隨著5G愿景和概念逐漸地清晰，業界越發意識到網絡技術發展對5G系統的重要價值。5G網絡旨在以高性能和高效能為目標重構全網架構和服務體系，支撐5G指標和場景，滿足高效運營的要求。

　　本文引入了“自頂向下”的設計方法，從5G場景與需求與網絡挑戰映射分析入手，梳理了5G架構發展方向，描述5G概要級網絡架構和基礎設施框架，并對不同功能平面的架構方案具體展開，提出5G網絡核心功能—網絡切片，在最后對5G網絡標準化推進節奏進行了總結，提出的架構方案能匹配5G業務和運營需求，對5G網絡后續研究工作具有推動作用。

　　1、5G網絡概要級框架

　　1）5G需求與網絡功能映射

　　5G愿景定義了更豐富的業務場景和全新的業務指標，5G系統不能囿于單純的空口技術換代和峰值速率提升，需要將需求與能力指標要求向網絡側推演，明確現網挑戰和發展方向，通過網絡側的創新提供支撐，見表1。

　　表1 5G愿景、現網挑戰與架構演進方向映射

　　（1）指標方面

　　首先，業務速率隨用戶移動和覆蓋變化而改變是移動通信系統的基礎常識，無法提供穩定的體驗速率支持，需要改變傳統的“終端一基站”一對一傳輸機制，引入聯合多站點協同來平滑和保證速率；

　　其次，毫秒級時延是另一個挑戰，當前網關和業務服務器一般部署在網絡中心，受限于光傳輸速率，網內傳輸時延大多是百毫秒量級，遠超5G時延要求，需要盡可能將網關和業務服務器下沉到網絡邊緣，此外，4G定義的實時業務切換中斷時間（300 ms）也無法滿足5G高實時性業務要求，這意味需要引人更高效的切換機制；

　　最后，現網限于中心轉發和單一控制的功能機制，在高吞吐量和大連接的背景下會造成更大的擁塞和過載風險，這要求5G網絡控制功能更靈活，流量分布更均衡。

　　（2）運營能效方面

　　4G網絡主要定位在互聯網接入管道，長期形成了重建設、輕運維的定式，簡單化的運營手段難以適應5G物聯網和垂直行業高度差異化的要求。

　　與此同時，基于專用硬件的剛性網絡設備平臺資源利用率低，不具備動態擴縮容能力。這要求網絡側需要引入互聯網靈活快速的服務理念和更彈性的基礎設施平臺。

　　2）5G網絡邏輯功能框架

　　5G網絡采用基于功能平面的框架設計，將傳統與網元綁定的網絡功能進行抽離和重組，重新劃分為3個功能平面：接入平面、控制平面和數據平面（如圖1所示）。

　　圖1 5G網絡概要級系統框架

　　網絡功能在平面內聚合程度更高，平面間解藕更充分。其中，控制平面主要負責生成信令控制、網管指令和業務編排邏輯，接入平面和數據平面主要負責執行控制命令，實現對業務流在接入網的接入與核心網內的轉發。各平面的功能概述如下。

　　（1）接入平面

　　涵蓋各種類型的基站和無線接入設備，通過增強的異構基站間交互機制構建綜合的站間拓撲，通過站間實時的信息交互與資源共享實現更高效的協同控制，滿足不同業務場景的需求。

　　（2）控制平面

　　為5G新空口和傳統空口提供統一的網絡接口。控制面功能分解成細粒度的網絡功能組件，按照業務場景特性定制專用的網絡服務，并在此基礎上實現精細化網絡資源管控和能力開放。

　　（3）數據平面

　　核心網網關下沉到城域網匯聚層，采取分布式部署，整合分組轉發、內容緩存和業務流加速能力，在控制平面的統一調度下，完成業務數據流轉發和邊緣處理。

　　3）5G基礎設施平臺

　　5G網絡將改變傳統基于專用硬件的剛性基礎設施平臺，引入互聯網中云計算、虛擬化和軟件定義網絡等技術理念，構建跨功能平面統一資源管理架構和多業務承載資源平面，全面解決傳輸服務質量、資源可擴展性、組網靈活性等基礎性問題。

　　網絡虛擬化實現對底層資源的統一“池化管理”，向上提供相互隔離的有資源保證的多租戶網絡環境，是網絡資源管理的核心技術。

　　引入這一技術理念，底層基礎設施能為上層租戶提供一個充分自控的虛擬專用網絡環境，允許用戶自定義編址、自定義拓撲、自定義轉發以及自定義協議，徹底打開基礎網絡能力。

　　引入軟件定義網絡的技術理念：

　　在控制平面，通過對網絡、計算和存儲資源的統一軟件編排和動態調配，在電信網中實現網絡資源與編程能力的銜接；

　　在數據平面，通過對網絡的轉發行為進行抽象，實現利用高級語言對多種轉發平臺進行靈活的轉發協議和轉發流程定制，實現面向上層應用和性能要求的資源優化配置。

　　2、5G網絡架構技術方向

　　1）5G接入平面—異構站間協同組網

　　面向不同的應用場景，無線接入網由孤立管道轉向支持異構基站多樣（集中或分布式）的協作，靈活利用有線和無線連接實現回傳，提升小區邊緣協同處理效率，優化邊緣用戶體驗速率。圖2描繪了涉及的組網關鍵技術。

　　圖2 異構站間組網關鍵技術

　　（1） C-RAN

　　集中式C-RAN組網是未來無線接入網演進的重要方向。在滿足一定的前傳和回傳網絡的條件下，可以有效提升移動性和干擾協調的能力，重點適用于熱點高容量場景布網。

　　面向5G的C-RAN部署架構中，遠端無線處理單元RRU匯聚小范圍內RRU信號經部分基帶處理后進行前端數據傳輸，可支持小范圍內物理層級別的協作化算法。

　　池化的基帶處理中心集中部署移動性管理，多RAT管理，慢速干擾管理，基帶用戶面處理等功能，實現跨多個RRU間的大范圍控制協調。利用BBURRU接口重構技術，可以平衡高實時性和傳輸網絡性能要求。

　　（2）D-RAN

　　能適應多種回傳條件的分布式D-RAN組網是5G接入網另一重要方向。在D-RAN組網架構中，每個站點都有完整的協議處理功能。

　　站點間根據回傳條件，靈活選擇分布式多層次協作方式來適應性能要求D-RAN能對時延及其抖動進行自適應，基站不必依賴對端站點的協作數據，也可正常工作。分布式組網適用于作為連續廣域覆蓋以及低時延等的場景組網。

　　（3）無線mesh網絡

　　作為有線組網的補充，無線mesh網絡利用無線信道組織站間回傳網絡，提供接人能力的延伸。無線mesh網絡能夠聚合末端節點（基站和終端），構建高效、即插即用的基站間無線傳輸網絡，提高基站間的協調能力和效率，降低中心化架構下數據傳輸與信令交互的時延，提供更加動態、靈活的回傳選擇，支撐高動態性要求場景，實現易部署、易維護的輕型網絡。

　　2）5G數據平面—網關與業務下沉

　　如圖3中(a)部分所示，通過現有網關設備內的控制功能和轉發功能分離，實現網關設備的簡化和下沉部署，支持“業務進管道”，提供更低的業務時延和更高的流量調度靈活性。

　　圖3 核心網功能重構

　　通過網關控制承載分離，將會話和連接控制功能從網關中抽離，簡化后的網關下沉到匯聚層，專注于流量轉發與業務流加速處理，更充分地利用管道資源，提升用戶帶寬，并逐步推進固定和移動網關功能和設備形態逐漸歸一，形成面向多業務的統一承載平臺。

　　IP錨點下沉使移動網絡具備層三組大網的能力，因此應用服務器和數據庫可以隨著網關設備一同下沉到網絡邊緣，使互聯網應用、云計算服務和媒體流緩存部署在高度分布的環境中，推動互聯網應用與網絡能力融合，更好地支持5G低時延和高帶寬業務的要求。

　　3）5G控制平面—網絡控制功能重構

　　網關轉發功能下沉的同時，抽離的轉發控制功能（NF-U）整合到控制平面中，并對原本與信令面網元綁定的控制功能（NF-C）進行組件化拆分，以基于服務調用的方式進行重構，實現可按業務場景構造專用架構的網絡服務，滿足5G差異化服務需求，如圖3中（b）所示。控制功能重構的關鍵技術主要包括以下方面。

　　（1）控制面功能模塊化梳理控制面信令流程，形成有限數量的高度內聚的功能模塊作為重構組件基礎，并按應用場景標記必選和可選的組件。

　　（2）狀態與邏輯處理分離對用戶移動性、會話和簽約等狀態信息的存儲和邏輯進行解藕，定義統一數據庫功能組件，實現統一調用，提高系統的頑健性和數據完整性。

　　（3）基于服務的組件調用按照接人終端類型和對應的業務場景，采用服務聚合的設計思路，服務引擎選擇所需的功能組件和協議(如針對物聯網的低移動性功能)，組合業務流程，構建場景專用的網絡，服務引擎能支持局部架構更新和組件共享，并向第三方開放組網能力。

　　3、5G網絡服務—端到端網絡切片

　　網絡切片利用虛擬化技術將通用的網絡基礎設施資源根據場景需求虛擬化為多個專用虛擬網絡每個切片都可獨立按照業務場景的需要和話務模型進行網絡功能的定制剪裁和相應網絡資源的編排管理，是5G網絡架構的實例化。

　　網絡切片打通了業務場景、網絡功能和基礎設施平臺間的適配接口。通過網絡功能和協議定制，網絡切片為不同業務場景提供所匹配的網絡功能。

　　例如，熱點高容量場景下的C-RAN架構，物聯網場景下的輕量化移動性管理和非IP承載功能等。

　　同時，網絡切片使網絡資源與部署位置解耦，支持切片資源動態擴容縮容調整，提高網絡服務的靈活性和資源利用率。切片的資源隔離特性增強整體網絡健壯性和可靠性。

　　一個切片的生命周期包括創建、管理和撤銷3個部分。

　　如圖4所示，運營商首先根據業務場景需求匹配網絡切片模板，切片模板包含對所需的網絡功能組件，組件交互接口以及所需網絡資源的描述;上線時由服務引擎導人并解析模板，向資源平面申請網絡資源，并在申請到的資源上實現虛擬網絡功能和接口的實例化與服務編排，將切片遷移到運行態。網絡切片可以實現運行態中快速功能升級和資源調整.在業務下線時及時撤銷和回收資源。

　　圖4 網絡切片的創建過程

　　針對網絡切片的研究主要在3GPP和ETSI NFV產業推進組進行，3GPP重點研究網絡切片對網絡功能（如接入選擇、移動性、連接和計費等）的影響，ETSI NFV產業推進組則主要研究虛擬化網絡資源的生命周期管理。

　　當前，通用硬件的性能和虛擬化平臺的穩定性仍是網絡切片技術全面商用的瓶頸，運營商也正通過概念驗證和小范圍部署的方法穩步推進技術成熟。

　　4、5G網絡標準化進展

　　1）ITU

　　ITU于2015年啟動5G國際標準制定的準備工作，首先開展5G技術性能需求和評估方法研究，明確候選技術的具體性能需求和評估指標，形成提交模板；

　　2017年ITU-R發出征集IMT-2020技術方案的正式通知及邀請函，并啟動5G候選技術征集；

　　2018年底啟動SG技術評估及標準化；

　　計劃在2020年底形成商用能力。

　　2）IEEE

　　作為IEEE 3G4G標準的制定機構，IEEE 802標準委員會結合自身優勢，積極推進下一代無線局域網標準（IEEE 802.11ax）研制，并希望將其整合至5G技術體系。

　　IEEE通信學會也在積極探索5G標準化工作思路，目前計劃成立信道建模、下一代前傳接口、基于云的移動核心網和無線分析4個研究組，深入開展5G技術研究。

　　3）3GPP

　　全球業界普遍認可將在3GPP制定統一的5G標準。從2015年初開始，3GPP已啟動5G相關議題討論，初步確定了5G工作時間表。

　　3GPP 5G研究預計將包含3個版本：R14、R15、R16。

　　具體而言：

　　R14主要開展5G系統框架和關鍵技術研究；

　　R15作為第一個版本的5G標準，滿足部分5G需求，例如5G增強移動寬帶業務的標準；

　　R16完成全部標準化工作，于2020年初向ITU提交候選方案。3GPP無線接入網工作組計劃在2016年3月啟動5G技術研究工作。

　　3GPP業務需求工作組（SA1）最早于2015年啟動“Smarter”研究課題，該課題將于2016一季度前完成標準化，目前已形成4個業務場景繼續后續工作，見表2。

　　表2 3GPP R14 5G網絡架構關鍵功能和使能技術

　　3GPP系統架構工作組（SA2）于2015年底正式啟動5G網絡架構的研究課題“extGen”立項書，明確了sG架構的基本功能愿景，包括

　　（1）有能力處理移動流量、設備數快速增長；

　　（2）允許核心網和接人網各自演進；

　　（3）支持如NFV、SDN等技術，降低網絡成本，提高運維效率、能效，靈活支持新業務。

　　SA2計劃在2018年輸出第一版的5G網絡架構標準，并于2019年中完成面向商用的完備規范版本。

　　目前，SA2正在進行5G網絡架構需求和關鍵特性的梳理，篩選出第一階段重點研究的關鍵功能和使能技術（見表2）。R14階段后續工作將聚焦這些關鍵特性，開展架構設計、技術方案和標準化評估工作。

　　5、結束語

　　隨著5G路線圖的逐漸清晰，5G網絡一方面需要支撐新型空口或LTE空口技術的演進，另一方面也提供對端到端網絡體系架構重新設計的契機。隨著移動終端代替固定設備成為主流，移動性支持將成為網絡的原生屬性加以“端到端”考量。

　　新型,5G網絡架構不再僅僅作為互聯網的一種接入網選項，而是以移動性為基礎來推動電信網絡的接入、連接能力與業務網絡的計算、存儲能力全面融合。5G時代網絡運營不僅要繼續高質量的滿足傳統移動互聯網應用發展要求，同時還要向新的業務領域應用滲透，快速、持續、高質量地為不同垂直行業的用戶交付信息的網絡服務。

　　5G網絡的發展不必拘泥于革命或演進的選擇，而是由兩種設計思想共同作用的合力來推動。