王胡成，徐 暉，程志密，王 可

（1.無(wú)線移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（電信科學(xué)技術(shù)研究院）北京 100191；2.北京郵電大學(xué) 北京 100876）

1 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的新需求

每一代移動(dòng)通信系統(tǒng)都是在一定的技術(shù)基礎(chǔ)上，因特定的業(yè)務(wù)/用戶需求而誕生的。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)出現(xiàn)在蜂窩系統(tǒng)理論提出之后，主要滿足人們無(wú)線移動(dòng)通話的需求；隨著數(shù)字蜂窩技術(shù)的發(fā)展與成熟，為了進(jìn)一步提高移動(dòng)通話的質(zhì)量，推出了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化語(yǔ)音業(yè)務(wù)的第二代（2G）蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)；20世紀(jì)末，IP和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展改變了人們的通信方式，傳統(tǒng)的語(yǔ)音通信的吸引力下降，人們期望無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)也能夠提供互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，于是出現(xiàn)了能夠提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的第三代（3G）移動(dòng)通信系統(tǒng)；21世紀(jì)飛速發(fā)展的信息技術(shù)為人們提供了更多的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，這對(duì)3G系統(tǒng)的服務(wù)能力提出挑戰(zhàn)，因此實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)寬帶化的第四代（4G）移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。4G網(wǎng)絡(luò)是全I(xiàn)P化網(wǎng)絡(luò)，主要提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳闲兴俾士蛇_(dá)20 Mbit/s，下行速率高達(dá)100 Mbit/s，基本能夠滿足各種移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的需求，然而移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展又幾乎顛覆了傳統(tǒng)的移動(dòng)通信模式，這些新型移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，例如社交網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)云計(jì)算、車聯(lián)網(wǎng)等，對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提出了新的需求。

根據(jù)對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中典型的通信場(chǎng)景的研究可知，未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將服務(wù)于人們居住、工作、休閑和交通等各種場(chǎng)所，涵蓋了住宅區(qū)、辦公室、體育場(chǎng)、露天集會(huì)、高速鐵路等多種場(chǎng)景。這些不同場(chǎng)景下的移動(dòng)通信具有不同的特征，例如超高的流量密度、超高的連接數(shù)密度、超低時(shí)延、超高的移動(dòng)性等，因此，國(guó)內(nèi)外的科研組織機(jī)構(gòu)都對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的通信場(chǎng)景進(jìn)行了分類研究，例如國(guó)內(nèi)IMT-2020網(wǎng)絡(luò)工作組將這些通信場(chǎng)景分為以下比較典型的4類[1]。

·連續(xù)廣域覆蓋場(chǎng)景：最傳統(tǒng)的通信場(chǎng)景，以保證用戶的移動(dòng)性和業(yè)務(wù)連續(xù)性為目標(biāo)，為用戶提供100 Mbit/s以上無(wú)縫的高速業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

·熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景：主要面向局部熱點(diǎn)區(qū)域，為用戶提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率（1 Gbit/s），滿足網(wǎng)絡(luò)極高的流量密度（數(shù)十Tbit/s/km2）需求。

·低功耗大連接場(chǎng)景：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中部署大量終端的應(yīng)用場(chǎng)景，要求網(wǎng)絡(luò)支持超千億設(shè)備連接，滿足百萬(wàn)/km2連接數(shù)密度指標(biāo)要求，還要保證終端的超低功耗和超低成本。

·低時(shí)延高可靠場(chǎng)景：主要面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等垂直行業(yè)的極端性能需求，為用戶提供毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和/或接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證。

顯然，現(xiàn)有的服務(wù)于傳統(tǒng)通信業(yè)務(wù)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)難以適用于這些新的通信場(chǎng)景，因此需要面向新需求的移動(dòng)通信技術(shù)展開(kāi)研究。

2 LTE網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

基礎(chǔ)的LTE網(wǎng)絡(luò)主要由eNB、MME、SGW和PGW構(gòu)成，eNB負(fù)責(zé)空口信令和數(shù)據(jù)的傳輸，并與MME進(jìn)行信令面交互，與SGW進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；MME作為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)中的控制面節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)移動(dòng)性管理和會(huì)話管理的控制；SGW和PGW既有控制面功能，又有用戶面功能，控制面功能主要包括數(shù)據(jù)傳輸隧道的建立和管理，用戶面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸。LTE網(wǎng)絡(luò)采用集中式的控制面管理機(jī)制，所有的移動(dòng)性管理和會(huì)話管理的信令都需要由網(wǎng)絡(luò)中的集中控制節(jié)點(diǎn)MME來(lái)處理。LTE網(wǎng)絡(luò)的用戶面也采用集中式的數(shù)據(jù)路由，終端的所有上下行數(shù)據(jù)都必須經(jīng)過(guò)PGW路由[2]。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，LTE網(wǎng)絡(luò)逐漸難以適應(yīng)新業(yè)務(wù)的需求或者網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的新需求，具體表現(xiàn)為集中式的移動(dòng)性管理機(jī)制決定需要在接入網(wǎng)和核心網(wǎng)之間存在大量的信令交互，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在海量終端或者存在密集組網(wǎng)場(chǎng)景時(shí)，核心網(wǎng)將面臨信令擁塞的風(fēng)險(xiǎn)；集中式的路由方式降低“本地?cái)?shù)據(jù)”的傳輸效率，使得內(nèi)容的邊緣緩存難以部署；保持終端“永遠(yuǎn)在線”可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源被大量閑置的PDN連接消耗，例如物聯(lián)網(wǎng)終端；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的邏輯與硬件緊耦合使得網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性受到制約，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的成本增高。

近幾年來(lái)，LTE的標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP一直致力于LTE網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)和增強(qiáng)，使得LTE網(wǎng)絡(luò)既能夠滿足用戶需求又能夠提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的效率。從3GPP R8階段LTE標(biāo)準(zhǔn)的正式提出到R13階段標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目的凍結(jié)，針對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)的特性增強(qiáng)可以分為以下幾類。

·提高網(wǎng)絡(luò)容量，為了提高熱點(diǎn)區(qū)域的系統(tǒng)容量，3GPP分別在R9提出的femto cell技術(shù)，在R12提出small cell技術(shù)，這有效地提高了LTE網(wǎng)絡(luò)本身的系統(tǒng)容量；而在R11提出的WLAN_NS，又是利用WLAN的補(bǔ)充覆蓋，間接地增加了整個(gè)3GPP系統(tǒng)的容量。

·提高數(shù)據(jù)傳輸效率：針對(duì)LTE系統(tǒng)中單個(gè)用戶的數(shù)據(jù)傳輸，3GPP提出了在R10的LIPA/SIPTO（local IP access/selected IP traffic offload） 和R11的LIMONET（LIPA mobility and SIPTO at the local network）技術(shù)，將用戶設(shè)備的上下行數(shù)據(jù)通過(guò)更靠近用戶位置的網(wǎng)關(guān)路由進(jìn)行傳輸，從而縮短數(shù)據(jù)傳輸路徑的長(zhǎng)度，提高傳輸效率；而針對(duì)向一組用戶進(jìn)行下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，3GPP R12階段提出的GCSE_LTE（group communication system enabler）項(xiàng)目改造了eMBMS技術(shù)，使得相同的消息可以通過(guò)多播的方式進(jìn)行傳輸。除此之外，3GPP在R12的ProSe（proximity service）項(xiàng)目中還提出了鄰近通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鄰近終端之間的直接通信，有效地提高了鄰近終端間的數(shù)據(jù)傳輸效率。

·降低系統(tǒng)信令開(kāi)銷：由于LTE網(wǎng)絡(luò)可能被用于服務(wù)機(jī)器類型通信（machine type communication，MTC）的終端，而MTC終端與手持終端相比，具有一定的特殊性或規(guī)律性，例如不頻繁數(shù)據(jù)傳輸特性、時(shí)延容忍、低移動(dòng)性等，因此3GPP針對(duì)這類具有特殊規(guī)律的終端，在R13的HLCom（high latency communication）和eDRX項(xiàng)目中提出了信令過(guò)程優(yōu)化的方法，降低這類終端的信令開(kāi)銷。

·提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)能力：網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)能力包括對(duì)業(yè)務(wù)的支撐能力和對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化調(diào)度的能力，3GPP在R13中提出了AESE（architecture enhancements for wervice capability exposure）和MONTE（monitoring enhancement）項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了將網(wǎng)絡(luò)狀況和服務(wù)能力向第三方開(kāi)放，提高了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)應(yīng)用的支撐能力；在網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化調(diào)度方面，3GPP在R10中提出NIMTC項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了對(duì)網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)信令的有效控制，為更高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的有效運(yùn)行提供保障。

雖然3GPP針對(duì)LTE網(wǎng)絡(luò)做出一系列的優(yōu)化和增強(qiáng)，然而LTE網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則和網(wǎng)絡(luò)中基本的工作機(jī)制決定了優(yōu)化和增強(qiáng)并不能完全地解決LTE網(wǎng)絡(luò)所面臨的問(wèn)題。因此，新的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需要重新設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和工作機(jī)制，從根本上解決LTE網(wǎng)絡(luò)難以應(yīng)對(duì)的問(wèn)題。

3 5G網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的技術(shù)研究

目前已經(jīng)掀起了5G系統(tǒng)研究的高潮，各科研組織、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟或?qū)嵙S商紛紛發(fā)布了5G相關(guān)的白皮書(shū)，介紹了與5G技術(shù)相關(guān)的研究狀況。

3.1 NGMN的白皮書(shū)

2014年12 月，世界運(yùn)營(yíng)商聯(lián)盟組織NGMN（Next Generation Mobile Network）發(fā)表了5G白皮書(shū)[3]。白皮書(shū)指出5G系統(tǒng)將是一個(gè)端到端的生態(tài)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高度融合，是一個(gè)由多種接入技術(shù)、多層網(wǎng)絡(luò)、多種設(shè)備和多種用戶類型交互的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，能夠提供跨越時(shí)間和空間的、無(wú)縫的、連續(xù)的用戶體驗(yàn)。NGMN從6個(gè)方面進(jìn)行了需求分析，包括用戶體驗(yàn)、設(shè)備、商業(yè)模式、管理和運(yùn)營(yíng)、增強(qiáng)服務(wù)和系統(tǒng)性能，指出5G系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全移動(dòng)的、萬(wàn)物互聯(lián)的社會(huì)，能夠針對(duì)客戶和參與者創(chuàng)造價(jià)值，傳遞連續(xù)的體驗(yàn)和實(shí)現(xiàn)持續(xù)的商業(yè)模式。

根據(jù)對(duì)5G的需求分析，NGMN給出了5G網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原則，具體可歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：

·采用成本高效的密集布置；

·支持動(dòng)態(tài)的無(wú)線拓?fù)洌?/p>

·簡(jiǎn)單化核心網(wǎng)絡(luò)，例如采用SDN（software defined networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)；

·采用網(wǎng)絡(luò)分片提高系統(tǒng)的柔性功能和能力；

·鼓勵(lì)價(jià)值創(chuàng)造，降低新業(yè)務(wù)部署的復(fù)雜度；

·保護(hù)用戶的隱私；

·簡(jiǎn)化運(yùn)維和管理。

基于這些設(shè)計(jì)原則，NGMN提出了基于SDN、NFV（network function virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）和云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了以用戶為中心的更靈活、智能、高效和開(kāi)放的5G新型網(wǎng)絡(luò)。

3.2 5GPPP對(duì)5G的分析

2014年，5GPPP（5G Public-Private Partnership）提 出了下一代通信網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)，主要從以下5個(gè)方面進(jìn)行分析和研究[4]。

（1）5G發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力分析

·為用戶提供新的服務(wù)能力，保證用戶體驗(yàn)的連續(xù)性，促進(jìn)新業(yè)務(wù)的發(fā)展，例如物聯(lián)網(wǎng)；

·資源整合的需求，將通信、計(jì)算和存儲(chǔ)資源整合到可編排的、統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施中；

·用戶和社會(huì)對(duì)可持續(xù)和可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的需求；

·對(duì)技術(shù)和商業(yè)創(chuàng)新的生態(tài)環(huán)境的需求。

（2）5G中關(guān)鍵性能指標(biāo)分析

包括網(wǎng)絡(luò)容量、低時(shí)延、高移動(dòng)性、較準(zhǔn)確的終端位置信息以及系統(tǒng)的可靠性和可用性。

（3）5G的設(shè)計(jì)原則分析

要確保靈活、快速地適應(yīng)多樣化的應(yīng)用需求以及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的安全性和隱私性。

（4）5G的關(guān)鍵技術(shù)分析

·異構(gòu)接入技術(shù)的融合；

·軟件驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，比如采用SDN、NFV、MEC（mobile edge computing）等技術(shù)保證網(wǎng)絡(luò)性能，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和敏捷性；

·最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)管理操作。

（5）5G的頻譜分析

5G將提供從幾百M(fèi)Hz到GHz范圍的頻譜，以提高整體系統(tǒng)容量。

3.3 4GAmerica的建議書(shū)

當(dāng)全球范圍布置4G技術(shù)時(shí)，工業(yè)界已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)5G的研究。同樣地，美國(guó)也開(kāi)始了5G相關(guān)的研究工作。2014年10月，4G Americas頒布了5G需求和解決方案的建議書(shū)，闡述了下列問(wèn)題：什么是5G時(shí)代的關(guān)鍵應(yīng)用，存在什么樣的挑戰(zhàn)和需求，什么是新的關(guān)鍵技術(shù)和方案[5]。

4G Americas認(rèn)為5G無(wú)線接入不僅僅是關(guān)于無(wú)線接口技術(shù)，而且是指未來(lái)的全面解決方案，能夠提供人與設(shè)備的無(wú)縫寬帶接入，因此，4G Americas針對(duì)5G的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用情況、需求、規(guī)則和技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)地調(diào)研分析。

（1）市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用情況

未來(lái)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該提供任何人和任何物的無(wú)線接入服務(wù)，例如物聯(lián)網(wǎng)、社交網(wǎng)絡(luò)和M2M通信等，不僅能夠給人們提供所需的信息，比如語(yǔ)音、視頻、醫(yī)療和娛樂(lè)等，還能夠創(chuàng)建個(gè)人網(wǎng)絡(luò)以供人們娛樂(lè)和協(xié)作，甚至實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器之間的交流學(xué)習(xí)，完成報(bào)警監(jiān)視、家庭健康、車隊(duì)管理等方面的應(yīng)用。因此，運(yùn)營(yíng)商最好的客戶范圍不再局限于人與人之間的通信，還包括物與物之間的通信。

（2）5G的需求

5G的需求驅(qū)動(dòng)將來(lái)自用戶和網(wǎng)絡(luò)自身。用戶的需求驅(qū)動(dòng)來(lái)自于對(duì)用戶的QoE提升，具體表現(xiàn)為連接的可靠性和傳輸速度、移動(dòng)性支持、無(wú)縫的用戶體驗(yàn)和對(duì)應(yīng)用上下文的感知；網(wǎng)絡(luò)的需求驅(qū)動(dòng)包括自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理的需求和實(shí)現(xiàn)靈活高效的系統(tǒng)架構(gòu)的需求。

（3）5G潛在的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

多RAT協(xié)同和管理、終端直通、高效的小數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)線回路（backhaul）/接入整合、靈活的網(wǎng)絡(luò)、靈活的移動(dòng)性支持、上下文感知、信息中心網(wǎng)絡(luò)。

3.4 IMT-2020推進(jìn)組關(guān)于5G的研究

IMT-2020（5G）推進(jìn)組是在2013年2月由工業(yè)和信息化部、發(fā)展和改革委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部共同支持下，集合國(guó)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研界多方技術(shù)力量，共同成立的5G移動(dòng)通信技術(shù)研究組織。IMT-2020需求組于2014年5月發(fā)布了《5G愿景與需求》的白皮書(shū)，明確了5G網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)可分為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，并描述了不同業(yè)務(wù)在不同場(chǎng)景下的需求特征，由此啟動(dòng)了國(guó)內(nèi)關(guān)于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的研究[6]。2015年5月，IMT-2020網(wǎng)絡(luò)組發(fā)布了《5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)》的白皮書(shū)，提出5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，包括控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、控制功能重構(gòu)、簡(jiǎn)化核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)、靈活高效的控制轉(zhuǎn)發(fā)、支持高智能運(yùn)營(yíng)和開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)能力；確定SDN和NFV技術(shù)為實(shí)施5G新型設(shè)施平臺(tái)的基礎(chǔ)；給出了由接入平面、控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面共同組成的5G網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu)，圖1為參考文獻(xiàn)[1]中給出的架構(gòu)。

根據(jù)IMT-2020網(wǎng)絡(luò)組對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，接入平面包含各種無(wú)線接入設(shè)備，并能夠?qū)o(wú)線接入進(jìn)行協(xié)同控制，提高無(wú)線資源的利用率；控制平面通過(guò)網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制的集中化，從而對(duì)接入資源或轉(zhuǎn)發(fā)資源進(jìn)行全局調(diào)度。通過(guò)對(duì)控制平面功能的按需編排，可以實(shí)現(xiàn)面向用戶/業(yè)務(wù)需求的定制化服務(wù)。另外，基于控制平面之上的網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放層可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能的高效抽象，從而屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)能力向第三方應(yīng)用友好開(kāi)放；轉(zhuǎn)發(fā)平面包括網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)功能、用戶面下沉的分布式網(wǎng)關(guān)、邊緣內(nèi)容緩存等，轉(zhuǎn)發(fā)平面接受集中的控制平面的統(tǒng)一控制，能夠有效提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率和靈活性。

圖1 IMT-2020定義的5G網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu)

4 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化研究

4.1 ITU

國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）從2012年開(kāi)始了5G愿景、技術(shù)趨勢(shì)等前期研究，以凝聚全球?qū)?G的共識(shí)。隨著前期研究工作逐步進(jìn)入尾聲，ITU-R近期對(duì)外發(fā)布了IMT-2020工作計(jì)劃[7]，計(jì)劃于2016年初啟動(dòng)5G技術(shù)性能需求和評(píng)估方法的研究，2017年底啟動(dòng)5G候選提案征集，2020年底完成標(biāo)準(zhǔn)制定。在5G時(shí)代，ITU除了關(guān)注無(wú)線空口技術(shù)和無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展之外，還對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)給予了更多的關(guān)注，為此，ITU-T在SG13工作組下面新成立了一個(gè)焦點(diǎn)小組，專門研究IMT-2020網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所面臨的問(wèn)題、場(chǎng)景和需求，從而確定2020年及之后的國(guó)際移動(dòng)通信5G部署的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化要求。

由于SDN對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重大影響，5G網(wǎng)絡(luò)中難以避免SDN技術(shù)的融合，因此ITU-T在2012年年中也開(kāi)始了SDN與電信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)研究，下一代網(wǎng)絡(luò)（next generation network，NGN）研究組SG13首先啟動(dòng)了電信網(wǎng)絡(luò)SDN的需求和架構(gòu)的項(xiàng)目，初步提出了在電信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。與此同時(shí)，SG11研究組與SG13研究組共同開(kāi)展NGN相關(guān)信令和協(xié)議的研究。在SG13研究組的研究基礎(chǔ)上，SG11研究組主要進(jìn)行SDN信令需求和框架的研究工作，并與SG13協(xié)商明確SG11側(cè)重對(duì)SDN信令需求、信令參考架構(gòu)、信令的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和協(xié)議、協(xié)議兼容性測(cè)試等標(biāo)準(zhǔn)的制定。SG11組研究的電信網(wǎng)絡(luò)SDN架構(gòu)中的信令將與ONF制定的OpenFlow和OF-Config協(xié)議兼容，并將在其基礎(chǔ)上根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的需求進(jìn)行協(xié)議擴(kuò)展，或者定義不同層面的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 3GPP

2014年11 月，沃達(dá)豐在3GPP SA1工作組會(huì)議上提交了一份潛在5G研究項(xiàng)目的報(bào)告[8]，指出了5G的4個(gè)方面的驅(qū)動(dòng)力：用戶可感知的性能提升，在數(shù)據(jù)傳輸速率和時(shí)延上提供連續(xù)一致的用戶體驗(yàn)；作為新業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)支撐平臺(tái)，提供更有價(jià)值的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，例如保證通信的低時(shí)延、高可靠性等；降低運(yùn)營(yíng)成本，提高能效；提供按需服務(wù)的能力，向用戶提供差異化、定制化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。由于國(guó)內(nèi)外很多研究組織都已經(jīng)啟動(dòng)了5G相關(guān)的研究，因此這份報(bào)告得到了絕大多數(shù)公司的支持，2015年2月，沃達(dá)豐在3GPP SA1工作組第69次會(huì)議上提出在R14階段進(jìn)行SMARTER（new services and markets technology enablers）的立項(xiàng)。世界各研究組織在3GPP組織進(jìn)行5G需求的輸入，包括4G America、NGMN、國(guó)內(nèi)IMT-2020等，標(biāo)志著3GPP開(kāi)始了對(duì)5G系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化研究。截至目前，SMARTER項(xiàng)目共搜集了20種典型用例，這些用例按照不同的需求場(chǎng)景大致可以分為以下幾類[9]。

·網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與組網(wǎng)：主要指針對(duì)不同的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行按需組網(wǎng)，通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的切片，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)上劃分出多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)切片，分別服務(wù)于不同的業(yè)務(wù)需求。

·低時(shí)延高可靠通信：主要為了滿足對(duì)時(shí)延極其敏感、對(duì)通信可靠性要求極高的新型移動(dòng)業(yè)務(wù)，例如自動(dòng)駕駛、工業(yè)控制、飛行控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療等。

·低時(shí)延高速率通信：虛擬現(xiàn)實(shí)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)類業(yè)務(wù)要求低傳輸時(shí)延和高數(shù)據(jù)傳輸速度，以保證用戶的體驗(yàn)。

·熱點(diǎn)區(qū)域移動(dòng)寬帶通信：典型的熱點(diǎn)高容量區(qū)域的通信場(chǎng)景，例如商場(chǎng)、寫(xiě)字樓、辦公區(qū)等，需要滿足人們通過(guò)Gbit/s速率的移動(dòng)寬帶接入進(jìn)行娛樂(lè)或辦公的需求。

·廣域覆蓋下的移動(dòng)寬帶接入：傳統(tǒng)的室外覆蓋場(chǎng)景下的移動(dòng)寬帶接入，在這種場(chǎng)景下仍然要提供百兆帶寬的移動(dòng)接入，并且保證在用戶高速移動(dòng)（例如高速鐵路）時(shí)的一致性體驗(yàn)。

4.3 CCSA

CCSA的TC1在2012年底成立了以軟件定義為核心特征的未來(lái)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（future data network，F(xiàn)DN）特別工作組，開(kāi)始研究FDN的應(yīng)用場(chǎng)景、需求、體系架構(gòu)和通信協(xié)議等方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

CCSA TC3 WG1工作組也成立了軟件化智能型通信網(wǎng)絡(luò)S-NICE子工作組，開(kāi)始研究基于SDN的智能型通信網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化和未來(lái)網(wǎng)絡(luò)3個(gè)方面的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。

CCSA TC5 WG5工作開(kāi)始針對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)研究移動(dòng)軟網(wǎng)絡(luò)方向的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

5 未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)分析目前廣泛研究的5G網(wǎng)絡(luò)中的通信場(chǎng)景和LTE網(wǎng)絡(luò)的不足可以發(fā)現(xiàn)，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)中存在的多種不同的通信場(chǎng)景分別具有不同的性能要求，而LTE網(wǎng)絡(luò)因?yàn)槠渥陨淼墓ぷ髟恚⒉荒苓m用于這些新的通信場(chǎng)景，也無(wú)法滿足通信的性能要求。因此未來(lái)需要重新定義5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和支撐5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。

5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力源于5G網(wǎng)絡(luò)中的需求，根據(jù)現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)的研究，例如3GPP SMARTER項(xiàng)目的需求劃分，5G的需求可分為業(yè)務(wù)自身的需求和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的需求兩個(gè)方面，因此，5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)需圍繞這兩個(gè)方面的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于5G網(wǎng)絡(luò)中需支持多種不同類型的業(yè)務(wù)，存在多種不同的通信場(chǎng)景，因此5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不應(yīng)該是靜態(tài)統(tǒng)一的，而應(yīng)該能夠根據(jù)業(yè)務(wù)和通信場(chǎng)景的特點(diǎn)呈現(xiàn)不同的形態(tài)，實(shí)現(xiàn)以用戶為中心的目的，提高用戶體驗(yàn)，例如針對(duì)移動(dòng)云計(jì)算業(yè)務(wù)，采用分層架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算，從而降低信令開(kāi)銷和減少業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延；而對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，采用更加簡(jiǎn)化的架構(gòu)以降低網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜度，從而降低網(wǎng)絡(luò)成本，進(jìn)而節(jié)省物聯(lián)網(wǎng)用戶的成本。此外，從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的需求考慮，為了實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)中用戶需求和網(wǎng)絡(luò)資源的匹配，保證用戶體驗(yàn)并降低運(yùn)營(yíng)成本，提升業(yè)務(wù)感知能力和加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放，也是5G網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展趨勢(shì)。綜合分析未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)。

（1）SDN和NFV成為平臺(tái)支撐技術(shù)

SDN對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)產(chǎn)生了變革性的影響。傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面沒(méi)有完全分離，網(wǎng)絡(luò)的控制平面無(wú)法集中化，這使得網(wǎng)絡(luò)無(wú)法通過(guò)集中的平臺(tái)來(lái)統(tǒng)一控制和調(diào)度網(wǎng)絡(luò)硬件資源，因此網(wǎng)絡(luò)難以做到網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)整，無(wú)法實(shí)現(xiàn)根據(jù)用戶需求進(jìn)行可編程操作的目的，也無(wú)法基于網(wǎng)絡(luò)的特性進(jìn)行開(kāi)放創(chuàng)新，從而難以做到網(wǎng)絡(luò)資源的按需分配，并且造成網(wǎng)絡(luò)中的新業(yè)務(wù)部署的周期很漫長(zhǎng)。而SDN恰好具有控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、控制邏輯集中和網(wǎng)絡(luò)可編程三大特征[10]，因此成為新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的支撐技術(shù)之一。

在傳統(tǒng)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的邏輯和硬件緊耦合造成網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性差、擴(kuò)容縮容困難、新業(yè)務(wù)的部署成本很高的問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，電信產(chǎn)業(yè)界開(kāi)始借鑒SDN的技術(shù)思想。2012年11月，AT&T、德國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)等13個(gè)主流運(yùn)營(yíng)商牽頭在ETSI成立了NFV行業(yè)規(guī)范組（Industry Specification Group，ISG），研究利用IT虛擬化技術(shù)改造運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，使得網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)的功能可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)功能的重構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的智能編排；使得網(wǎng)絡(luò)的硬件基礎(chǔ)設(shè)施可以采用符合業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的高容量服務(wù)器、交換機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備，降低了設(shè)備的成本[11]。這樣的改造改變了運(yùn)營(yíng)商組建網(wǎng)絡(luò)的方式，提高了網(wǎng)絡(luò)的智能化運(yùn)營(yíng)水平，有利于網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新。因此NFV技術(shù)也是未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)支撐技術(shù)之一。

（2）網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)切片

多種類型的業(yè)務(wù)和多樣化的通信場(chǎng)景對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)提出了多樣化的性能需求，而這些多樣化的性能需求顯然無(wú)法通過(guò)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)保證，因此5G網(wǎng)絡(luò)需具備虛擬化切片的能力，使得每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片能夠適配不同的業(yè)務(wù)和通信場(chǎng)景，以提供合理的網(wǎng)絡(luò)控制和高效的資源利用。

網(wǎng)絡(luò)切片是指將物理網(wǎng)絡(luò)通過(guò)虛擬化技術(shù)分割為多個(gè)相互獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)被稱為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片中的網(wǎng)絡(luò)功能可以在定制化的裁剪后，通過(guò)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)功能編排形成一個(gè)完整的實(shí)例化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過(guò)為不同的業(yè)務(wù)和通信場(chǎng)景創(chuàng)建不同的網(wǎng)絡(luò)切片，使得網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)特征采用不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和管理機(jī)制，包括合理的資源分配方式、控制管理機(jī)制和運(yùn)營(yíng)商策略，從而保證通信場(chǎng)景中的性能需求，提高用戶體驗(yàn)以及網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用，例如在超密集場(chǎng)景下引入本地化的控制管理機(jī)制和數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，降低網(wǎng)絡(luò)中的信令開(kāi)銷和傳輸路徑的跳數(shù)。

（3）網(wǎng)絡(luò)能力深度開(kāi)放

目前提出的5G網(wǎng)絡(luò)的需求都著重強(qiáng)調(diào)了用戶體驗(yàn)，體現(xiàn)了以用戶為中心的理念。而用戶體驗(yàn)的提高依賴于用戶需求與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的高度匹配，因此要求5G是一個(gè)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)信息與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)信息的有效交互，促進(jìn)用戶、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和業(yè)務(wù)應(yīng)用之間的信息共享，提升網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)水平和用戶的體驗(yàn)。

目前3GPP在R13完成的AESE/MONTE項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分網(wǎng)絡(luò)能力的開(kāi)放，比如將終端位置信息、終端狀態(tài)信息、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載信息等上報(bào)給第三方應(yīng)用以及接收第三方應(yīng)用提供的終端通信模型來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。這種能力開(kāi)放還比較初級(jí)，網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用之間的信息交互程度有限，例如網(wǎng)絡(luò)還不能對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，業(yè)務(wù)應(yīng)用也無(wú)法獲取網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)全面的資源信息。未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)將更大程度地實(shí)現(xiàn)能力開(kāi)放，使得網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)更緊密的互動(dòng)、更深度的信息共享，使得應(yīng)用可以基于網(wǎng)絡(luò)的資源狀況（基礎(chǔ)設(shè)施、管道能力、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)）提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)也可以基于應(yīng)用層的用戶信息（業(yè)務(wù)特征、用戶狀態(tài)）進(jìn)行資源的定制和優(yōu)化調(diào)度，從而共同提高用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)用戶、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的三方共贏。

6 結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展推動(dòng)了移動(dòng)通信技術(shù)的更新，當(dāng)LTE系統(tǒng)不能完全滿足新型移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的需求時(shí)，第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)啟動(dòng)。從需求層面上講，5G網(wǎng)絡(luò)的需求指標(biāo)突出了用戶體驗(yàn)；從架構(gòu)層面上講，受到IT產(chǎn)業(yè)的沖擊，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)烙上明顯的IT印記，SDN和NFV的技術(shù)思想影響了5G系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，例如控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等。

未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)將以用戶為中心，注重用戶體驗(yàn)，因此5G網(wǎng)絡(luò)將更加開(kāi)放、智能、靈活。通過(guò)采用SDN和NFV作為平臺(tái)支撐技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)更加開(kāi)放的API，完成對(duì)用戶需求和業(yè)務(wù)特征的感知以及接受應(yīng)用層的編程管理；基于對(duì)需求和通信場(chǎng)景的深度感知，5G網(wǎng)絡(luò)能夠完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能的智能編排，靈活地完成網(wǎng)絡(luò)資源的高效調(diào)度，保證用戶體驗(yàn)。

1 IMT-2020.5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu).2015 IMT-2020.5G Network Technology Architecture,2015

2 3GPP TS 23.401.General Packet Radio Service(GPRS)Enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN)Access,2014

3 NGMN Alliance.NGMN 5G White Paper,2015

4 5GPPP.The 5G Infrastructure Public Private Partnership:the Next Generation of Communication Networks and Services,2015

5 4G Americas.4G Americas’Recommendations on 5G Requirements and Solutions,2014

6 IMT-2020.5G愿景與需求白皮書(shū),2014 IMT-2020.5G Vision and Demand White Paper,2014

7 ITU-R.ITU Towards“IMT for 2020 and Beyond”,2015

8 Vodafone.S1-144361.Overview of Potential 5G Study Item,2014

9 3GPP TR 22.891.Feasibility Study on New Services and Markets Technology Enablers,2015

10 ONF White Paper.Software-Defined Networking.The New Norm for Networks,2012

11 ETSI GS NFV 002.Network Functions Virtualization(NFV),2013