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OneMO模組說:5G網絡框架及演進方案

2019-07-26 11:28 媒體投稿

導讀:7月我們圍繞5G分享了關于邊緣計算、Massive MIMO、網絡切片等核心技術要點,本期我們將圍繞5G接入網和核心網展開深入探討。長文,預計閱讀約15分鍾。

5G模組自公開發布以來,後台收到許多小夥伴的咨詢,感謝大家對OneMO 5G模組的踴躍關注,我們將從7月31日起陸續送樣!請還未填寫樣片申領信息的小夥伴,掃描下方二維碼!

申請規則:

(1)由于數量有限,申領限3片以下;

(2)樣片稀缺,暫不支持無償申領;

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隨著5G研究的深入和普及,對于5G具備的能力已達成基本共識:滿足增強的移動互聯網應用需求,擁有更高體驗速率和更大帶寬接入的能力;滿足車聯網、遠程醫療、應急通信、工業控制等垂直行業應用需求,擁有低時延、高可靠的信息交互能力,具備承擔高時效、高精密、高安全需求業務的能力;滿足物聯網設備互聯互通的應用需求,擁有更高連接密度、更簡單信令交互的能力,支持大規模、低成本、低功耗物聯網設備的高效接入和管理。

爲了滿足這些苛刻的體驗、效率和性能的要求,5G必須要構建一個資源全共享、功能易編排、業務緊耦合的網絡平台。因此,5G網絡架構就必須全面深入優化。

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圖1 4G LTE網絡典型架構圖

蜂窩通信系統的網絡可以劃分成接入網(RAN)核心網(CN)兩部分,無線接入網主要由基站組成,爲用戶提供無線接入功能;核心網主要由基站管理器、網關、計費系統組成,主要爲用戶提供網絡接入服務和管理功能,在4G LTE系統中,基站和核心網分別叫eNB和EPC。

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圖2 4G向5G演進網絡架構變化圖

5G系統由接入網(AN)和核心網(5GC)組成,若考慮NSA(非獨立組網)場景,則還需要考慮4G的網元。5G網絡在傳統4G LTE網絡的基礎上進行了優化處理,網元呈現虛擬化、雲化。

一、主要網元及功能

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圖3 各網元主要功能

5G網元的功能劃分如圖所示。NG-RAN包含gNB或ng-eNB節點,5GC包含AMF,UPF和SMF三個功能模塊。

gNB/ng-eNB

小區間無限資源管理InterCell Radio Resource Management(RRM)

無線承載控制RadioBear(RB)Control

連接移動性控制Connection Mobility Control

測量配置與規定MeasurementConfiguration and Provision

動態資源分配DynamicResource Allocation

AMF

NAS安全Non-AccessStratum(NAS) Security

空閑模式下移動性管理IdleState Mobility Handling

UPF

移動性錨點管理 MobilityAnchoring

PDU處理(與Internet連接)PDUHandling

SMF

用戶IP地址分配 UE IPAddress Allocation

PDUSession控制

主要網元功能實體 (NF):

UE: 用戶終端設備User Equipment (UE)

RAN: 接入網絡(Radio) Access Network (RAN)

AMF: 接入及移動性管理功能Access and Mobility Management Function

UPF: 用戶面功能User plane Function (UPF)

AUSF: 鑒權服務功能Authentication Server Function

DN: 數據網絡Data Network (DN), 比如運營商業務,互聯網接入或者第三方業務等。

UDFS: 非結構性數據存儲功能Unstructured Data Storage Function

NEF: 網絡業務呈現功能Network Exposure Function (NEF)

NRF: 網元數據倉庫功能NF Repository Function (NRF)

NSSF: 網絡切片選擇功能Network SliceSelection Function (NSSF)

PCF: 策略控制功能Policy Control function (PCF)

SMF: 進程管理功能Session Management Function (SMF)

UDM: 統一數據管理功能Unified Data Management (UDM)

UDR: 統一數據倉庫功能Unified Data Repository (UDR)

AF: 應用層功能Application Function (AF)

EIR: 5G設備標識注冊設備5G-Equipment Identity Register (5G-EIR)

二、5G接入網

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圖4 5G接入網無線協議棧結構示意圖

移動的雲引擎是無線接入網一系列RAN功能的雲化組合,其中的關鍵是軟硬件解耦,各功能網元可部署在通用的COTS上,從而實現NFV架構,達到資源池化、彈性、可伸縮性等雲化特征。簡單的來說就是將各網元以軟件包的形式安裝到一在雲服務器上。

爲了進一步提高5G移動通信系統的靈活性,接入網不再是由BBU、RRU、天饋系統組成了,而是被重構爲3個功能實體——CU、DU、AAU:

CU(CentralizedUnit,集中單元):原BBU的非實時部分將分割出來,重新定義爲CU,負責處理非實時協議和服務;

DU(DistributeUnit,分布單元):BBU的剩余功能重新定義爲DU,負責處理物理層協議和實時服務;

AAU(Active AntennaUnit,有源天線單元):BBU的部分物理層處理功能與原RRU及無源天線合並爲AAU。

AN有兩種:

gNB,爲UE提供NR用戶面和控制面協議終結點;

ng-eNB,爲UE提供E-UTRA的用戶面和控制面協議的終結點。

一般來說一個gNB-DU只連接一個gNB-CU。但是爲了實現的靈活性,每個gNB-DU也可能連接到多個gNB-CU。gNB CU中的控制面和用戶面是分離的,一般只有一個CP,但是允許有多個UP。需要注意的是,gNB-CU及連接的若幹gNB-DU是作爲一個整體邏輯gNB對外呈現的,且只對其他的gNB和所相連的5GC可見。

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圖5 4G向5G網絡演進接入網結構變化圖

DU和CU共同組成gNB,每個CU可以連接1個或多個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景和不同的通信需求,由此帶來的好處如下:

o 對現有RAN架構進行分離可以有效降低前傳帶寬的需求;

o RANCU內部的移動性不可見,從而降低CN的信令開銷和複雜度;

o 采用CU將控制協議和安全協議集中化後,CU的出現更加適應NFV的架構實現Cloud RAN,增加了RAN側的功能擴展性。

三、5G核心網

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△5G系統服務架構△

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△非漫遊5G系統架構參考點△

圖6 5G核心網網絡架構

表1 5G核心網網絡功能

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5G核心網構架主要包含三大關鍵技術:SBA、CUPS和網絡切片,這是最終實現化整爲零、由硬變軟的徹底演進。

SBA

SBA(ServiceBased Architecture),即基于服務的架構。它基于雲原生構架設計,借鑒了IT領域的“微服務”理念,將設備功能“打散”。

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傳統網元是一種緊耦合的黑盒設計,NFV(網絡功能虛擬化)從黑盒設備中解耦出網絡功能軟件,但解耦後的軟件依然是“大塊頭”的單體式構架,需進一步分解爲細粒度化的模塊化組件,並通過開放API接口來實現集成,以提升應用開發的整體敏捷性和彈性。

核心網功能模塊化,包括控制面及用戶面,以庫的方式調用,控制面功能模塊包括移動性管理、策略控制、用戶數據、會話控制等等,用戶面功能模塊包括話單、轉發、業務感知、數據優化等等,這些功能模塊就是被“打散”後庫的內容,網絡根據不同的需求做功能的裁剪和選擇。簡單的來說,微服務就是指將Monolithic拆分爲多個粒度更小的微服務,微服務之間通過API交互,且每個微服務獨立于其他服務進行部署、升級、擴展,可在不影響客戶使用的情況下頻繁更新正在使用的應用。

基于這樣的設計理念,傳統網元先轉換爲網絡功能(NF),然後NF再被分集爲多個“網絡功能服務”。

那麽,SBA其實也就是網絡功能服務和基于服務的接口的組合體。

CUPS

CUPS(Controland User Plane Separation),即控制與用戶面分離。目的是讓網絡用戶面功能擺脫“中心化”的囚禁,使其既可靈活部署于核心網(中心數據中心),也可部署于接入網(邊緣數據中心),最終實現可分布式部署。

事實上,核心網一直沿著控制面和用戶面分離的方向演進。比如,從R7開始,通過DirectTunnel技術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,用戶面數據流量直接繞過SGSN在RNC和GGSN之間傳輸。到了 R8,出現了MME這樣的純信令節點,只是到了4.5G和5G時代,這一分離的趨勢更加徹底,也更加必要,其中一大原因就是,爲了滿足5G網絡毫秒級時延的KPI。

數據要在相距幾百公裏以上的終端和核心網之間來回傳送,顯然是無法滿足5G毫秒級時延的,由于物理距離受限,因此需將內容下沉和分布式的部署于接入網側(邊緣數據中心),使之更接近用戶,降低時延和網絡回傳負荷。

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圖7 數控分離演進路線

網絡切片

5G服務是多樣化的,包括車聯網、物聯網、遠程醫療、VR/AR等,網絡能力面臨衆口難調的局面,因此需要把網絡切成多個虛擬且相互隔離的子網絡,分別服務于不同的業務。

因爲需求多樣化,所以要網絡多樣化;因爲網絡多樣化,所以要切片;因爲要切片,所以網元要能靈活移動;因爲網元靈活移動,所以網元之間的連接也要靈活變化。

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圖8 5G網絡切片應用示意圖

所以,把網絡拆開、細化,就是爲了更靈活地應對場景需求。切片,簡單來說,就是把一張物理上的網絡,按應用場景劃分爲N張邏輯網絡。不同的邏輯網絡,服務于不同場景。不同的切片,用于不同的場景,網絡切片,可以優化網絡資源分配,實現最大成本效率,滿足多元化要求。

四、5G網絡演進方式

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圖9 5G組網方式分類

現網中實際部署5G網絡時,分爲獨立和非獨立組網兩種形式。

獨立組網模式(SA):指的是新建5G網絡,包括新基站、回程鏈路以及核心網。SA引入了全新網元與接口的同時,還將大規模采用網絡虛擬化、軟件定義網絡等新技術,並與5GNR結合,同時其協議開發、網絡規劃部署及互通互操作所面臨的技術挑戰將超越3G和4G系統。

非獨立組網模式(NSA):非獨立組網指的是使用現有的4G基礎設施,進行5G網絡的部署。基于NSA架構的5G載波僅承載用戶數據,其控制信令仍通過4G網絡傳輸。

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圖10 5G全系組網方式彙總

對于5G的網絡架構,在3GPP TSG-RAN 第72次全體大會上,提出了8個選項,如上圖所示,其中選項1/2/5/6爲獨立組網方式,選項3/4/7/8位非獨立組網方式。

選項1:目前LTE的組網方式,5G的部署是以此爲基礎的。

選項2:純5G網絡,完全由gNB NGC組成,需要完全替代LTE系統的基站和核心網,同時還要保證覆蓋和移動性等,部署耗資巨大,很難一步完成,是5G網絡部署的終極目標之一。

選項3:EPC+eNB(主)/gNB的方式組網,網絡先演進無線接入網,核心網使用LTE的,場景以eNB爲主基站,控制面信令由eNB轉發,LTE eNB和NR gNB采用雙連接的形式爲用戶提供高傳輸數據速率服務,可以有效降低初期的部署成本,主要是前期部署在熱點區域,增加系統吞吐量。

選項4:NGC+eNB/gNB(主)的方式組網,同時引入NGC和GNB,與LTE采取兼容的方式部署,核心網采用5G NGC,eNB和gNB都連接至NGC,基站以gNB爲主,同樣是采用雙連接的方式爲用戶提供高速率數據業務服務,LTE網絡負責保證覆蓋,5G系統負責提高熱點地區的數據吞吐量。

選項5:NGC+eNB的混搭組網方式,主要應用在首先部署了5G核心網,並在NGC中實現了EPC功能,之後再逐步部署5G無線接入網的場景,

選項6:EPC+gNB混搭組網方式,主要應用于先部署了5G接入網,暫時采用EPC的場景,此種部署方式不能完全將5G的功能發揮出來,如網絡切片等。

選項7:NGC+eNB(主)/gNB的組網方式,此種方式中雖然完整部署了5G NGC和gNB,但數量較少,仍以LTE中的eNB爲主,控制面信令都由eNB轉發,eNB和gNB采用雙連接的方式爲用戶提供高數據速率服務。

選項:EPC+eNB/gNB的組網方式,運用5G基站將控制信令和用戶面數據傳輸至4G核心網,此種方式需要對4G核心網進行改造,成本較高,難度較大,因此在2017年3月發布。

中國移動向3GPP提交的4G LTE網絡演進到5G網絡路線的方案如下:

方案1:LTE/EPC -> 選項2 + 選項5 -> 選項 4/4a -> 選項 2

方案2:LTE/EPC -> 選項 2 +選項 5 -> 選項 2

方案3:LTE/EPC -> 選項3/3a/3x ->選項 4/4a-> 選項 2

方案4:LTE/EPC -> 選項 7/7a -> 選項 2

方案5:LTE/EPC -> 選項3/3a/3x -> 選項 1 +選項 2 + 選項7/7a-> 選項2 + 選項5

從目前現網情況來看,最有可能的兩條演進路線爲:

LTE/EPC -> 選項3X -> 選項4 -> 選項 2

LTE/EPC -> 選項3X -> 選項4 -> 選項 7X -> 選項 2

NSA選用選項3x,以實現快速部署NR,5G的核心網部署之後,如果NR覆蓋好,則跳過選項7x,如果NR覆蓋不好,則使用用選項7x過度,LTE繼續做錨點。

無論哪種方式,演進的基本思路都是以LTE爲基礎,逐步引入5G RAN和NGC,部署初期以雙連接爲主,LTE用于保證覆蓋和切換,熱點地區部署5G基站,提高系統的容量和吞吐率,最後逐步演進,直到全面進入5G時代。

五、5G網絡框架特點總結

o 核心網功能分離:核心網用戶面部分功能下沉到CO(中心機房,相當于4G網絡的eNB),從原來的集中式核心網演變成分布式核心網,使得核心網功能在地理上更靠近終端,減少時延;

o 分布式應用服務器(AS):AS部分功能下沉至CO,並在CO部署MEC(Mobile EdgeComputing移動網絡邊界計算平台),MEC類似于CDN(內容分發網絡)的緩存服務器功能,它將應用、處理和存儲推向移動邊界,使得海量數據可以得到實時、快速處理,減少時延、減輕網絡負擔;

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 網絡功能虛擬化(NFV,Network FunctionVirtualization):網路中的專業電信設備軟硬件功能轉移到虛擬機(VMs,Virtual Machines)上,比如核心網中的MME,S-GW、P-GW、PCRF等,在通用的商用服務器上通過軟件來實現網元功能;

o 軟件定義網絡(SDN):網絡通過SDN連接邊緣雲和核心網裏的VMs,SDN控制器執行映射,建立核心網雲與邊緣雲之間的連接,其中網絡切片也由SDN集中控制,SDN、NFV和雲技術使網絡從底層物理基礎設施分開,變成更抽象靈活的以軟件爲中心的架構,可以通過編程來提供業務連接;

o 網絡切片:網絡根據面向的不同的應用場景,比如大速率、低時延、海量連接、高可靠性等等,將網絡切割成滿足不同的需求的虛擬子網絡,每個虛擬網絡的移動性、安全性、時延、可靠性,甚至計費方式等都不一樣,虛擬自網絡之間在邏輯上相互獨立,以滿足不同的應用場景需求,實現網絡切片的關鍵是NFV和SDN。

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