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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。

    1.2 移动通信网络架构面临的技术挑战

    从2G到4G的网络架构和流程基本是稳定的上,我们将其概括为“蜂窝模型”和“管道模型”。

    (1)蜂窝模型在空口通过小区为单位对空口资源进行划分和管理。在5G以前,小区之间重叠覆盖区域(如图2中的阴影部分)可通过网络优化而尽量减少,小区间协作较少,基站协议栈主要考虑空口承载的管理,彼此较为独立,具有“垂直封闭”的特点。

蜂窝模型与管道模型

图2 蜂窝模型与管道模型

    (2)管道模型基本遵从开放系统互联(OSI)的7层协议参考模型,及经过宽带综合业务数字网(B-ISDN)/异步传输模式(ATM)充实后的管理(M)/C/U面模型。移动通信网络分为接入网和核心网,由一些具有独特功能的网元为主体,由点到点链路最终构成端到端连接,为终端与Internet提供具有移动性的业务连接,这些网元的协议栈较为独立,具有垂直封闭的特点。

    蜂窝模型的特点如下:

    ●地理上,通过基站对覆盖进行划分,并以小区为单位对频谱资源进行复用;

    ●小区内,主要以双工和多址等正交方式对空口资源(时间、频率、空间和功率)进行划分;

    ●小区间,以功控和切换来管理干扰;

    ●移动性和承载上,通过接入、切换、漫游和寻呼等手段保障连接在小区间的移动性,承载基本由一个小区负责,并随着切换在小区间传递。

    管道模型的特点如下:

    ●接入网的基站和核心网的网关,都是具有独立功能的网元,维护某段点到点承载,进而形成端到端连接,相互之间的依赖比较少;

    ●每个网元的协议栈中不同协议层各有分工,自下而上提供服务,逐级封装;

    ●向业务提供若干种质量等级的传输通道,以同一种网络制式服务较长时间内的业务。

    面对5G的新需求,传统稳定的蜂窝模型和管道模型都将面临挑战。从蜂窝模型来看,UDN场景下,C/U面覆盖特性并不相同,C面需要高可靠,U面需要高性能,此时C/U面覆盖解耦对于各自的频谱效率来说都是最合适的。在mMTC海量连接场景下,小区内空口资源正交式管理也变得效率低下,至少需要在随机接入和多址机制设计上打破以往封闭的连接管理模式。

    从管道模型方面来说,上述新的无线组网形态需要打破以基站为基本单元对空口资源进行管理,和以功能划分网元的接入网架构,使得追求效率的用户面以及追求灵活性和可定制化的控制/管理面解耦;解耦后的相应处理可与不同类型基础设施匹配,可由不同技术特征的平台加以支持,也可支持为不同的上层业务与运营逻辑构建单独的切片。此外,垂直封闭网元和协议栈不利于基于卸载的边缘计算等业务部署模式,其逐段承载管理方式对于mMTC存在效率低下的问题,自底向上逐层封装无法满足按照业务QoE灵活重构网络的需求,所以需要打破垂直封闭网元的界限,将需要提高效率的环节解耦出来集中处理。

    所以说,即使只从3类技术指标中任意单项的满足方面考虑,传统蜂窝模型与管道模型也必须改变垂直封闭的特征,变迁到开放网络架构。

    1.3 开放网络架构特点

    针对上述两部分对于开放网络架构技术必然性的分析,我们给出一种解决方案,比较形化的描述为:将图2中蜂窝模型以及管道模型中的垂直封闭网元“放倒”,形成如图3所示的架构。

将垂直封闭网元与协议“放倒”的网络架构

图3 将垂直封闭网元与协议“放倒”的网络架构

    所谓“放倒”的学术化描述为:

    (1)改变自底向上逐级封装的管道模型,将U面的协议层平坦化,既可灵活重构,又方便与上层业务的紧密结合;

    (2)将垂直封闭网元的C面处理,以“虚拟化”的方式形成逻辑集中的控制器,解决其不容易协调而效率底下的问题;

    (3)将垂直封闭网元的M面开放,通过控制器的北向接口营造开放的管理与业务面,解决“公共基础设施与定制业务需求”之间的矛盾;

    (4)将网络协议栈的“数据部分”(D),以分布式实时数据库的方式集中为全局网络视图(GNV),使得控制器处理几乎与状态无关,方便定制和重构,增强网元之间沟通效率。

    上述思路,可以解决5G的性能、成本与效率以及QoE保障这3种需求之间的矛盾,满足无线网络架构的演进需求。

责任编辑:程玥
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