5G无线接入网架构及关键技术

一、5G网络需求与架构特征

1、5G应用场景与性能指标

ITU正式命名5G为IMT-2020，确定了其三大应用场景。移动互联网与物联网将成为移动通信两大驱动力，5G将是以人为中心的通信和机器类通信共存的时代。

• 超高的速度体验：以虚拟办公为例，办公区95%以上用户体验速率>1Gbit/s，20%以上用户体验速率>5Gbit/s。
• 超高用户密度：以大型赛事为例，预计忙时段每用户数据量>9GB/h，保证用户体验速率>0.3~20Mbit/s。
• 超高速移动场景：对于移动速度>500km/h用户，上行>100Mbit/s，下行>20Mbit/s，端到端低于100ms时延。
• 低时延超可靠连接：对于智能交通系统，与车辆间信息交互时延<5ms，还有虚拟现实等，需要5G网支持1ms时延。
• 海量终端连接：以大量传感器部署为例，移动网每个小区需提供30万设备连接。

 表1 5G的主要能力指标

名称 定义 ITU指标 峰值速率 网络中用户能够达到的最大数据速率 20 Gbit/s 用户体验速率 覆盖范围内凡在可达的最低数据速率 100 Mbit/s 连接密度 单位面积上处于连接状态或者可接入的设备数目  设备/ 流量密度 单位地理面积上的总业务吞吐量 10 Mbit/(s·) 能效 网络单位能耗所能传输的信息量及手持终端设备和无线传感器所能延长的电池使用时间 100 倍 频谱效率 单位频谱上的数据吞吐量 3 倍 时延 数据进入网络中某点之后到用户可以获取之前的时间 1 ms 移动性 不同移动速度条件下达到某种QoS的能力 500 km/h

2、5G网络部署及运营维护需求

3GPP增加网络运营方面的要求，降低网络建设成本，提升网络能效，高效利用各类频谱。提供灵活、开放、网络适配与编程能力。

3、5G网络架构特征

1.高数据流量和用户体验

先进的无线传输技术：其中大规模无线技术，利用空间自由度通信提升频谱效率，波束集中降低干扰，发射功率降低，巨大的天线数目令线性预测编码与线性选择器趋于最优，与高阶调制编码技术结合使用提升频谱效率。

无线频谱：高频段、超高频段（如毫米波频段）开发，大规模天线波束成形增益解决覆盖问题。

小区加密：无线接入系统中，小区分裂难以进行，部署低功率小基站，形成超密集网络（UDN）。超密集网络降低热噪声影响，但迫切需要干扰消除、基于簇化的集中控制进行干扰协调。控制面数据面分离实现覆盖与容量单独优化。D2D缩短收发距离，实现数据流量分流。核心网架构中，传统LTE控制面（SGW、PGW复杂）、数据面分割不彻底，数据面（边界PGW瓶颈）功能过于集中。需数据面下沉本地分流、控制面集中化，软硬件解耦灵活化。

2.低时延

1ms时延，物理层<100，广义频分复用（GFDM）成潜在物理层技术，内容缓存（未来或支持基站间合作缓存）及D2D技术。

3.海量终端连接

提升整体容量，用户分簇化管理以及中继将控制信令与数据汇聚传输，接入层和非接入层协议优化合并，潜在技术协议栈简化处理，可编程协议栈差异化定制。

4.更低成本

减少基站功能，基于通用硬件平台实现软硬件解耦，多虚拟运营商提供差异服务。

5.更高能效

MTC类终端待机增长，统一协调提升容量小区的开关。

6.5G网络架构特征总结

接入网侧控制面与数据面分离，通过簇化集中控制协调；核心网侧控制面与数据面分离，控制面集中实现本地分流、灵活路由；软硬件解耦与上述结合。

二、5G网络总体架构

1、METIS 5G架构

功能架构由四个高层构件组成，中心管理实体（CME）、无线节点管理（RNM）、空中接口（AI）、可靠业务构件。

以业务为导向的拓扑管理器（STM）运营环境信息来决定通过FA/功能池要求部署数据面还是用户层。

以服务为导向的处理器（SPM）将STM中定义的数据面与控制面的功能实体化

5G-SDN控制器根据配置组合来建立物理层上的服务链。

5G编排器不运行控制面功能，而是组合优化逻辑拓扑和相关物理网络资源。

2、NGMN 5G架构

1. 5G设计原则

无线设计原则：利用频谱、低阶高密度部署，干扰协调消除、支持动态无线拓扑

核心网设计原则：移动性宽带优化

端到端设计原则：灵活的功能和能力、支持创造新价值、安全和保密

运维和管理设计原则：自动化、监视能力、大数据预测与主动操作

2. 5G架构

利用硬件和软件的结构分离以及SDN和NFV提供的可编程能力

3. 网络切片

支持以一种特定方式处理控制面和用户面来实现特定类型的通信业务，简洁、灵活

4. 5G系统组件

5G无线接入技术族（5G RAT family，5GRF）、5G无线接入技术（5G RAT，5GR）、5G网络功能（5GF）、5G基础设施（5GI）、5G端到端管理和编排实体（5GMOE）、5G网络、5G终端设备（5GD）、5G系统（5GSYS）、5G切片（5GSL）

3、中国IMT-2020 5G网络架构

1.三朵云

控制云 集中控制核心，多个虚拟化网络控制功能模块组成，集中或分散部署，技术上覆盖全部控制功能，可根据业务场景定制化裁剪。其中，能力开放模块是5G移动通信网与网络需求方的接口，网络资源编排模块/MANO提供了可管、可控、可运营的服务。

接入云（smart RAN）包含多种部署场景，未来5G接入网基于分簇化集中控制的功能体现在集中式的资源协调管理、无线网络虚拟化以及以用户为中心的虚拟小区

转发云 包括单纯高速转发单元以及各种业务使能单元

网络功能虚拟化 “三朵云”网络架构支持按照场景用例在公共网络基础设施上实现网络功能的虚拟化，这样虚拟虚拟端到端网络可以称为网络切片。

2.系统参考架构

3.部署架构（整体）

三、5G无线接入网络架构

1、各种应用场景

典型应用场景

  载波频率 聚合系统带宽 拓扑 站间距 基站天线单元 UE天线单元 用户分布和UE速度 室内热点场景               密集城区场景               城区宏覆盖场景               郊区场景               荒野场景（广覆盖和最小服务）               荒野场景（超广覆盖）               大规模连接城区覆盖               高速路场景               车联网场景              

2、5G无线接入网需求分析

1.性能要求

传统移动性能（用户峰值速率、移动性、延时性）提升，关注用户体验速率、流量密度、和连接数，还需关注能源效率（bit/J）、成本和可靠性指标

2.功能要求

灵活扩展与定制、控制与承载分离、融合资源协同管理、跨制式系统深度融合、边缘计算与无线能力开放、灵活本地路由、新型无线接入技术

3、5G无线网络关键技术

1.无线控制承载与分离

将原有无线网络控制面与用户面相分离，分别由不同网络节点承载，控制面传输将针对控制信令对可靠性与覆盖的要求，采取低频大功率传输以及低阶调制编码等方式，用户面传输将针对数据承载对不同业务质量与特性要求，采取相适应的无线传输带宽，动态调整传输方式适应不同用户需求。按照承载的对象与提供网络的功能划分为 信令基站、数据基站、虚拟宏基站控制器等，他们属于功能逻辑概念，可共存于一个物理实体或独立部署。

RRC过程：对于空闲状态（RRC-idle）用户，可以仅驻留在控制网络层，对于连接状态（RRC-connected）用户，可同时与控制网络层与数据网络层保持链接，

宏微异构组网场景：宏基站作为信令基站担任无线网控制面功能，微基站作为数据基站接受宏基站的无线资源管理并承担精细化的用户面处理。宏基站还需根据实际部署情况作为数据基站提供微基站未覆盖区域用户面的数据承载，但如果宏、微基站间不存在理想回传链路条件（交互时延>5ms），需要多连接技术实现UE与宏微多个无线节点的同时连接。3GPP标准化组织给出双链接方式的控制面与用户面方案（1A、3C）。宏微异构网络小小区的引入使得网络结构不规则，传统移动性管理转变为在宏小区的统一RRC连接控制下不同小小区的添加删除，包括MeNB不变、SeNB切换和SeNB不变、MeNB切换。未来5G网若大量采用小小区密集组网，宏基站负荷压力进一步增大，基站数据中心方案将宏小区微基站用户面集中构建基站数据中心（适用于1A方案），簇数据中心将宏小区内微基站用户面按簇集中（适用于3C），本地数据中心方案将宏基站的控制面与用户面彻底分离。连接增强技术针对不同连接的性能差异进行合理利用或对性能相对偏差的连接进行增强，控制面可以采用RRC分集技术在控制面连接性能下降区域（宏小区边缘）利用多个节点对UE提供双重RRC连接；用户面可以采用灵活的多用户数据流量控制机制优化宏微基站用户面数据缓存，优化下行间不平衡，通过分离用户面的上下行连接，合理设计RLC状态报告传输源，优化上下行间不平衡。

微-微组网场景：亟待解决超密集网络的无线干扰和频繁切换等问题，无线网络虚拟化技术可以实现单物理层下的多连接通信。通过虚拟层覆盖扩展技术，对于多个微基站同时通过相同空口资源下发下行控制信息情况，分集接收来自多个微基站下发的虚拟宏基站信息，合并提高增益，虚拟宏基站对各个微基站发送的上行信息进行分集接受，获得分集合并增益。多系统下的控制与承载分离架构需要增加跨系统协同管理模块。

2.无线网络虚拟化

网络切片、共享、隔离

基站功能虚拟化：实现无线资源“云”化，在“池”层面分配平台资源和无线网络资源，按需分配，动态调整基带处理单元（BBU），同时需要解决实时处理关键技术。

软件定义RAN拓扑和协议栈：首先通过业务感知和预测确定网络覆盖范围的边界，架设相应的节点形成网络拓扑，再在节点上分配时频等资源，最后配置业务等协议栈，信息反馈对网络结点和拓扑进行流量优化和智能调整。软件定义协议栈通过协议栈解耦，实现无线网络开放性和可编程性，快速部署精准适配。动态组织RAN架构以网络功能虚拟化（NFV）为核心基础，以网络部署场景和业务时空特性需求为中心，支持灵活、动态组织形式，部署管理各网络节点和网络功能分布。无线网络资源虚拟化对无线资源灵活切片和共享。

3.增强C-RAN

将所有或部分基带处理资源进行集中，形成基带资源池，统一分配管理，在提升资源利用率、降低能耗同时提升网络性能。

4.移动边缘计算（MEC）

在无线接入侧部署提供IT和云计算能力的通用服务器，业务本地化、低时延高带宽、无线网络上下文信息感知功能，节省回传带宽。

5.多制式协作与融合

重点关注将控制面统一为融合的多制式管理和控制面，将业务流自适应地调配到合适接入网上承载分流，实现接入网和核心网的解耦，可以集中式、分布式部署。多接入管理（MRM）是一种多无线接入技术（RAT）集中控制解决方案，实现无线接入网（RAN）和核心网（CN）解耦。

6.融合资源协同管理

综合考虑多种回传条件，自适应资源协同与管理。基于基带资源池融合资源协同管理策略，对集中基带处理资源灵活划分，即对BBU和射频拉远单元（RRU）之间的功能划分重定义，相关接口重新设计，基于簇化集中控制的融合资源协同管理策略将无线控制功能抽取和集中，解决干扰问题。

7.灵活移动性

包括空闲无移动性管理、连接态无移动性管理、完整空闲无移动性管理、完整连接态无移动性管理。同时面对频繁切换和大量无线接入点导致信令负荷增加降低用户体验的问题，可以采用虚拟小区技术，虚拟多个小区为一个虚拟宏小区进行多小区簇的移动集中性管理和资源协同控制管理。宏微基站增强连接实现微小区控制面用户面分离。

8.网路频谱共享

独占授权式频谱分配造成频谱闲置、利用不充分等问题，动态式频谱分配解决上述问题。共存式频谱共享以功率区分，只适用于短距离通信（WiFi，蓝牙），覆盖式频谱适合于长距离通信，分为机会式和协作式。

认知无线电系统（CRS）核心技术之一为频谱感知，认知无线电频谱检测技术主要分为基于发射机的检测，合作检测（能达到高的检测概率）、和基于接收机的检测，基于发射机的检测分为匹配滤波法（匹配确知信号）、能量检测（不适合低信噪比）、循环平稳特性检测（通过循环谱密度函数特征，运算复杂）。频谱共享池将频谱区域划分为黑色区域、灰色区域、白色区域，对特定频谱或子信道进行精准归类（如多抽头奇异值分解），分为集中式和分布式。功率控制主要采协作机制方法，还存在竞争，有对策论、信息论作为解决问题的主要技术。

在授权的频谱共享（LSA）方式下，每一个要使用频谱共享频段的用户必须获得授权，主要由频谱资源数据库和频谱共享控制器两个功能模块组成。

9.邻近服务

能使位置相邻的终端用户在网络控制或不控制的情况下直接通信，增强网络覆盖、联合发送接收。

D2D通信技术，分簇化集中控制的5G网D2D通信分为集中式和分布式，其无线资源管理包括D2D通信设备发现、模式选择、功率控制、资源分配，复用模式下三者要相结合。

10.无线mesh

未来，回传资源多样化，微基站位置难以预测，需要支持各种不同特性的业务。5G无线回程管理与优化技术包括回传网关优化与管理、拓扑管理和优化、回传网络资源管理和调度。

4、5G无线接入网设计原则与网络架构

1. 5G无线网络设计原则

融合、灵活、智能、高效

2. 5G无线网络逻辑架构

5G无线网络功能选择 包括通用网络功能和专用网络功能，综合考虑计算复杂度与性能提升、集中功能与分布功能、慢速控制与快速控制、信令负荷与性能提升之间的均衡问题。

逻辑架构分为集中式逻辑架构与分布式逻辑架构。

3. 5G无线网络部署架构

未来5G无线物理网络将是一个多拓扑形态、多层次类型、动态变化的网络，具有平台连接多样化、承载方式多样化和拓扑结构多样化的特点。

部署综合考虑业务应用属性、网络功能时延要求、特殊业务属性、网络环境条件等多重因素。

5、典型场景下5G无线接入网部署策略

1.热点高容量场景下5G智能无线网络部署策略

需要解决系统干扰问题、移动信令负荷和系统顽健性、系统成本与能耗、低功率基站即插即用、轻量级用户小基站。

网络设计部署方面遵循无线网络功能部署总体原则，充分结合实际网络环境和设备平台条件。

2. 低时延高可靠场景下5G智能无线网络

提供1ms空口时延、毫秒级端到端时延和接近100%的业务保证

对现有蜂窝架构进一步扁平化，充分利用新模型优势，除了提升单RAT单孔口传输可靠性、还应充分利用未来异构网络特点，充分利用多空口在频率、空间上的多样性，提升传输可靠性。

四、5G无线接入网多协同与技术融合技术

1、移动网络与WLAN核心网侧互操作

WLAN接入EPC，WLAN分为非可信与可信网络接入

用户在移动网络接入和WLAN接入间进行业务切换时，分为无缝分流和非无缝分流。接入网发现和选择功能（ANDSF）是一个重要的网元功能模块

2、移动网络与WLAN无线网侧互操作

3、移动网络与WLAN无线网侧PDCP层融合

按照LTE与WLAN之间的回传场景分为LTE/WLAN共站部署场景和LTE/WLAN不共站部署场景

4、基于IPSec隧道的LTE/WLAN无线集成

5、基于MP-TCP的多连接技术

MP-TCP技术将传统TCP协议层分为MP-TCP子层和Subflow（TCP）子层构成，具有高度灵活性。