技術(shù)
導(dǎo)讀:7月我們圍繞5G分享了關(guān)于邊緣計(jì)算、Massive MIMO、網(wǎng)絡(luò)切片等核心技術(shù)要點(diǎn),本期我們將圍繞5G接入網(wǎng)和核心網(wǎng)展開深入探討。長(zhǎng)文,預(yù)計(jì)閱讀約15分鐘。
5G模組自公開發(fā)布以來,后臺(tái)收到許多小伙伴的咨詢,感謝大家對(duì)OneMO 5G模組的踴躍關(guān)注,我們將從7月31日起陸續(xù)送樣!請(qǐng)還未填寫樣片申領(lǐng)信息的小伙伴,掃描下方二維碼!
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隨著5G研究的深入和普及,對(duì)于5G具備的能力已達(dá)成基本共識(shí):滿足增強(qiáng)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求,擁有更高體驗(yàn)速率和更大帶寬接入的能力;滿足車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、應(yīng)急通信、工業(yè)控制等垂直行業(yè)應(yīng)用需求,擁有低時(shí)延、高可靠的信息交互能力,具備承擔(dān)高時(shí)效、高精密、高安全需求業(yè)務(wù)的能力;滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備互聯(lián)互通的應(yīng)用需求,擁有更高連接密度、更簡(jiǎn)單信令交互的能力,支持大規(guī)模、低成本、低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的高效接入和管理。
為了滿足這些苛刻的體驗(yàn)、效率和性能的要求,5G必須要構(gòu)建一個(gè)資源全共享、功能易編排、業(yè)務(wù)緊耦合的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。因此,5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)就必須全面深入優(yōu)化。
圖1 4G LTE網(wǎng)絡(luò)典型架構(gòu)圖
蜂窩通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)可以劃分成接入網(wǎng)(RAN)和核心網(wǎng)(CN)兩部分,無線接入網(wǎng)主要由基站組成,為用戶提供無線接入功能;核心網(wǎng)主要由基站管理器、網(wǎng)關(guān)、計(jì)費(fèi)系統(tǒng)組成,主要為用戶提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)和管理功能,在4G LTE系統(tǒng)中,基站和核心網(wǎng)分別叫eNB和EPC。
圖2 4G向5G演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)變化圖
5G系統(tǒng)由接入網(wǎng)(AN)和核心網(wǎng)(5GC)組成,若考慮NSA(非獨(dú)立組網(wǎng))場(chǎng)景,則還需要考慮4G的網(wǎng)元。5G網(wǎng)絡(luò)在傳統(tǒng)4G LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化處理,網(wǎng)元呈現(xiàn)虛擬化、云化。
一、主要網(wǎng)元及功能
圖3 各網(wǎng)元主要功能
5G網(wǎng)元的功能劃分如圖所示。NG-RAN包含gNB或ng-eNB節(jié)點(diǎn),5GC包含AMF,UPF和SMF三個(gè)功能模塊。
gNB/ng-eNB
小區(qū)間無限資源管理InterCell Radio Resource Management(RRM)
無線承載控制RadioBear(RB)Control
連接移動(dòng)性控制Connection Mobility Control
測(cè)量配置與規(guī)定MeasurementConfiguration and Provision
動(dòng)態(tài)資源分配DynamicResource Allocation
AMF
NAS安全Non-AccessStratum(NAS) Security
空閑模式下移動(dòng)性管理IdleState Mobility Handling
UPF
移動(dòng)性錨點(diǎn)管理 MobilityAnchoring
PDU處理(與Internet連接)PDUHandling
SMF
用戶IP地址分配 UE IPAddress Allocation
PDUSession控制
主要網(wǎng)元功能實(shí)體 (NF):
UE: 用戶終端設(shè)備User Equipment (UE)
RAN: 接入網(wǎng)絡(luò)(Radio) Access Network (RAN)
AMF: 接入及移動(dòng)性管理功能Access and Mobility Management Function
UPF: 用戶面功能User plane Function (UPF)
AUSF: 鑒權(quán)服務(wù)功能Authentication Server Function
DN: 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)Data Network (DN), 比如運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù),互聯(lián)網(wǎng)接入或者第三方業(yè)務(wù)等。
UDFS: 非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能Unstructured Data Storage Function
NEF: 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)呈現(xiàn)功能Network Exposure Function (NEF)
NRF: 網(wǎng)元數(shù)據(jù)倉庫功能NF Repository Function (NRF)
NSSF: 網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能Network SliceSelection Function (NSSF)
PCF: 策略控制功能Policy Control function (PCF)
SMF: 進(jìn)程管理功能Session Management Function (SMF)
UDM: 統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能Unified Data Management (UDM)
UDR: 統(tǒng)一數(shù)據(jù)倉庫功能Unified Data Repository (UDR)
AF: 應(yīng)用層功能Application Function (AF)
EIR: 5G設(shè)備標(biāo)識(shí)注冊(cè)設(shè)備5G-Equipment Identity Register (5G-EIR)
二、5G接入網(wǎng)
圖4 5G接入網(wǎng)無線協(xié)議棧結(jié)構(gòu)示意圖
移動(dòng)的云引擎是無線接入網(wǎng)一系列RAN功能的云化組合,其中的關(guān)鍵是軟硬件解耦,各功能網(wǎng)元可部署在通用的COTS上,從而實(shí)現(xiàn)NFV架構(gòu),達(dá)到資源池化、彈性、可伸縮性等云化特征。簡(jiǎn)單的來說就是將各網(wǎng)元以軟件包的形式安裝到一在云服務(wù)器上。
為了進(jìn)一步提高5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的靈活性,接入網(wǎng)不再是由BBU、RRU、天饋系統(tǒng)組成了,而是被重構(gòu)為3個(gè)功能實(shí)體——CU、DU、AAU:
CU(CentralizedUnit,集中單元):原BBU的非實(shí)時(shí)部分將分割出來,重新定義為CU,負(fù)責(zé)處理非實(shí)時(shí)協(xié)議和服務(wù);
DU(DistributeUnit,分布單元):BBU的剩余功能重新定義為DU,負(fù)責(zé)處理物理層協(xié)議和實(shí)時(shí)服務(wù);
AAU(Active AntennaUnit,有源天線單元):BBU的部分物理層處理功能與原RRU及無源天線合并為AAU。
AN有兩種:
gNB,為UE提供NR用戶面和控制面協(xié)議終結(jié)點(diǎn);
ng-eNB,為UE提供E-UTRA的用戶面和控制面協(xié)議的終結(jié)點(diǎn)。
一般來說一個(gè)gNB-DU只連接一個(gè)gNB-CU。但是為了實(shí)現(xiàn)的靈活性,每個(gè)gNB-DU也可能連接到多個(gè)gNB-CU。gNB CU中的控制面和用戶面是分離的,一般只有一個(gè)CP,但是允許有多個(gè)UP。需要注意的是,gNB-CU及連接的若干gNB-DU是作為一個(gè)整體邏輯gNB對(duì)外呈現(xiàn)的,且只對(duì)其他的gNB和所相連的5GC可見。
圖5 4G向5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化圖
DU和CU共同組成gNB,每個(gè)CU可以連接1個(gè)或多個(gè)DU。CU和DU之間存在多種功能分割方案,可以適配不同的通信場(chǎng)景和不同的通信需求,由此帶來的好處如下:
o 對(duì)現(xiàn)有RAN架構(gòu)進(jìn)行分離可以有效降低前傳帶寬的需求;
o RANCU內(nèi)部的移動(dòng)性不可見,從而降低CN的信令開銷和復(fù)雜度;
o 采用CU將控制協(xié)議和安全協(xié)議集中化后,CU的出現(xiàn)更加適應(yīng)NFV的架構(gòu)實(shí)現(xiàn)Cloud RAN,增加了RAN側(cè)的功能擴(kuò)展性。
三、5G核心網(wǎng)
△5G系統(tǒng)服務(wù)架構(gòu)△
△非漫游5G系統(tǒng)架構(gòu)參考點(diǎn)△
圖6 5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
表1 5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)功能
5G核心網(wǎng)構(gòu)架主要包含三大關(guān)鍵技術(shù):SBA、CUPS和網(wǎng)絡(luò)切片,這是最終實(shí)現(xiàn)化整為零、由硬變軟的徹底演進(jìn)。
SBA
SBA(ServiceBased Architecture),即基于服務(wù)的架構(gòu)。它基于云原生構(gòu)架設(shè)計(jì),借鑒了IT領(lǐng)域的“微服務(wù)”理念,將設(shè)備功能“打散”。
傳統(tǒng)網(wǎng)元是一種緊耦合的黑盒設(shè)計(jì),NFV(網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)從黑盒設(shè)備中解耦出網(wǎng)絡(luò)功能軟件,但解耦后的軟件依然是“大塊頭”的單體式構(gòu)架,需進(jìn)一步分解為細(xì)粒度化的模塊化組件,并通過開放API接口來實(shí)現(xiàn)集成,以提升應(yīng)用開發(fā)的整體敏捷性和彈性。
核心網(wǎng)功能模塊化,包括控制面及用戶面,以庫的方式調(diào)用,控制面功能模塊包括移動(dòng)性管理、策略控制、用戶數(shù)據(jù)、會(huì)話控制等等,用戶面功能模塊包括話單、轉(zhuǎn)發(fā)、業(yè)務(wù)感知、數(shù)據(jù)優(yōu)化等等,這些功能模塊就是被“打散”后庫的內(nèi)容,網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的需求做功能的裁剪和選擇。簡(jiǎn)單的來說,微服務(wù)就是指將Monolithic拆分為多個(gè)粒度更小的微服務(wù),微服務(wù)之間通過API交互,且每個(gè)微服務(wù)獨(dú)立于其他服務(wù)進(jìn)行部署、升級(jí)、擴(kuò)展,可在不影響客戶使用的情況下頻繁更新正在使用的應(yīng)用。
基于這樣的設(shè)計(jì)理念,傳統(tǒng)網(wǎng)元先轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)功能(NF),然后NF再被分集為多個(gè)“網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)”。
那么,SBA其實(shí)也就是網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)和基于服務(wù)的接口的組合體。
CUPS
CUPS(Controland User Plane Separation),即控制與用戶面分離。目的是讓網(wǎng)絡(luò)用戶面功能擺脫“中心化”的囚禁,使其既可靈活部署于核心網(wǎng)(中心數(shù)據(jù)中心),也可部署于接入網(wǎng)(邊緣數(shù)據(jù)中心),最終實(shí)現(xiàn)可分布式部署。
事實(shí)上,核心網(wǎng)一直沿著控制面和用戶面分離的方向演進(jìn)。比如,從R7開始,通過DirectTunnel技術(shù)將控制面和用戶面分離,在3GRNC和GGSN之間建立了直連用戶面隧道,用戶面數(shù)據(jù)流量直接繞過SGSN在RNC和GGSN之間傳輸。到了 R8,出現(xiàn)了MME這樣的純信令節(jié)點(diǎn),只是到了4.5G和5G時(shí)代,這一分離的趨勢(shì)更加徹底,也更加必要,其中一大原因就是,為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)毫秒級(jí)時(shí)延的KPI。
數(shù)據(jù)要在相距幾百公里以上的終端和核心網(wǎng)之間來回傳送,顯然是無法滿足5G毫秒級(jí)時(shí)延的,由于物理距離受限,因此需將內(nèi)容下沉和分布式的部署于接入網(wǎng)側(cè)(邊緣數(shù)據(jù)中心),使之更接近用戶,降低時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)回傳負(fù)荷。
圖7 數(shù)控分離演進(jìn)路線
網(wǎng)絡(luò)切片
5G服務(wù)是多樣化的,包括車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、VR/AR等,網(wǎng)絡(luò)能力面臨眾口難調(diào)的局面,因此需要把網(wǎng)絡(luò)切成多個(gè)虛擬且相互隔離的子網(wǎng)絡(luò),分別服務(wù)于不同的業(yè)務(wù)。
因?yàn)樾枨蠖鄻踊砸W(wǎng)絡(luò)多樣化;因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)多樣化,所以要切片;因?yàn)橐衅?,所以網(wǎng)元要能靈活移動(dòng);因?yàn)榫W(wǎng)元靈活移動(dòng),所以網(wǎng)元之間的連接也要靈活變化。
圖8 5G網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用示意圖
所以,把網(wǎng)絡(luò)拆開、細(xì)化,就是為了更靈活地應(yīng)對(duì)場(chǎng)景需求。切片,簡(jiǎn)單來說,就是把一張物理上的網(wǎng)絡(luò),按應(yīng)用場(chǎng)景劃分為N張邏輯網(wǎng)絡(luò)。不同的邏輯網(wǎng)絡(luò),服務(wù)于不同場(chǎng)景。不同的切片,用于不同的場(chǎng)景,網(wǎng)絡(luò)切片,可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源分配,實(shí)現(xiàn)最大成本效率,滿足多元化要求。
四、5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方式
圖9 5G組網(wǎng)方式分類
現(xiàn)網(wǎng)中實(shí)際部署5G網(wǎng)絡(luò)時(shí),分為獨(dú)立和非獨(dú)立組網(wǎng)兩種形式。
獨(dú)立組網(wǎng)模式(SA):指的是新建5G網(wǎng)絡(luò),包括新基站、回程鏈路以及核心網(wǎng)。SA引入了全新網(wǎng)元與接口的同時(shí),還將大規(guī)模采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù),并與5GNR結(jié)合,同時(shí)其協(xié)議開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署及互通互操作所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)將超越3G和4G系統(tǒng)。
非獨(dú)立組網(wǎng)模式(NSA):非獨(dú)立組網(wǎng)指的是使用現(xiàn)有的4G基礎(chǔ)設(shè)施,進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)的部署?;贜SA架構(gòu)的5G載波僅承載用戶數(shù)據(jù),其控制信令仍通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸。
圖10 5G全系組網(wǎng)方式匯總
對(duì)于5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),在3GPP TSG-RAN 第72次全體大會(huì)上,提出了8個(gè)選項(xiàng),如上圖所示,其中選項(xiàng)1/2/5/6為獨(dú)立組網(wǎng)方式,選項(xiàng)3/4/7/8位非獨(dú)立組網(wǎng)方式。
選項(xiàng)1:目前LTE的組網(wǎng)方式,5G的部署是以此為基礎(chǔ)的。
選項(xiàng)2:純5G網(wǎng)絡(luò),完全由gNB NGC組成,需要完全替代LTE系統(tǒng)的基站和核心網(wǎng),同時(shí)還要保證覆蓋和移動(dòng)性等,部署耗資巨大,很難一步完成,是5G網(wǎng)絡(luò)部署的終極目標(biāo)之一。
選項(xiàng)3:EPC+eNB(主)/gNB的方式組網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)先演進(jìn)無線接入網(wǎng),核心網(wǎng)使用LTE的,場(chǎng)景以eNB為主基站,控制面信令由eNB轉(zhuǎn)發(fā),LTE eNB和NR gNB采用雙連接的形式為用戶提供高傳輸數(shù)據(jù)速率服務(wù),可以有效降低初期的部署成本,主要是前期部署在熱點(diǎn)區(qū)域,增加系統(tǒng)吞吐量。
選項(xiàng)4:NGC+eNB/gNB(主)的方式組網(wǎng),同時(shí)引入NGC和GNB,與LTE采取兼容的方式部署,核心網(wǎng)采用5G NGC,eNB和gNB都連接至NGC,基站以gNB為主,同樣是采用雙連接的方式為用戶提供高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù),LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)保證覆蓋,5G系統(tǒng)負(fù)責(zé)提高熱點(diǎn)地區(qū)的數(shù)據(jù)吞吐量。
選項(xiàng)5:NGC+eNB的混搭組網(wǎng)方式,主要應(yīng)用在首先部署了5G核心網(wǎng),并在NGC中實(shí)現(xiàn)了EPC功能,之后再逐步部署5G無線接入網(wǎng)的場(chǎng)景,
選項(xiàng)6:EPC+gNB混搭組網(wǎng)方式,主要應(yīng)用于先部署了5G接入網(wǎng),暫時(shí)采用EPC的場(chǎng)景,此種部署方式不能完全將5G的功能發(fā)揮出來,如網(wǎng)絡(luò)切片等。
選項(xiàng)7:NGC+eNB(主)/gNB的組網(wǎng)方式,此種方式中雖然完整部署了5G NGC和gNB,但數(shù)量較少,仍以LTE中的eNB為主,控制面信令都由eNB轉(zhuǎn)發(fā),eNB和gNB采用雙連接的方式為用戶提供高數(shù)據(jù)速率服務(wù)。
選項(xiàng):EPC+eNB/gNB的組網(wǎng)方式,運(yùn)用5G基站將控制信令和用戶面數(shù)據(jù)傳輸至4G核心網(wǎng),此種方式需要對(duì)4G核心網(wǎng)進(jìn)行改造,成本較高,難度較大,因此在2017年3月發(fā)布。
中國(guó)移動(dòng)向3GPP提交的4G LTE網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)到5G網(wǎng)絡(luò)路線的方案如下:
方案1:LTE/EPC -> 選項(xiàng)2 + 選項(xiàng)5 -> 選項(xiàng) 4/4a -> 選項(xiàng) 2
方案2:LTE/EPC -> 選項(xiàng) 2 +選項(xiàng) 5 -> 選項(xiàng) 2
方案3:LTE/EPC -> 選項(xiàng)3/3a/3x ->選項(xiàng) 4/4a-> 選項(xiàng) 2
方案4:LTE/EPC -> 選項(xiàng) 7/7a -> 選項(xiàng) 2
方案5:LTE/EPC -> 選項(xiàng)3/3a/3x -> 選項(xiàng) 1 +選項(xiàng) 2 + 選項(xiàng)7/7a-> 選項(xiàng)2 + 選項(xiàng)5
從目前現(xiàn)網(wǎng)情況來看,最有可能的兩條演進(jìn)路線為:
LTE/EPC -> 選項(xiàng)3X -> 選項(xiàng)4 -> 選項(xiàng) 2
LTE/EPC -> 選項(xiàng)3X -> 選項(xiàng)4 -> 選項(xiàng) 7X -> 選項(xiàng) 2
NSA選用選項(xiàng)3x,以實(shí)現(xiàn)快速部署NR,5G的核心網(wǎng)部署之后,如果NR覆蓋好,則跳過選項(xiàng)7x,如果NR覆蓋不好,則使用用選項(xiàng)7x過度,LTE繼續(xù)做錨點(diǎn)。
無論哪種方式,演進(jìn)的基本思路都是以LTE為基礎(chǔ),逐步引入5G RAN和NGC,部署初期以雙連接為主,LTE用于保證覆蓋和切換,熱點(diǎn)地區(qū)部署5G基站,提高系統(tǒng)的容量和吞吐率,最后逐步演進(jìn),直到全面進(jìn)入5G時(shí)代。
五、5G網(wǎng)絡(luò)框架特點(diǎn)總結(jié)
o 核心網(wǎng)功能分離:核心網(wǎng)用戶面部分功能下沉到CO(中心機(jī)房,相當(dāng)于4G網(wǎng)絡(luò)的eNB),從原來的集中式核心網(wǎng)演變成分布式核心網(wǎng),使得核心網(wǎng)功能在地理上更靠近終端,減少時(shí)延;
o 分布式應(yīng)用服務(wù)器(AS):AS部分功能下沉至CO,并在CO部署MEC(Mobile EdgeComputing移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊界計(jì)算平臺(tái)),MEC類似于CDN(內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò))的緩存服務(wù)器功能,它將應(yīng)用、處理和存儲(chǔ)推向移動(dòng)邊界,使得海量數(shù)據(jù)可以得到實(shí)時(shí)、快速處理,減少時(shí)延、減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān);
o 重新定義BBU和RRU功能:將原BBU中PHY、MAC的部分功能下沉到RRU,減少了前傳容量,降低了前傳成本;
o 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV,Network FunctionVirtualization):網(wǎng)路中的專業(yè)電信設(shè)備軟硬件功能轉(zhuǎn)移到虛擬機(jī)(VMs,Virtual Machines)上,比如核心網(wǎng)中的MME,S-GW、P-GW、PCRF等,在通用的商用服務(wù)器上通過軟件來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元功能;
o 軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN):網(wǎng)絡(luò)通過SDN連接邊緣云和核心網(wǎng)里的VMs,SDN控制器執(zhí)行映射,建立核心網(wǎng)云與邊緣云之間的連接,其中網(wǎng)絡(luò)切片也由SDN集中控制,SDN、NFV和云技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)從底層物理基礎(chǔ)設(shè)施分開,變成更抽象靈活的以軟件為中心的架構(gòu),可以通過編程來提供業(yè)務(wù)連接;
o 網(wǎng)絡(luò)切片:網(wǎng)絡(luò)根據(jù)面向的不同的應(yīng)用場(chǎng)景,比如大速率、低時(shí)延、海量連接、高可靠性等等,將網(wǎng)絡(luò)切割成滿足不同的需求的虛擬子網(wǎng)絡(luò),每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性、安全性、時(shí)延、可靠性,甚至計(jì)費(fèi)方式等都不一樣,虛擬自網(wǎng)絡(luò)之間在邏輯上相互獨(dú)立,以滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的關(guān)鍵是NFV和SDN。