楊峰義，張建敏，謝偉良，王 敏，王海寧

（中國(guó)電信股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新中心 北京100031）

1 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及各種新型業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，移動(dòng)通信在過(guò)去的10年間經(jīng)歷了爆炸式增長(zhǎng)。豐富多彩的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在給人們生活帶來(lái)便利、改變生活方式的同時(shí)，對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。為了更好地應(yīng)對(duì)未來(lái)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的高速增長(zhǎng)、海量的設(shè)備連接以及各種各樣差異化新型業(yè)務(wù)應(yīng)用的涌現(xiàn)，全球范圍內(nèi)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)展開(kāi)對(duì)5G移動(dòng)通信技術(shù)的深入研究。

歐盟最早于2012年9月在第七框架計(jì)劃（FP7）下啟動(dòng)了面向5G研究的5GNOW（5th Generation Non-Orthogonal Waveforms for Asynchronous Signalling）課題，主要面向5G物理層技術(shù)進(jìn)行研究[1]。緊接著，11月正式啟動(dòng)了名為METIS（Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-Twenty Information Society）的5G研究項(xiàng)目，針對(duì)如何滿足未來(lái)移動(dòng)通信需求進(jìn)行廣泛研究[2]。為了實(shí)現(xiàn)在2020年前開(kāi)發(fā)5G技術(shù)，到2022年正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)，歐盟于2014年1月正式推出了5G PPP（5G Public-Private Partnership）項(xiàng)目。中國(guó)于2013年2月組織成立了IMT-2020（5G）推進(jìn)組，旨在聚合中國(guó)產(chǎn)學(xué)研用力量來(lái)推動(dòng)中國(guó)5G技術(shù)研究和開(kāi)展國(guó)際交流與合作的主要平臺(tái)[3]。除此之外，韓國(guó)于2013年6月組織成立的5G技術(shù)論壇（5G Forum）、日本無(wú)線工業(yè)及商貿(mào)聯(lián)合會(huì)（Association of Radio Industries and Businesses，ARIB）正式成立的5G研究組“2020 and Beyond Ad Hoc”以及其他國(guó)內(nèi)外5G相關(guān)組織論壇都針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展愿景、應(yīng)用需求、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)以及使能技術(shù)等進(jìn)行了廣泛深刻的研究分析[3～5]。

截至目前，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的總體愿景以及性能要求已經(jīng)基本達(dá)成共識(shí)，主要包括更高的數(shù)據(jù)流量和用戶體驗(yàn)速率、海量終端連接以及更低時(shí)延等[3～9]。預(yù)計(jì)到2020年，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)各類新型業(yè)務(wù)和應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，將帶來(lái)1000倍的數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)以及超過(guò)500億量級(jí)的終端設(shè)備連接[6,7]。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)等業(yè)務(wù)應(yīng)用帶來(lái)了嚴(yán)格的端到端時(shí)延要求。例如，當(dāng)用操作桿在虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中移動(dòng)3D對(duì)象時(shí)，如果響應(yīng)時(shí)延超過(guò)1 ms，會(huì)導(dǎo)致用戶產(chǎn)生眩暈的感覺(jué)[8]。相比于傳統(tǒng)的無(wú)線系統(tǒng)端到端時(shí)延要求，5G網(wǎng)絡(luò)毫秒級(jí)的時(shí)延要求提高了近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，為了滿足上述移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)展需求，相比于現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)[5,9]：

·數(shù)據(jù)流量密度提升1000倍；

·設(shè)備連接數(shù)目增加10～100倍；

·用戶體驗(yàn)速率改善10～100倍；

·MTC終端待機(jī)時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)10倍；

·端到端時(shí)延縮短5倍。

除此之外，為了推動(dòng)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的持續(xù)發(fā)展，一方面需要降低運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)部署以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，主要包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、建設(shè)維護(hù)、新業(yè)務(wù)引入帶來(lái)的復(fù)雜度和成本增加以及網(wǎng)絡(luò)能耗增大導(dǎo)致的成本增加。因此，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)需要重點(diǎn)考慮低成本和高能效問(wèn)題。另一方面，運(yùn)營(yíng)商需更進(jìn)一步提升運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平和競(jìng)爭(zhēng)力，以適應(yīng)不同虛擬運(yùn)營(yíng)商/用戶/業(yè)務(wù)的差異化需求，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)用戶行為和業(yè)務(wù)內(nèi)容的智能感知和優(yōu)化，即運(yùn)營(yíng)商服務(wù)能力和競(jìng)爭(zhēng)力的提升對(duì)未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放性、可編程性、靈活性、可擴(kuò)展性以及智能化提出了更高要求。

為了應(yīng)對(duì)未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)展以及維護(hù)運(yùn)營(yíng)的需求，需要從無(wú)線頻譜、無(wú)線接入技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等多個(gè)層面綜合考慮。其中，高頻段甚至超高頻段的深度開(kāi)發(fā)利用、非授權(quán)頻段的使用、離散頻段的聚合以及低頻段的重耕等為滿足未來(lái)頻譜資源的需求提供了可能的解決方案；大規(guī)模天線技術(shù)、毫米波技術(shù)、全雙工技術(shù)、新型多址技術(shù)、終端直通（device-to-device，D2D）技術(shù)以及超密集組網(wǎng)（ultra dense network，UDN）技術(shù)等都對(duì)提升頻譜利用率、增強(qiáng)5G網(wǎng)絡(luò)性能帶來(lái)了一定的貢獻(xiàn)[10～16]。除此之外，不僅未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)需要具備的可編程性、靈活性以及可擴(kuò)展性對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出了新的挑戰(zhàn)，上述新型技術(shù)的引入同樣需要未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)做出相應(yīng)改善，從而最大程度地挖掘新技術(shù)的性能增益。因此，為了滿足未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需求，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)變得至關(guān)重要，也因此成為重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

2 5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)特征

（1）更高的數(shù)據(jù)流量和用戶體驗(yàn)速率

未來(lái)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量增大1000倍以及用戶體驗(yàn)速率提升10～100倍的需求，給5G網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。對(duì)于無(wú)線接入網(wǎng)，5G網(wǎng)絡(luò)則需要從如何利用先進(jìn)的無(wú)線傳輸技術(shù)、更多的無(wú)線頻譜以及更密集的小區(qū)部署等技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃[16,17]。

首先，5G網(wǎng)絡(luò)需要借助一系列先進(jìn)的無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)一步提高無(wú)線頻譜資源的利用率，主要包括大規(guī)模天線技術(shù)、高階編碼調(diào)制技術(shù)、新型多載波技術(shù)、新型多址接入技術(shù)、全雙工技術(shù)等，從而提升系統(tǒng)容量。其次，5G網(wǎng)絡(luò)需要通過(guò)高頻段甚至超高頻段（例如毫米波頻段）的深度開(kāi)發(fā)、非授權(quán)頻段的使用、離散頻段的聚合以及低頻段的重耕等方案，滿足未來(lái)網(wǎng)絡(luò)對(duì)頻譜資源的需求。

值得注意的是，除了增加頻譜帶寬和提高頻譜利用率外，提升無(wú)線系統(tǒng)容量最為有效的辦法依然是通過(guò)加密小區(qū)部署提升空間復(fù)用度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1957-2000年，通過(guò)采用更寬的無(wú)線頻譜資源使得無(wú)線系統(tǒng)容量提升了約25倍，而大帶寬無(wú)線頻譜細(xì)分成多載波同樣帶來(lái)了無(wú)線系統(tǒng)容量約5倍的性能增益，并且先進(jìn)的調(diào)制編碼技術(shù)也將無(wú)線系統(tǒng)性能提升了5倍。然而，通過(guò)減小小區(qū)半徑、增加頻譜資源空分復(fù)用的方式，則將系統(tǒng)容量提升了約1 600倍[18]。傳統(tǒng)的無(wú)線通信系統(tǒng)通常采用小區(qū)分裂的方式減小小區(qū)半徑，然而隨著小區(qū)覆蓋范圍的進(jìn)一步縮小，小區(qū)分裂將很難進(jìn)行，需要在室內(nèi)外熱點(diǎn)區(qū)域密集部署低功率小基站，形成UDN。在UDN的環(huán)境下，整個(gè)系統(tǒng)容量將隨著小區(qū)密度的增加近乎線性增長(zhǎng)[19]。

可以看出，超密集組網(wǎng)是解決未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量爆炸式增長(zhǎng)問(wèn)題的有效解決方案。據(jù)預(yù)測(cè)，在未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和宏基站覆蓋的區(qū)域中，各種無(wú)線接入技術(shù) （radio access technology，RAT）的小功率基站的部署密度將達(dá)到現(xiàn)有站點(diǎn)密度的10倍以上[16]，形成超密集的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

圖1 超密集異構(gòu)組網(wǎng)示意

然而，超密集組網(wǎng)通過(guò)降低基站與終端用戶間的路徑損耗提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量，在增大有效接收信號(hào)的同時(shí)也放大了干擾信號(hào)，即超密集組網(wǎng)降低了熱噪聲對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量的影響，使其成為一個(gè)干擾受限系統(tǒng)。如何有效進(jìn)行干擾消除、干擾協(xié)調(diào)成為超密集組網(wǎng)提升鏈路容量需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。更進(jìn)一步，小區(qū)密度的急劇增加也使得干擾變得異常復(fù)雜。此時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)除了需要在接收端采用更先進(jìn)的干擾消除技術(shù)外，還需要具備更加有效的小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)機(jī)制。考慮到現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)采用的分布式干擾協(xié)調(diào)（inter-cell interference coordination，ICIC）技術(shù)，其小區(qū)間交互控制信令負(fù)荷會(huì)隨著小區(qū)密度的增加以二次方趨勢(shì)增長(zhǎng)，極大地增加了網(wǎng)絡(luò)控制信令負(fù)荷。因此，在未來(lái)5G超密集網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下，通過(guò)局部區(qū)域內(nèi)的分簇化集中控制，解決小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)問(wèn)題，成為未來(lái)5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一個(gè)重要技術(shù)特征。

可以看出，基于分簇化的集中控制，不僅能夠解決未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)超密集部署的干擾問(wèn)題，而且能夠更加容易地實(shí)現(xiàn)相同RAT下不同小區(qū)間的資源聯(lián)合優(yōu)化配置、負(fù)載均衡等以及不同RAT系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)分流、負(fù)載均衡等，從而提升系統(tǒng)整體容量和資源整體利用率。

低功率基站較小的覆蓋范圍會(huì)導(dǎo)致具有較高移動(dòng)速度的終端用戶遭受頻繁切換，從而降低用戶體驗(yàn)速率。為了能夠同時(shí)考慮“覆蓋”和“容量”這兩個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，未來(lái)5G接入網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)控制面與數(shù)據(jù)面的分離，即分別采用不同的小區(qū)進(jìn)行控制面和數(shù)據(jù)面操作，從而實(shí)現(xiàn)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于覆蓋和容量的單獨(dú)優(yōu)化設(shè)計(jì)[20]。此時(shí)，未來(lái)5G接入網(wǎng)可以靈活地根據(jù)數(shù)據(jù)流量的需求在熱點(diǎn)區(qū)域擴(kuò)容數(shù)據(jù)面?zhèn)鬏斮Y源，例如小區(qū)加密、頻帶擴(kuò)容、增加不同RAT系統(tǒng)分流等，并不需要同時(shí)進(jìn)行控制面增強(qiáng)。因此，無(wú)線接入網(wǎng)控制面與數(shù)據(jù)面的分離將是未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)主要技術(shù)特征。以超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為例，通過(guò)控制面與數(shù)據(jù)面分離，宏基站主要負(fù)責(zé)提供覆蓋（控制面和數(shù)據(jù)面），小小區(qū)低功率基站則專門(mén)負(fù)責(zé)提升局部地區(qū)系統(tǒng)容量（數(shù)據(jù)面）。不難想象，通過(guò)控制面與數(shù)據(jù)面分離實(shí)現(xiàn)覆蓋和容量的單獨(dú)優(yōu)化設(shè)計(jì)，終端用戶需要具備雙連接甚至多連接的能力。

除此之外，D2D技術(shù)作為除小區(qū)密集部署之外另一種縮短發(fā)送端和接收端距離的有效方法，既實(shí)現(xiàn)了接入網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量分流，同時(shí)也可有效提升用戶體驗(yàn)速率和網(wǎng)絡(luò)整體的頻譜利用率。在D2D場(chǎng)景下，不同收發(fā)終端用戶對(duì)間以及不同收發(fā)用戶對(duì)與小區(qū)收發(fā)用戶間的干擾，同樣需要無(wú)線接入網(wǎng)具備局部范圍內(nèi)的分簇化集中控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)線資源的協(xié)調(diào)管理，從而降低相互間干擾，提升網(wǎng)絡(luò)整體性能。

未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量密度和用戶體驗(yàn)速率的急劇增長(zhǎng)，使得核心網(wǎng)同樣經(jīng)受著巨大的數(shù)據(jù)流量沖擊。因此未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)需要在無(wú)線接入網(wǎng)增強(qiáng)的基礎(chǔ)上，對(duì)核心網(wǎng)的架構(gòu)進(jìn)行重新思考。

圖2 傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2 給出了傳統(tǒng)的LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其中服務(wù)網(wǎng)關(guān)（SGW）和PDN網(wǎng)關(guān)（PGW）主要負(fù)責(zé)處理用戶面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)，PGW還負(fù)責(zé)內(nèi)容過(guò)濾、數(shù)據(jù)監(jiān)控與計(jì)費(fèi)、接入控制以及合法監(jiān)聽(tīng)等網(wǎng)絡(luò)功能。數(shù)據(jù)從終端用戶到達(dá)PGW并不是通過(guò)直接的三層路由方式，而是通過(guò)GTP（GPRS tunneling protocol，GPRS隧道協(xié)議）隧道的方式逐段從基站送到PGW。LTE網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理功能由網(wǎng)元MME負(fù)責(zé)，但是SGW和PGW依然保留了GTP隧道的建立、刪除、更新等控制功能。

可以看出，傳統(tǒng)LTE核心網(wǎng)控制面與數(shù)據(jù)面的分割不是很徹底，且數(shù)據(jù)面功能過(guò)于集中，存在如下局限性[21]。

·數(shù)據(jù)面功能過(guò)度集中在LTE網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)邊界的PGW上，要求所有數(shù)據(jù)流必須經(jīng)過(guò)PGW，即使是同一小區(qū)用戶間的數(shù)據(jù)流也必須經(jīng)過(guò)PGW，給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部新內(nèi)容應(yīng)用服務(wù)的部署帶來(lái)困難；同時(shí)也對(duì)PGW的性能提出了更高的要求，且易導(dǎo)致PGW成為網(wǎng)絡(luò)吞吐量的瓶頸。

·網(wǎng)關(guān)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面耦合度高，導(dǎo)致控制面與數(shù)據(jù)面需要同步擴(kuò)容，由于數(shù)據(jù)面的擴(kuò)容需求頻度通常高于控制面，二者同步擴(kuò)容在一定程度上縮短了設(shè)備的更新周期，同時(shí)帶來(lái)設(shè)備總體成本的增加。

·用戶數(shù)據(jù)從PGW到eNode B的傳輸僅能根據(jù)上層傳遞的QoS參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)，難以識(shí)別用戶的業(yè)務(wù)特征，導(dǎo)致很難對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行更加靈活精細(xì)的路由控制。

·控制面功能過(guò)度集中在SGW、PGW，尤其是PGW上，包括監(jiān)控、接入控制、QoS控制等，導(dǎo)致PGW設(shè)備變得異常復(fù)雜，可擴(kuò)展性差。

·網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基本是各設(shè)備商基于專用設(shè)備開(kāi)發(fā)定制而成的，運(yùn)營(yíng)商很難將由不同設(shè)備商定制的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行功能合并，導(dǎo)致靈活性變差。

因此，為了能夠更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的激增，未來(lái)5G核心網(wǎng)需要將數(shù)據(jù)面下沉，通過(guò)本地分流的方式有效避免數(shù)據(jù)傳輸瓶頸的出現(xiàn)，同時(shí)提升數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率。其次，通過(guò)核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)控制面與數(shù)據(jù)面的分離，使得網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需求實(shí)現(xiàn)控制面與數(shù)據(jù)面的單獨(dú)擴(kuò)容、升級(jí)優(yōu)化，從而加快網(wǎng)絡(luò)升級(jí)更新和新業(yè)務(wù)上線速度，可有效降低網(wǎng)絡(luò)升級(jí)和新業(yè)務(wù)部署成本。除此之外，通過(guò)控制面集中化使得5G網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和業(yè)務(wù)特征等信息，實(shí)現(xiàn)靈活細(xì)致的數(shù)據(jù)流路由控制。更進(jìn)一步，基于通用硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)軟件與硬件解耦，可有效提升5G核心網(wǎng)的靈活性和可擴(kuò)展性，從而避免基于專用設(shè)備帶來(lái)的問(wèn)題，且更易于實(shí)現(xiàn)控制面與數(shù)據(jù)面分離以及控制面集中化。

不同于上述通過(guò)提升5G核心網(wǎng)數(shù)據(jù)處理能力應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)流量激增的方法，緩存技術(shù)可以根據(jù)用戶需求和業(yè)務(wù)特征等信息，有效降低網(wǎng)絡(luò)傳輸所需數(shù)據(jù)流量[22]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，緩存技術(shù)在3G網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可以降低1/3～2/3的移動(dòng)數(shù)據(jù)量[23,24]。為了更好地發(fā)揮緩存技術(shù)可能帶來(lái)的性能提升，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)需要基于網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能化的分析處理。

（2）更低時(shí)延

為了應(yīng)對(duì)未來(lái)基于機(jī)器到機(jī)器（M2M）的物聯(lián)網(wǎng)新型業(yè)務(wù)在工業(yè)控制、智能交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用帶來(lái)的毫秒級(jí)時(shí)延要求，5G網(wǎng)絡(luò)需要從空口、硬件、協(xié)議棧、骨干傳輸、回傳鏈路以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等多個(gè)角度聯(lián)合考慮。據(jù)估算，以未來(lái)5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)滿足1 ms的時(shí)延要求為目標(biāo)，物理層的時(shí)間最多只有100μs[8]，此時(shí)LTE網(wǎng)絡(luò)1 ms的傳輸時(shí)間間隔以及67μs的OFDM符號(hào)長(zhǎng)度已經(jīng)無(wú)法滿足要求。廣義頻分復(fù)用 （generalized frequency division multiplexing，GFDM）技術(shù)作為一種潛在的物理層技術(shù)，成為有效解決5G網(wǎng)絡(luò)毫秒級(jí)時(shí)延要求的技術(shù)。

通過(guò)內(nèi)容緩存以及D2D技術(shù)，同樣可以有效降低數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)端到端時(shí)延。以內(nèi)容緩存為例，通過(guò)將受歡迎的內(nèi)容（熱門(mén)視頻等）緩存在核心網(wǎng)，可以有效避免重復(fù)內(nèi)容的傳輸，更重要的是降低了用戶訪問(wèn)內(nèi)容的時(shí)延，很大程度地提升了用戶體驗(yàn)。除此之外，通過(guò)合理有效的受歡迎內(nèi)容排序算法和緩存機(jī)制，將相關(guān)內(nèi)容緩存在基站或者通過(guò)D2D方式直接獲取所需內(nèi)容，可以更進(jìn)一步地提高緩存命中率、提升緩存性能。

基站的存儲(chǔ)空間限制以及在UDN場(chǎng)景下每個(gè)小區(qū)服務(wù)用戶數(shù)目較少，使得緩存命中率降低，從而無(wú)法降低傳輸時(shí)延。因此，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)除了要支持核心網(wǎng)緩存外，還需要支持基站間合作緩存機(jī)制，并通過(guò)分簇化集中控制的方式判斷內(nèi)容的受歡迎度以及內(nèi)容存儲(chǔ)策略。類似地，不同RAT系統(tǒng)間的內(nèi)容緩存策略，同樣需要5G網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行統(tǒng)一的資源協(xié)調(diào)管理。

另外，更高的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、本地分流、路由選擇優(yōu)化以及協(xié)議棧優(yōu)化等都對(duì)降低網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延有一定程度的幫助。

（3）海量終端連接

為了應(yīng)對(duì)到2020年終端連接數(shù)目10～100倍迅猛增長(zhǎng)的需求，一方面可以通過(guò)無(wú)線接入技術(shù)、頻譜、小區(qū)加密等方式提升5G網(wǎng)絡(luò)容量，滿足海量終端連接需求，其中超密集組網(wǎng)使得每個(gè)小區(qū)的服務(wù)終端數(shù)目降低，緩解了基站負(fù)荷；另一方面，用戶分簇化管理以及中繼等技術(shù)可以將多個(gè)終端設(shè)備的控制信令以及數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚傳輸，降低網(wǎng)絡(luò)的信令和流量負(fù)荷。同時(shí)，對(duì)于具有小數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸?shù)腗TC終端，可以通過(guò)接入層和非接入層協(xié)議的優(yōu)化合并以及基于競(jìng)爭(zhēng)的非連接接入方式等，降低網(wǎng)絡(luò)的信令負(fù)荷。

值得注意的是，海量終端連接除了帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)信令和數(shù)據(jù)量的負(fù)荷外，最棘手的是其意味著網(wǎng)絡(luò)中將同時(shí)存在各種各樣需求迥異、業(yè)務(wù)特征差異巨大的業(yè)務(wù)應(yīng)用，即未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)需要能夠同時(shí)支持各種各樣的差異化業(yè)務(wù)。以滿足某類具有低時(shí)延、低功耗的MTC終端需求為例，協(xié)議棧簡(jiǎn)化處理是一種潛在的技術(shù)方案。然而，同一小區(qū)內(nèi)如何同時(shí)支持簡(jiǎn)化版本與非簡(jiǎn)化版本的協(xié)議棧則成為5G網(wǎng)絡(luò)需要面臨的棘手問(wèn)題。因此，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)首先需要具備網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放性、可編程性，即可以根據(jù)業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)等要求實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧的差異化定制；其次，5G網(wǎng)絡(luò)需要能夠支持網(wǎng)絡(luò)虛擬化，使得網(wǎng)絡(luò)在提供差異化服務(wù)的同時(shí)保證不同業(yè)務(wù)相互間的隔離度要求。

（4）更低成本

未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)超密集的小區(qū)部署以及種類繁多的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的推廣運(yùn)營(yíng)，將極大程度地增加運(yùn)營(yíng)商建設(shè)部署、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。根據(jù)Yankee Group統(tǒng)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)成本占據(jù)整個(gè)運(yùn)營(yíng)商成本的30%[25]。

首先，為了降低超密集組網(wǎng)帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)復(fù)雜度以及成本的增加，一種可能的辦法是通過(guò)減少基站的功能來(lái)降低基站設(shè)備的成本。例如，基站可以僅完成層一和層二的處理功能，其余高層功能則利用云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)小區(qū)的集中處理[25]。對(duì)于這類輕量級(jí)基站，除了功能減少帶來(lái)的成本降低外，第三方或個(gè)人用戶部署的方式也會(huì)更進(jìn)一步降低運(yùn)營(yíng)商的部署成本。同時(shí)輕量化基站的遠(yuǎn)程控制、自優(yōu)化管理等同樣可以降低網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

其次，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由各設(shè)備商基于專用設(shè)備開(kāi)發(fā)定制而成，新的網(wǎng)絡(luò)功能以及業(yè)務(wù)引入通常意味著新的專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的研發(fā)部署。新的專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將帶來(lái)更多的能耗、設(shè)備投資以及針對(duì)新的設(shè)備而需要的技術(shù)儲(chǔ)備、設(shè)備整合以及運(yùn)營(yíng)管理成本的增加。更進(jìn)一步，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及業(yè)務(wù)的持續(xù)創(chuàng)新使得基于專用硬件的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生命周期急劇縮短，降低了新業(yè)務(wù)推廣可能帶來(lái)的利潤(rùn)增長(zhǎng)。因此，對(duì)于運(yùn)營(yíng)商，為了能夠降低網(wǎng)絡(luò)部署和業(yè)務(wù)推廣運(yùn)營(yíng)成本，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)有必要基于通用硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)軟件與硬件解耦，從而通過(guò)軟件更新升級(jí)方式延長(zhǎng)設(shè)備的生命周期，降低設(shè)備總體成本。另外，通過(guò)軟硬件解耦加速了新業(yè)務(wù)部署，為新業(yè)務(wù)快速推廣贏得市場(chǎng)提供有力保證，從而帶來(lái)運(yùn)營(yíng)商利潤(rùn)的增加。

考慮到傳統(tǒng)的電信運(yùn)營(yíng)商為保持核心的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、低成本以及高效率的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，未來(lái)可能將重點(diǎn)集中于其最為擅長(zhǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與維護(hù)，大量的增值業(yè)務(wù)和功能化業(yè)務(wù)則將轉(zhuǎn)售給更加專業(yè)的企業(yè)，合作開(kāi)展業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)。同時(shí)由于用戶對(duì)于業(yè)務(wù)的質(zhì)量和服務(wù)的要求也越來(lái)越高，從而促使了國(guó)家移動(dòng)通信轉(zhuǎn)售業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)試點(diǎn)資格（虛擬運(yùn)營(yíng)商牌照）的頒發(fā)。從商業(yè)的運(yùn)作上看，虛擬運(yùn)營(yíng)商并不具有網(wǎng)絡(luò)，而是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的租賃使用為用戶提供服務(wù)，將更多的精力投入新業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)、運(yùn)營(yíng)、推廣、銷售等領(lǐng)域，從而為用戶提供更為專業(yè)的服務(wù)。為了能夠降低虛擬運(yùn)營(yíng)商的投資成本，適應(yīng)虛擬運(yùn)營(yíng)商的差異化要求，傳統(tǒng)的電信運(yùn)營(yíng)商需要在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上為多個(gè)虛擬運(yùn)營(yíng)商提供差異化服務(wù)，同時(shí)保證各虛擬運(yùn)營(yíng)商間相互隔離、互不影響。

因此，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)首先需要具備網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放性、可編程性，即可以根據(jù)虛擬運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)要求實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的差異化定制；其次，5G網(wǎng)絡(luò)需要支持網(wǎng)絡(luò)虛擬化，使得網(wǎng)絡(luò)在提供差異化服務(wù)的同時(shí)保證不同業(yè)務(wù)間的隔離度要求。

（5）更高能效

不同于傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)僅僅以系統(tǒng)覆蓋和容量為主要目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)除滿足覆蓋和容量這兩個(gè)基本需求外，還要進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)能效。5G網(wǎng)絡(luò)能效的提升一方面意味著網(wǎng)絡(luò)能耗的降低，縮減了運(yùn)營(yíng)商的能耗成本，另一方面意味著延長(zhǎng)終端的待電時(shí)長(zhǎng)，尤其是MTC類終端的待電時(shí)長(zhǎng)。

首先，無(wú)線鏈路能效的提升可以有效降低網(wǎng)絡(luò)和終端的能耗。例如，超密集組網(wǎng)通過(guò)縮短基站與終端用戶距離，極大程度地提升無(wú)線鏈路質(zhì)量，可有效提升鏈路的能效。大規(guī)模天線通過(guò)無(wú)線信號(hào)處理的方法可以針對(duì)不同用戶實(shí)現(xiàn)窄波束輻射，在增強(qiáng)無(wú)線鏈路質(zhì)量的同時(shí)減少了能耗以及對(duì)應(yīng)的干擾，從而有效提升了無(wú)線鏈路能效。

其次，在通過(guò)控制面與數(shù)據(jù)面分離實(shí)現(xiàn)覆蓋與容量分離的場(chǎng)景下，由于低功率基站較小的覆蓋范圍以及終端的快速移動(dòng)，使得小小區(qū)負(fù)載以及無(wú)線資源使用情況驟變。此時(shí)，低功率基站可在統(tǒng)一協(xié)調(diào)的機(jī)制下根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷情況離或者部分控制功能的抽取，通過(guò)分簇化集中控制實(shí)現(xiàn)無(wú)線資源的集中式協(xié)調(diào)管理；核心網(wǎng)則主要通過(guò)控制面與數(shù)據(jù)面分離以及控制面集中化的方式實(shí)現(xiàn)本地分流、靈活路由等功能。除此之外，通過(guò)軟件與硬件解耦和上述四大技術(shù)特征的有機(jī)結(jié)合，使得未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)具備網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放性、可編程性、靈活性和可擴(kuò)展性。動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)打開(kāi)或者關(guān)閉，在不影響用戶體驗(yàn)的情況下降低了網(wǎng)絡(luò)能耗。因此，未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)需要通過(guò)分簇化集中控制的方式并基于網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)的智能化進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)小區(qū)動(dòng)態(tài)關(guān)閉/打開(kāi)以及終端合理的小區(qū)選擇，提升網(wǎng)絡(luò)能效。

對(duì)于無(wú)線終端，除通過(guò)上述辦法提升能效、延長(zhǎng)電池使用壽命外，采用低功耗高能效配件（如處理器、屏幕、音視頻設(shè)備等）也可以有效延長(zhǎng)終端電池壽命。更進(jìn)一步，通過(guò)將高能耗應(yīng)用程序或其他處理任務(wù)從終端遷移至基站或者數(shù)據(jù)處理中心等，利用基站或數(shù)據(jù)處理中心強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力以及高速的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)終端應(yīng)用程序的處理以及反饋，縮減終端的處理任務(wù)，延長(zhǎng)終端電池壽命。

綜上所述，為了滿足未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)性能要求，即數(shù)據(jù)流量密度提升1000倍、設(shè)備連接數(shù)目提升10～100倍、用戶體驗(yàn)速率提升10～100倍、MTC終端待機(jī)時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)10倍、時(shí)延降低5倍的業(yè)務(wù)需求以及未來(lái)網(wǎng)絡(luò)更低成本、更高能效等持續(xù)發(fā)展的要求，需要從無(wú)線頻譜、接入技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等多個(gè)角度綜合考慮。圖3給出了5G網(wǎng)絡(luò)需求、關(guān)鍵技術(shù)以及5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要特征。

可以看出，未來(lái)5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要技術(shù)特征包括：接入網(wǎng)通過(guò)控制面與數(shù)據(jù)面分離實(shí)現(xiàn)覆蓋與容量的分

3 基于SDN和NFV的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

IT新技術(shù)的發(fā)展給滿足未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)特征帶來(lái)了希望。其中以控制面與數(shù)據(jù)面分離和控制面集中化為主要特征的SDN技術(shù)[26]以及以軟件與硬件解耦為特點(diǎn)的NFV技術(shù)的結(jié)合[27]，有效地滿足未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要技術(shù)特征，使5G網(wǎng)絡(luò)具備網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放性、可編程性、靈活性和可擴(kuò)展性。更進(jìn)一步，基于云計(jì)算技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)與用戶感知體驗(yàn)的大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的深度融合，使5G網(wǎng)絡(luò)具備用戶行為和業(yè)務(wù)感知能力，更加智能化[28]。因此，本文提出了一種基于SDN和NFV技術(shù)的新型5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖4所示。

圖3 5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)與架構(gòu)特征

可以看出，5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)是集多種接入技術(shù)（3G/4G/5G、Wi-Fi等）、多種部署場(chǎng)景（宏基站覆蓋、微基站超密集組網(wǎng)、宏微聯(lián)合覆蓋）以及多種連接方式（D2D、多跳連接、mesh連接等），并根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用（車聯(lián)網(wǎng)、M2M等）靈活部署的融合網(wǎng)絡(luò)。

接入方面借鑒控制面與數(shù)據(jù)面分離的思想，一方面通過(guò)覆蓋與容量的分離，實(shí)現(xiàn)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于覆蓋和容量的單獨(dú)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)根據(jù)業(yè)務(wù)需求靈活擴(kuò)展控制面和數(shù)據(jù)面資源；另一方面通過(guò)將基站部分無(wú)線控制功能進(jìn)行抽離和分簇化集中式控制，實(shí)現(xiàn)簇內(nèi)小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)、無(wú)線資源協(xié)同、跨制式網(wǎng)絡(luò)協(xié)同等智能化管理，構(gòu)建以用戶為中心的虛擬小區(qū)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)簇內(nèi)集中控制、簇間分布式協(xié)同等機(jī)制，實(shí)現(xiàn)終端用戶靈活接入，提供極致的用戶體驗(yàn)。

核心網(wǎng)控制面與數(shù)據(jù)面的進(jìn)一步分離和獨(dú)立部署，使得網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需求實(shí)現(xiàn)控制面與數(shù)據(jù)面的單獨(dú)擴(kuò)容、升級(jí)優(yōu)化以及按需部署，從而加快網(wǎng)絡(luò)升級(jí)更新速度、新業(yè)務(wù)上線速度以及數(shù)據(jù)面下沉本地分流，保證了未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性?？刂泼婕谢沟镁W(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和業(yè)務(wù)特征等信息，實(shí)現(xiàn)靈活細(xì)致的數(shù)據(jù)流路由控制。同時(shí)，基于以實(shí)現(xiàn)軟件與硬件解耦為特征的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了通用網(wǎng)絡(luò)物理資源的充分共享和按需編排資源，可進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的可編程性、靈活性和可擴(kuò)展性，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

除此之外，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持通過(guò)網(wǎng)絡(luò)虛擬化和能力開(kāi)放，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)虛擬運(yùn)營(yíng)商/用戶/業(yè)務(wù)等第三方的開(kāi)放和共享，并根據(jù)業(yè)務(wù)要求實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的差異化定制和不同業(yè)務(wù)相互間的隔離，提升整體運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平。

更進(jìn)一步，基于云計(jì)算的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可大幅度提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力、轉(zhuǎn)發(fā)能力以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。同時(shí)，基于云計(jì)算的大數(shù)據(jù)處理，通過(guò)用戶行為和業(yè)務(wù)特性的感知，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的深度融合，使5G網(wǎng)絡(luò)更加智能化。下面將介紹5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)控制云、接入云以及轉(zhuǎn)發(fā)云三大部分的主要功能。

3.1 控制云

控制云作為5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的控制核心，由多個(gè)運(yùn)行在云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)控制功能模塊組成，主要包括無(wú)線資源管理模塊、移動(dòng)性管理模塊、策略控制模塊、信息中心模塊、路徑管理模塊、網(wǎng)絡(luò)資源編排模塊、傳統(tǒng)網(wǎng)元適配模塊、能力開(kāi)放模塊等，具體介紹如下。

·無(wú)線資源管理模塊：系統(tǒng)內(nèi)無(wú)線資源集中管理、跨系統(tǒng)無(wú)線資源集中管理、虛擬化無(wú)線資源配置。

·移動(dòng)性管理模塊：跟蹤用戶位置、切換、尋呼等移動(dòng)相關(guān)功能。

·策略控制模塊：接入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)與選擇策略、QoS策略、計(jì)費(fèi)策略等。

·信息中心模塊：用戶簽約信息、會(huì)話信息、大數(shù)據(jù)分析信息等。

·路徑管理模塊：根據(jù)用戶信息、網(wǎng)絡(luò)信息、業(yè)務(wù)信息等制定業(yè)務(wù)流路徑選擇與定義。

·網(wǎng)絡(luò)資源編排：按需編排配置各種網(wǎng)絡(luò)資源。

·傳統(tǒng)網(wǎng)元適配：模擬傳統(tǒng)網(wǎng)元，支持對(duì)現(xiàn)網(wǎng)3G/4G網(wǎng)元的適配。

·能力開(kāi)放模塊：提供API對(duì)外開(kāi)放基礎(chǔ)資源、增值業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)信息、運(yùn)營(yíng)支撐四大類網(wǎng)絡(luò)能力。

可以看出，相比于傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)控制云將分散的網(wǎng)絡(luò)控制功能進(jìn)一步集中和重構(gòu)、功能模塊軟件化、網(wǎng)元虛擬化，并對(duì)外提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放接口。同時(shí)，控制云通過(guò)API接收來(lái)自接入云和轉(zhuǎn)發(fā)云上報(bào)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，完成接入云和轉(zhuǎn)發(fā)云的集中優(yōu)化控制。

3.2 接入云

5 G網(wǎng)絡(luò)接入云包含多種部署場(chǎng)景，主要包括宏基站覆蓋、微基站超密集覆蓋、宏微聯(lián)合覆蓋等，如圖5所示。

可以看出，在宏—微覆蓋場(chǎng)景下，通過(guò)覆蓋與容量的分離（微基站負(fù)責(zé)容量，宏基站負(fù)責(zé)覆蓋及微基站間資源協(xié)同管理），實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需求以及分布特性靈活部署微基站。同時(shí)，由宏基站充當(dāng)?shù)奈⒒鹃g的接入集中控制模塊，對(duì)微基站間干擾協(xié)調(diào)、資源協(xié)同管理起到了一定幫助。然而對(duì)于微基站超密集覆蓋的場(chǎng)景，微基站間的干擾協(xié)調(diào)、資源協(xié)同、緩存等需要進(jìn)行分簇化集中控制。此時(shí)，接入集中控制模塊可以由所分簇中某一微基站負(fù)責(zé)或者單獨(dú)部署在數(shù)據(jù)處理中心。類似地，對(duì)于傳統(tǒng)的宏覆蓋場(chǎng)景，宏基站間的集中控制模塊可以采用與微基站超密集覆蓋同樣的方式進(jìn)行部署。

未來(lái)5G接入網(wǎng)基于分簇化集中控制的主要功能主要體現(xiàn)在集中式的資源協(xié)同管理、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化以及以用戶為中心的虛擬小區(qū)3個(gè)方面，如圖6所示。

（1）資源協(xié)同管理

基于接入集中控制模塊，5G網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)建一種快速、靈活、高效的基站間協(xié)同機(jī)制，實(shí)現(xiàn)小區(qū)間資源調(diào)度與協(xié)同管理，提升移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資源利用率，進(jìn)而大大提升用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。總體來(lái)講，接入集中控制可以從如下幾個(gè)方面提升接入網(wǎng)性能。

圖5 無(wú)線接入網(wǎng)覆蓋場(chǎng)景

圖6 接入網(wǎng)分簇化集中控制的主要優(yōu)勢(shì)

·干擾管理：通過(guò)多個(gè)小區(qū)間的集中協(xié)調(diào)處理，可以實(shí)現(xiàn)小區(qū)間干擾的避免、消除甚至利用。例如，通過(guò)多點(diǎn)協(xié)同（coordinated multipoint，CoMP）技術(shù)可以使得超密集組網(wǎng)下的干擾受限系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為近似無(wú)干擾系統(tǒng)[15]。

·網(wǎng)絡(luò)能效：通過(guò)分簇化集中控制的方式，并基于網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)的智能化分析處理，實(shí)現(xiàn)小區(qū)動(dòng)態(tài)關(guān)閉/打開(kāi)以及終端合理的小區(qū)選擇，在不影響用戶體驗(yàn)的前提下，最大程度地提升網(wǎng)絡(luò)能效。

·多網(wǎng)協(xié)同：通過(guò)接入集中控制模塊易于實(shí)現(xiàn)對(duì)不同RAT系統(tǒng)的控制，提升用戶在跨系統(tǒng)切換時(shí)的體驗(yàn)，除此之外，基于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載以及用戶業(yè)務(wù)信息，接入集中控制模塊可以實(shí)現(xiàn)同系統(tǒng)間以及不同系統(tǒng)間的負(fù)載均衡，提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

·基站緩存：接入集中控制模塊可基于網(wǎng)絡(luò)信息以及用戶訪問(wèn)行為等信息，實(shí)現(xiàn)同一系統(tǒng)下基站間以及不同系統(tǒng)下基站間的合作緩存機(jī)制的指定，提升緩存命中率、降低用戶內(nèi)容訪問(wèn)時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量。

（2）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化

如前文所述，為了滿足不同虛擬運(yùn)營(yíng)商/業(yè)務(wù)/用戶的差異化需求，5G網(wǎng)絡(luò)需要采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化滿足不同虛擬運(yùn)營(yíng)商/業(yè)務(wù)/用戶的差異化定制。通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)底層時(shí)、頻、碼、空、功率等資源抽象成虛擬無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源，進(jìn)行虛擬無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源切片管理，依據(jù)虛擬運(yùn)營(yíng)/業(yè)務(wù)/用戶定制化需求，實(shí)現(xiàn)虛擬無(wú)線資源靈活分配與控制（隔離與共享），充分適應(yīng)和滿足未來(lái)移動(dòng)通信后向經(jīng)營(yíng)模式對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提出的網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放性、可編程性需求。

（3）以用戶為中心的虛擬小區(qū)

針對(duì)多制式、多頻段、多層次的密集移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，將無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)的控制信令傳輸與業(yè)務(wù)承載功能解耦，依照移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的整體覆蓋與傳輸要求，分別構(gòu)建虛擬無(wú)線控制信息傳輸服務(wù)和無(wú)線數(shù)據(jù)承載服務(wù)，進(jìn)而降低不必要的頻繁切換和信令開(kāi)銷，實(shí)現(xiàn)無(wú)線接入數(shù)據(jù)承載資源的匯聚整合。同時(shí)，依據(jù)業(yè)務(wù)、終端和用戶類別，靈活選擇接入節(jié)點(diǎn)和智能業(yè)務(wù)分流，構(gòu)建以用戶為中心的虛擬小區(qū)，提升用戶一致性業(yè)務(wù)體驗(yàn)與感受。

3.3 轉(zhuǎn)發(fā)云

5 G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)云實(shí)現(xiàn)了核心網(wǎng)控制面與數(shù)據(jù)面的徹底分離，更專注于聚焦數(shù)據(jù)流的高速轉(zhuǎn)發(fā)與處理。同時(shí)，運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)使能網(wǎng)元（防火墻、視頻轉(zhuǎn)碼器等）在轉(zhuǎn)發(fā)云中的部署，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的鏈狀部署改善為與轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元一同網(wǎng)狀部署。此時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)云根據(jù)控制云的集中控制，使5G網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求，軟件定義每個(gè)業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)路徑，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元與業(yè)務(wù)使能網(wǎng)元的靈活選擇。除此之外，轉(zhuǎn)發(fā)云可以根據(jù)控制云下發(fā)的緩存策略實(shí)現(xiàn)受歡迎內(nèi)容的緩存，降低核心網(wǎng)數(shù)據(jù)量。

為了提升轉(zhuǎn)發(fā)云的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)效率等，轉(zhuǎn)發(fā)云需要周期或非周期地將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息通過(guò)API上報(bào)給控制云進(jìn)行集中優(yōu)化控制?？紤]到控制云與轉(zhuǎn)發(fā)云之間的傳播時(shí)延，某些對(duì)時(shí)延要求特別嚴(yán)格的事件需要轉(zhuǎn)發(fā)云進(jìn)行本地處理。

4 挑戰(zhàn)

綜上所述，以控制面與數(shù)據(jù)面分離和控制面集中化為主要特征的SDN技術(shù)和以軟件與硬件解耦為特點(diǎn)的NFV技術(shù)的結(jié)合，有效地滿足了未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要技術(shù)特征需求，使5G網(wǎng)絡(luò)具備網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放性、可編程性、靈活性和可擴(kuò)展性。同時(shí)，基于云計(jì)算的大數(shù)據(jù)處理，通過(guò)用戶行為和業(yè)務(wù)特性的感知，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的深度融合，使5G網(wǎng)絡(luò)更加智能化。本文提出了一種基于SDN和NFV技術(shù)的新型5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠適應(yīng)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)展以及維護(hù)運(yùn)營(yíng)的需求。然而，上述蜂窩SDN架構(gòu)真正應(yīng)用到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中還存在很多問(wèn)題與挑戰(zhàn)，主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）無(wú)線接入集中控制模塊與基站間功能劃分

目前無(wú)線接入集中控制模塊與基站間功能的劃分成為影響系統(tǒng)性能以及可擴(kuò)展性的關(guān)鍵因素。如何針對(duì)現(xiàn)有通用服務(wù)器的處理性能、控制器與基站間的傳輸時(shí)延等參數(shù)，給出具體的集中式控制模塊與基站間功能劃分成為上述架構(gòu)在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用首先面臨的問(wèn)題。

（2）數(shù)據(jù)面轉(zhuǎn)發(fā)性能

以核心網(wǎng)架構(gòu)為例，基于OpenFlow的數(shù)據(jù)面交換機(jī)，采用流表結(jié)構(gòu)處理分組數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用程序的增加極有可能導(dǎo)致交換機(jī)列表的急劇膨脹，從而導(dǎo)致交換機(jī)性能的下降。同時(shí)，隨著OpenFlow版本的不斷發(fā)布以及特性的增加，會(huì)導(dǎo)致流表項(xiàng)越來(lái)越長(zhǎng)，在增加交換機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)雜度的同時(shí)也嚴(yán)重影響了交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)效率。

（3）安全問(wèn)題

網(wǎng)絡(luò)控制云掌握著網(wǎng)絡(luò)中所有的數(shù)據(jù)流，其安全性直接關(guān)系著網(wǎng)絡(luò)的可用性、可靠性以及數(shù)據(jù)安全性，成為上述架構(gòu)在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題?？刂圃频闹饕{包括：網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)并偽造控制信令從而威脅網(wǎng)絡(luò)資源配置、攻擊者通過(guò)向控制云頻繁發(fā)送虛假請(qǐng)求導(dǎo)致控制器因過(guò)載而拒絕提供服務(wù)等。同時(shí)，應(yīng)用程序間安全規(guī)則需統(tǒng)一協(xié)調(diào)，防止安全規(guī)則沖突導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)混亂和管理復(fù)雜度增加。

（4）內(nèi)容緩存

未來(lái)用戶數(shù)據(jù)需求量的急劇增加導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流負(fù)荷增加，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)變慢。為了降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)負(fù)荷和用戶內(nèi)容訪問(wèn)時(shí)延，提升用戶體驗(yàn)，需要核心網(wǎng)與接入網(wǎng)對(duì)內(nèi)容進(jìn)行分布式存儲(chǔ)與緩存，提高緩存命中率，提升緩存性能?？紤]到無(wú)線接入側(cè)基站存儲(chǔ)空間的限制，如何利用接入網(wǎng)集中控制的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)基站間協(xié)作緩存成為提升內(nèi)容訪問(wèn)命中率、降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量以及訪問(wèn)時(shí)延的關(guān)鍵研究點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)主要性能要求，從更高的數(shù)據(jù)流量和用戶體驗(yàn)速率、更低時(shí)延、海量終端連接、更低成本以及更高能效5個(gè)方面，討論并分析了未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要技術(shù)特征?；诖颂岢隽嘶赟DN和NFV的新型5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并針對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可能存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，為后續(xù)研究發(fā)展提供參考。

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