从图中可以看出,主节点 gNB 通过 NG 接口与 5GC 连接;辅节点 ng-eNB 是eNB 的升级版本,可以通过 Xn 接口与 gNB 连接(option4),也可通过 NG 接口与 5GC 连接(option4a)。
image.png
option4 系列部署模式控制面锚点在 NR 节点上,需要 5G NR 实现基本的连续覆盖,同时需要部署 5GC。在这种部署模式下,作为辅节点的 LTE 节点主要用于提高容量。option4/4a 有完整的 NR/5GC 结构,因此,能够支持包括 eMBB、uRRLC 和 mMTC 在内的 5G 应用场景

2.2.5 option5

option5 是一种独立部署模式,无线接入网采用升级的 LTE 节点 ng-eNB,通过 NG 接口与 5GC 连接,如图 2-5 所示。ng-eNB 之间通过 Xn 接口互联。
option5 部署模式需要部署 5GC。在无线侧,option5 部署模式可以通过在现网 LTE 基础设施上进行升级来实现,无须建设 gNB。option5 部署模式能够支持部分 5G 应用,网络能力主要受 ng-eNB 能力的约束。
image.png

2.2.6 option7/7a/7x

option7 系列的无线接入网采用 LTE-NR 双连接技术,其中,LTE 节点ng-eNB 作为主节点,NR 节点 gNB 作为辅节点,核心网采用 5GC,如图 2-6 所示。从图中可以看出,主节点 ng-eNB 通过 NG 接口与 5GC 连接;辅节点 gNB可以通过 Xn 接口与主节点 ng-eNB 连接(option7),也可通过 NG 接口与 5GC连接(option7a),或者同时与主节点和核心网连接(option7x)。
image.png
与 option3 系列相同,option7 系列部署模式也可借助现有 4G 站点实现基础的连续覆盖。相比于 option3 系列,option7 系列由于引入了 5GC,因而能够在一定程度上实现低延迟、高可靠等业务需求。

2.2.7 演进路径

目前,受到业界关注的 5G 网络演进路径主要有以下 3 种。
1.option2 独立部署
以 option2 部署模式展开 5G 网络建设的发展思路,需要能够基本实现 NR连续覆盖的 gNB 建设规模,以及功能完备的 5GC。由于工作频段较高,gNB单站覆盖能力较差,因而为满足连续覆盖所需的无线基础设施建设的投资规模更大,实现大规模商用的建设周期也更长。但是从长远来看,直接部署独立的5G 网络省略了中间过程的投资,并能够加速 5G 应用的实现。
2.option5→option7→option2
以 LTE-NR 双连接为基础的 5G 网络部署模式能够显著降低初期投资、加速 5G 网络商用。在 5G 核心网部署进程较快的情况下,可以选择以 option5 的模式开启 5G 网络建设,即对 4GeNB 进行升级,并将升级后的 ng-eNB 接入 5GC;之后根据业务需求逐步进行 en-gNB 部署,即发展为 option7 部署模式;最终演进为独立部署的 5G 网络(option2),如图 2-7 所示。
image.png
3.option3→option7→option2/4
另外一种以 LTE-NR 双连接为起点的 5G 网络演进思路是:首先在无线侧引入 en-gNB(option3),此时只能实现部分 eMBB 类型的 5G 应用;然后根据5GC 的建设情况适时引入 5G 核心网(option7);最终向 option2/option4 演进,如图 2-8 所示。
image.png

| 2.3 5G 系统架构|

版权声明:如果您发现本社区中有涉嫌抄袭的内容,欢迎发送邮件至:developerteam@list.alibaba-inc.com 进行举报,并提供相关证据,一经查实,本社区将立刻删除涉嫌侵权内容。

分享:
+ 订阅

人邮信通

官方博客
官网链接