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1、引言5G网络：挑战与机遇5G网络架构设计5G网络代表能力5G网络标准化建议总结和展望主要贡献单位P1P2P4P8P15P17P18目录IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。IMT-2020(5G)推进组5G网络架构设计白皮书IMT-2020(5G)推进组5G网络架构设计白皮书2IMT-2020(5G)推进组5G网络架构设计白皮书1随着
2、5G研究的全面展开并逐步深入，业界就5G场景形成基本共识：面向增强的移动互联网应用场景，5G提供更高体验速率和更大带宽的接入能力，支持解析度更高、体验更鲜活的多媒体内容；面向物联网设备互联场景，5G提供更高连接密度时优化的信令控制能力，支持大规模、低成本、低能耗IoT设备的高效接入和管理；面向车联网、应急通信、工业互联网等垂直行业应用场景，5G提供低时延和高可靠的信息交互能力，支持互联实体间高度实时、高度精密和高度安全的业务协作。面对5G极致的体验、效率和性能要求，以及“万物互联”的愿景，网络面临全新的挑战与机遇。5G网络将遵循网络业务融合和按需服务提供的核心理念，引入更丰富的无线接入网拓扑，
3、提供更灵活的无线控制、业务感知和协议栈定制能力；重构网络控制和转发机制，改变单一管道和固化的服务模式；利用友好开放的信息基础设施引言环境，为不同用户和垂直行业提供高度可定制化的网络服务，构建资源全共享、功能易编排、业务紧耦合的综合信息化服务使能平台。5G国际标准化工作现已全面展开，需要尽快细化5G网络架构设计方案并聚焦关键技术方向，以指导后续产业发展。本白皮书从逻辑功能和平台部署的角度，以四维功能视图的方式呈现了新型5G网络架构设计，并提炼了网络切片、移动边缘计算、按需重构的移动网络、以用户为中心的无线接入网和能力开放等5G网络代表能力。白皮书最后提出了5G网络架构和技术标准化工作的推进建议。
4、IMT-2020(5G)推进组5G网络架构设计白皮书21.极致性能指标带来全面挑战首先，为了满足移动互联网用户极致的视频及增强现实等业务体验需要，5G系统提出了随时随地提供100Mbps1Gbps的体验速率的指标要求，甚至在500km/h的高速运动过程中，也要求具备基本服务能力和必要的业务连续性。第二，为了支持移动互联网和物联网场景设备高效接入的要求，5G系统需同时满足Tbps/km2的流量密度和百万/km2连接密度要求，而现有网络流量中心汇聚和单一控制机制5G网络: 挑战与机遇在高吞吐量和大连接场景下容易导致流量过载和信令拥塞。第三，为了支持自动驾驶和工业控制等高度实时性要求的业务，5G系统
5、需要在高可靠性前提下，满足端到端毫秒级的极低时延要求。现网中，端到端时延和业务中断时间都在百毫秒量级，与5G时延要求存在两个数量级的差距，也难以满足特定业务的可靠性和安全性要求。 图1 5G全面的网络挑战体验速率移动性时延可靠性连接密度流量密度极致体验极致性能极致效率全面网络挑战重要性：高重要性：中重要性：低IMT-2020(5G)推进组5G网络架构设计白皮书3图2 综合化信息服务使能平台2.网络与业务融合触发全新机遇丰富的5G应用场景对网络功能要求各异：从突发事件到周期事件的资源分配；从自动驾驶到低移动性终端的移动性管理；从工业控制到抄表业务的时延要求等。面对如此多样化的业务场景，5G提出的
6、网络与业务深度融合，按需提供服务的新理念能为信息产业的各个环节带来全新的发展机遇。基于5G网络“最后一公里”的位置优势，互联网应用服务提供商能够提供更具差异性的用户体验。例如，基于网络开放的位置区域、移动轨迹和无线环境等上下文信息，APP能够筛选出更恰当的服务参数，提升客户黏性；同时，利用网络边缘的内容缓存和计算能力，服务提供商可以为指定用户提供更优质的时延和带宽服务质量保障，在竞争中占得先机。基于5G网络“端到端全覆盖”的基础设施优势，以垂直行业为代表的物联网业务需求方可以获得更强大且更灵活的业务部署环境。依托强大的网管系统，垂直行业能够获得对网内终端和设备更丰富的监控和管理手段，全面掌控业
7、务运行状况；利用功能高度可定制化和资源动态可调度的5G基础设施能力，第三方业务需求方可以快捷的构建数据安全隔离和资源弹性伸缩的专用信息服务平台，从而降低开发门槛。对于移动网络运营商而言，5G网络有助于进一步开源节流。开源方面，5G网络突破当前封闭固化的网络服务框架，全面开放基础设施、组网转发和控制逻辑等网络能力，构建综合化信息服务使能平台，为运营商引入新的服务增长点。节流方面，按需提供的网络功能和基础设施资源有助于更好的节能增效，降低单位流量的建设与运营成本。需要指出的是，随着移动网络和互联网在业务方面融合的不断深入，两者在技术方面也在相互渗透和影响。云计算、虚拟化、软件化等互联网技术是5G网
8、络架构设计和平台构建的重要使能技术。IMT-2020(5G)推进组5G网络架构设计白皮书45G网络架构设计包括系统设计和组网设计两个方面。系统设计重点考虑逻辑功能实现以及不同功能之间的信息交互过程，构建功能平面划分更合理的统一的端到端网络逻辑架构。组网设计聚焦设备平台和网络部署的实现方案，以充分发挥基于SDN/NFV技术的新型基础设施环境在组网灵活性和安全性方面的潜力。1.5G系统设计：逻辑视图与功能视图如图3所示,5G网络逻辑视图由3个功能平面构成：接入平面，控制平面和转发平面。接入平面引入多站点协作、多连接机制和多制式融合技术，构建更灵活的接入网拓扑；控制平面基于可重构的集中的网络控制功能
9、，提供按需的接入、移动性和会话管理，支持精细化资源管控和全面能力开放；转发平面具备分布式的数据转发和处理功能，提供更动态的锚点设置，以及更丰富的业务链处理能力。在整体逻辑架构基础上，5G网络采用模块化功能设计模式，并通过“功能组件”的组合，构建满足不同应用场景需求的专用逻辑网络。5G网络以控制功能为核心，以网络接入和转发功能为基础资源，向上提供管理编排和网络开放的服务，形成三层网络功能视图，如图4所示，其中：图3 5G网络逻辑视图5G网络架构设计IMT-2020(5G)推进组5G网络架构设计白皮书5管理编排层： 由用户数据、管理编排和能力开放三部分功能组成。用户数据功能存储用户签约、业务策略和
10、网络状态等信息。管理编排功能基于网络功能虚拟化技术，实现网络功能的按需编排和网络切片的按需创建。能力开放功能提供对网络信息的统一收集和封装，并通过API开放给第三方。网络控制层： 实现网络控制功能重构及模块化。主要的功能模块包括：无线资源集中分配、多接入统一管控、移动性管理、会话管理、安全管理和流量疏导等。上述功能组件按管理编排层图4 5G网络功能视图的指示，在网络控制层中进行组合，实现对资源层的灵活调度。网络资源层： 包括接入侧功能和网络侧功能。接入侧包括中心单元（CU）和分布单元（DU）两级功能单元，CU主要提供接入侧的业务汇聚功能；DU主要为终端提供数据接入点，包含射频和部分信号处理功能
11、。网络侧重点实现数据转发、流量优化和内容服务等功能。基于分布式锚点和灵活的转发路径设置，数据包被引导至相应的处理节点，实现高效转发和丰富的数据处理，如深度包检测，内容计费和流量压缩等。IMT-2020(5G)推进组5G网络架构设计白皮书62.5G组网设计：平台视图与组网视图5G基础设施平台将更多的选择由基于通用硬件架构的数据中心构成支持5G网络的高性能转发要求和电信级的管理要求，并以网络切片为实例，实现移动网络的定制化部署。引入SDN/NFV技术（如图5所示），5G硬件平台支持虚拟化资源的动态配置和高效调度，在广域网层面，NFV编排器可实现跨数据中心的功能部署和资源调度，SDN控制器负责不同层
12、级数据中心之间的广域互连。城域网以下可部署单个数据中心，中心内部使用统一的NFVI基础设施层，实现软硬件解耦，利用SDN控制器实现数据中心内部的资源调度。NFV/SDN技术在接入网平台的应用是业界聚焦探索的重要方向。利用平台虚拟化技术，可以在同一基站平台上同时承载多个不同类型的无图5 5G网络平台视图线接入方案，并能完成接入网逻辑实体的实时动态的功能迁移和资源伸缩。利用网络虚拟化技术，可以实现RAN内部各功能实体动态无缝连接，便于配置客户所需的接入网边缘业务模式。另外，针对RAN侧加速器资源配置和虚拟化平台间高速大带宽信息交互能力的特殊要求，虚拟化管理与编排技术需要进行相应的扩展。SDN/NF
13、V技术融合将提升5G进一步组大网的能力：NFV技术实现底层物理资源到虚拟化资源的映射，构造虚拟机（VM），加载网络逻辑功能（VNF）；虚拟化系统实现对虚拟化基础设施平台的统一管理和资源的动态重配置；SDN技术则实现虚拟机间的逻辑连接，构建承载信令和数据流的通路。最终实现接入网和核心网功能单元动态连接，配置端到端的业务链，实现灵活组网。IMT-2020(5G)推进组5G网络架构设计白皮书7如图6所示，一般来说，5G组网功能元素可分为四个层次：中心级：以控制、管理和调度职能为核心，例如虚拟化功能编排、广域数据中心互连和BOSS系统等，可按需部署于全国节点，实现网络总体的监控和维护。汇聚级：主要包括
14、控制面网络功能，例如移动性管理、会话管理、用户数据和策略等。可按需部署于省分一级网络。区域级：主要功能包括数据面网关功能，重点承载业务数据流，可部署于地市一级。移动边缘计算功能、业务链功能和部分控制面网络功能也可以下沉到这一级。图6 5G网络组网视图接入级：包含无线接入网的CU和DU功能，CU可部署在回传网络的接入层或者汇聚层；DU部署在用户近端。CU和DU间通过增强的低时延传输网络实现多点协作化功能，支持分离或一体化站点的灵活组网。借助于模块化的功能设计和高效的NFV/SDN平台。在5G组网实现中，上述组网功能元素部署位置无需与实际地理位置严格绑定，而是可以根据每个运营商的网络规划、业务需求
15、、流量优化、用户体验和传输成本等因素综合考虑，对不同层级的功能加以灵活整合，实现多数据中心和跨地理区域的功能部署。IMT-2020(5G)推进组5G网络架构设计白皮书8与4G时期相比，5G网络服务具备更贴近用户需求、定制化能力进一步提升、网络与业务深度融合以及服务更友好等特征，其中代表性的网络服务能力包括：网络切片、移动边缘计算、按需重构的移动网络、以用户为中心的无线接入网和网络能力开放。网络切片网络切片是网络功能虚拟化（NFV）应用于5G阶段的关键特征。一个网络切片将构成一个端到端的逻辑网络，按切片需求方的需求灵活地提供一种或多种网络服务。图7所示的网络切片架构主要包括切片管理和切片选择两项
16、功能。切片管理功能有机串联商务运营、虚拟化资源平台和网管系统，为不同切片需求方（如垂直行业用户、虚拟运营商和企业用户等）提供安全隔离、高度自控的专用逻辑网络。切片管理功能包含三个阶段：1) 商务设计阶段：在这一阶段，切片需求方利用切片管理功能提供的模板和编辑工具，设定切片的相关参数，包括网络拓扑、功能组件、交互协议、性能指标和硬件要求等。2) 实例编排阶段：切片管理功能将切片描述文件发送到NFV MANO功能实现切片的实例化，并通过与切片之间的接口下发网元功能配置，发起连通性测试，最终完成切片向运行态的迁移。3) 运行管理阶段：在运行态下，切片所有者可通过切片管理功能对己方切片进行实时监控和动态5G网络代表能力维护维护，主要包括资源的动态伸缩，切片功能的增加、删除和更新，以及告警故障处理等。切片选择功能实现用户终端与网络切片间的接入映射。切片选择功能综合业务签约和功能特性等多种因素，为用户终端提供合适的切片接入选择。用户终端可以分别接入不同切片，也可以同时接入多个切片。用户同时
