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开放5G网络架构与开源平台

2018/5/13    来源:互联网    作者:赵明  王京  田志刚      
关键字:5G  网络架构  开放架构  
本文提出一种开放网络研究框架,及其开放网络架构解决方案。认为5G的3种业务场景向3类关键技术指标的灵活映射需求,决定了基于公共资源池的网络切片化是必然之选,网络架构的开放性是保障敏捷切片所必须的,网络和技术指标的演进也决定了传统垂直封闭网络架构不可持续。

    人类社会的网络化和虚拟化浪潮已经形成,这个进程的一个标志就是从2010年开始移动通信终端数量超过了地球人口数量,而且有预测认为2020年全球将有260亿移动通信连接设备。未来远超人口总数的连接设备,这正是5G移动通信技术发展的背景。国际电信联盟无线电通信组(ITU-R)WP5D第22次会议上,已经正式将5G命名为IMT-2020,并发布了IMT-2020愿景以及时间表。ITU列举了若干未来非常有潜力的业务,包括3D视频、超高清(UHD)屏幕、云计算、虚拟现实等,并将这些业务归纳进3个主要的应用场景:增强型移动宽带(eMBB)、大规模机器通信(mMTC)和高可靠低时延通信(URLLC)。

    面对丰富的业务场景需求,一方面我们认为不可能有一张网同时满足所有需求,另一方面移动通信网络作为整个国民经济的基础设施,又必须是公共统一的。由此可以预期,对5G移动通信系统的最大的需求将是其定制能力、演进能力和服务国民经济各行各业的能力;5G移动通信技术,尤其是网络架构,也将与以往迥然不同。近年来,IT行业的发展可以给我们一些指引,即采用开放网络架构,包括基础设施虚拟化、网络处理平台化和面向应用与业务的端到端网络切片构建。

    文章中我们从技术角度分析5G采用开放网络架构的必然性,并给出一种开放网络架构解决方案。

1 开放网络架构的技术必然性

    与传统移动通信网络相比,5G网络面对的需求是全面而多元的,面临很多技术挑战,下面我们将详细分析这些技术挑战所导致的开放网络架构的技术必然性。

    1.1 需求与指标的灵活映射以及网络切片

    5G以前用“车”模型(VAN)来表达移动通信系统(包括IMT-2000和IMT-Advanced)的性能指标需求,而此次ITU通过雷达图的方式全面体现了5G(IMT-2020)的技术指标需求。ITU定义了8个技术指标需求维度,包括峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、连接密度、网络能量效率和流量密度,并将3个应用场景与8个技术指标做了映射,如图1所示。对比以往的技术指标需求可以发现,IMT-2020中明确提出了连接密度、网络能量效率和流量密度等指标。

IMT-2020网络关键技术指标

图1 IMT-2020网络关键技术指标

    将ITU的8个技术指标分为3类:

    (1)蜂窝组网性能。峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性以及隐含的覆盖保障是评价蜂窝组网性能的关键指标,与人的(话音或数据)通信需求比较贴近。值得注意的是,空口频谱资源的利用效率、空口网络流程的有效性也属于蜂窝组网性能的考量因素。比如,eMBB中即时通信(IM)类业务,甚至大部分OTT业务,都会有大量的状态探测短包传输,这对于随机接入和终端休眠机制有很大挑战,因为传统机制对这类消息的传输效率很低。又比如,进入5G时代后,由于eMBB业务流量的爆发式增长,导致空口蜂窝密度的增加,称为超密集组网(UDN),这需要大量小区间协作以改善覆盖性能和降低干扰,而传统机制对于小区间协作所需的用户面和控制面覆盖方面效率都很低。

    (2)网络成本与效率。网络能量效率以及可支撑连接密度用来考量网络的有效性,主要是为提供一定服务所需的成本,或以一定网络基础设施来支撑相应服务的效率,包含网络的能量效率和控制管理效率等。在UDN组网中,我们除了关注蜂窝组网效率外,还需要特别关注这种组网形态对应的网络成本与效率。控制面(C)与用户面(U)的覆盖需求差异越来越大,以至于第3代合作伙伴项目(3GPP)在高级长期演进(LTE-A)中标准化了一种C/U覆盖分离的异构组网(HetNet)形态,超蜂窝网络架构也有大量相关研究。因应这种无线组网的变化,接入网也分别用宏蜂窝基站与微蜂窝小站来负责C/U面的覆盖。在业务和人流潮汐效应下,大量小站有时是空闲的,需要网络及时控制其关闭和打开,以提高网络的能量效率。

    (3)端到端业务体验质量(QoE)保障。时延和移动性是当前自动驾驶等URLLC类业务提出的特殊需求,mMTC类业务的终端低功耗低成本、网络超强覆盖也属于其特殊的QoE需求。每个业务都有其业务模型,都有需要特别关注的指标和流程,最终体现为用户或行业能直观感受的独特QoE。

    3种业务场景对这3类技术指标的需求程度不同,甚至是矛盾的:

    (1)一般eMBB类业务。这类业务对蜂窝组网性能、网络成本与效率这两类技术指标有较强需求,由于蜂窝移动通信系统的性能指标是按照人类的通信需求设计的,所以一般来说并无特殊的QoE需要保障。

    (2)一般mMTC和URLLC类业务。这类业务对网络成本与效率、业务QoE保障这两类技术指标有较强需求。对于mMTC,网络防拥塞的需求属于网络成本与效率类技术指标,超强覆盖以及设计特别机制保障终端超低成本、低功耗属于业务特殊QoE保障需求。对于URLLC,低时延属于特殊QoE保障需求,为此需要网络架构在很多节点提供业务卸载机制,以降低网络处理带来的时延,避免大量业务横穿网络影响其效率。

    (3)虚拟现实(VR)&现实增强(AR)、无人机、机器人等业务。这类业务兼具eMBB与URLLC的部分特点,对性能与QoE保障这两类指标有较强需求,但对网络成本与效率的影响则并不突出。

    基于以上讨论可以看出,不同的业务场景不可能同时要求满足3类技术指标。为支撑这种灵活映射,避免不同业务场景之间矛盾的技术指标需求,一种解决办法是:基于公共资源池,为不同业务与场景构建不同网络切片。切片之间有较好的隔离性,并可以很容易提供、迁移和编排管理。本质上这种切片化构建方法需要一种开放网络架构,可以敏捷重构,弹性扩展,并可持续演进。

责任编辑:程玥
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