發(fā)布時間：2020-06-07所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：4G 網(wǎng)絡已進入深耕細作階段，而 5G 網(wǎng)絡規(guī)模建設(shè)已經(jīng)到來。筆者從網(wǎng)絡架構(gòu)上比較 4G 網(wǎng)絡和 5G 網(wǎng)絡架設(shè)的不同理念， 從網(wǎng)元組成上指出兩者不同的產(chǎn)生方式，介紹基于萬物互聯(lián)的5G新技術(shù)，以及現(xiàn)階段 4G/5G 網(wǎng)絡協(xié)同建設(shè)策略。在分析比較的基礎(chǔ)上，進一
摘要：4G 網(wǎng)絡已進入深耕細作階段，而 5G 網(wǎng)絡規(guī)模建設(shè)已經(jīng)到來。筆者從網(wǎng)絡架構(gòu)上比較 4G 網(wǎng)絡和 5G 網(wǎng)絡架設(shè)的不同理念， 從網(wǎng)元組成上指出兩者不同的產(chǎn)生方式，介紹基于萬物互聯(lián)的5G新技術(shù)，以及現(xiàn)階段 4G/5G 網(wǎng)絡協(xié)同建設(shè)策略。在分析比較的基礎(chǔ)上，進一步提出從 4G 到 5G 的獨立組網(wǎng)和非獨立組網(wǎng)的的兩種演進方式。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡體系;功能單元;接口;演進;4G/5G 協(xié)同
引 言
依托大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，人類社會正從信息時代跨入智能時代，開始第四次工業(yè)革命，這一切將驅(qū)動人類社會邁向發(fā)展的新紀元。5G 已經(jīng)成為全球移動通信新一輪信息技術(shù)變革的重點，不同于以往的移動通信系統(tǒng)，5G 超越了移動通信的范疇，帶來的不僅僅是網(wǎng)速變快，還將連接萬物，與物聯(lián)網(wǎng)和人工智能結(jié)合，帶動產(chǎn)業(yè)和社會變革。當前 4G 方興未艾，而 5G 已經(jīng)到來，我們需考慮二者的協(xié)同發(fā)展思路，在二者共存期間，既要利用 4G 網(wǎng)絡的現(xiàn)有優(yōu)勢，又要發(fā)揮 5G 網(wǎng)絡的全新能力，讓兩者發(fā)揮更大的合力，創(chuàng)
造更多價值。
一 4G網(wǎng)絡整體結(jié)構(gòu)
4G 網(wǎng)絡系統(tǒng)采用扁平化的結(jié)構(gòu)，E-UTRAN(無線接入網(wǎng))部分僅包含類似 3G 接入網(wǎng)中的 NodeB(基站網(wǎng)元)，只是一個 eNodeB(演進的基站)。 整個4G 網(wǎng)絡系統(tǒng)由 EPC(演進的分組核心網(wǎng)) 、eNB(演進的基站)和 4G UE(用戶設(shè)備)三部分組成，而其中的 EPC 和 E-UTRAN 組成了 EPS (演進的分組系統(tǒng))。 EPS 系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。 圖一 EPS系統(tǒng)架構(gòu)
1.1 網(wǎng)絡功能單元分析
4G 的 EPC，負責移動性管理，用戶身份的驗證，用戶數(shù)據(jù)的傳輸管理等，它主要包括 MME(移動管理實體)、SGW(服務網(wǎng)關(guān))和 PGM(分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān))等網(wǎng)元。其主要網(wǎng)元功能如下：
a)MME 主要的功能就是移動性管理、承載管理、用戶的鑒權(quán)認證。 作為控制面功能實體的MME，它管理和存儲用戶終端 UE相關(guān)信 息，并且還為用戶分配臨時標識，及時處理 MME 和UE之間的所有非接入層消息。
b)SGW 是一個負責用戶面功能的實體，它與UE終端通過接口相連，完成用戶面數(shù)據(jù)包的路由端轉(zhuǎn)發(fā)。它還終結(jié)無線接口空閑狀態(tài)時的下行數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡的尋呼消息給予支持，管理和存儲 UE 的承載信息。
c)PGW，它主要起到網(wǎng)關(guān)作用，通過它可以和多種不同的外部數(shù)據(jù)網(wǎng)進行互連。PGW 還負責為用戶分配IP地址，UE也是通過它接入外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng) PDN 的。在 4G網(wǎng)絡中，同一用戶可以同時接入多個 PGW 而使用不同的服務。
d)HSS(歸屬用戶服務器)，主要用來存儲用戶的鑒權(quán)信息、位置信息及漫游方面的信息等。
e)PCRF(策略和計費規(guī)則功能實體)，它能夠進行策略控制決策，實現(xiàn)基于流計費控制的功能。它還能夠根據(jù)用戶簽約信息和業(yè)務相關(guān)要求產(chǎn)生 QoS(服務質(zhì)量)規(guī)則對用戶數(shù)據(jù)傳遞進行更好控制。
4G 系統(tǒng)的無線部分，也就是 E-UTRAN，它主要包括 eNB，和之前 3G 系統(tǒng)的 NodeB 的功能以及部分核心網(wǎng)的功能。它主要負責無線接入、連接的移動性控制。它還對 UE 進行動態(tài)資源分配，對用戶數(shù)據(jù)進行壓縮加密， 為 UE 選擇 MME 和 S-GW 進行信令和數(shù)據(jù)傳輸。
1.2 4G接口分析
接口是網(wǎng)絡中不同的網(wǎng)元之間互相連接的通道。 4G-LTE 空中接口(Uu 接口)完成 UE與eN-odeB之間的無線數(shù)據(jù)的交換;X2接口則完 E-U-TRAN系統(tǒng)內(nèi)eNB之間的信令交互。基站 eNB 與MME之間通過 S1-MME 進行SM(會話管理)和 MM(移動性管理)信息的傳送;基站 eNB 與 SGW 之間傳送用戶數(shù)據(jù)包是通過 S1-U接口建立隧道來實現(xiàn)的。核心網(wǎng)元 MME-SGW之間通過 S11接口采用GTP(隧道協(xié)議)建立隧道，傳送信令，搭建控制面與用戶面的橋梁。而 MME與 HSS之間通過S6a接口，完成用戶位置信息的交換和用戶簽約信息的管理。為了實現(xiàn) 4G 網(wǎng)絡的漫游，在不同的 MME 之間通過 S10 接口采用 GTP 建立隧道，傳送信令。在用戶面 SGW 與 PGW 之間通過 S5 / S8接口傳送數(shù)據(jù)包，采用的也是 GTP 協(xié)議。另外，PGW還通過 SGi 接口利用 TCP / IP 協(xié)議與外部應用服務器之間進行數(shù)據(jù)傳送。
二 5G網(wǎng)絡整體結(jié)構(gòu)
(一)5G云架構(gòu)
當前云技術(shù)、SDN技術(shù)得到快速發(fā)展，5G移動通信網(wǎng)絡作為前沿性技術(shù)，其可對依賴于網(wǎng)絡技術(shù)生存的企業(yè)等做出巨大貢獻。在對5G網(wǎng)絡進行構(gòu)建時，將SDN技術(shù)融合到系統(tǒng)的組網(wǎng)過程中，可簡化通信網(wǎng)絡的傳輸流程，并可實現(xiàn)拓展型管理。此種模式下的網(wǎng)絡組成一般為接入云、局域云、本地云。
接入云(AC)在網(wǎng)絡系統(tǒng)中應用時，依托于AP接口、交換器、路由器、控制器等協(xié)調(diào)工作模式來完成數(shù)據(jù)信息的傳輸。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡內(nèi)進行傳輸時，通過AP接口將數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)浇粨Q器內(nèi)，此時控制器利用集成化模塊對交換器、AP等進行處理，并以此作為的網(wǎng)絡策略點。當用戶單元在網(wǎng)絡系統(tǒng)內(nèi)要完成漫游通信協(xié)議時，可利用系統(tǒng)內(nèi)的業(yè)務處理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，此過程無須進行局域網(wǎng)絡的傳輸。
局域云(D-EPC)是對數(shù)據(jù)流量進行分化管理，一般包括數(shù)據(jù)中心庫、疏導模塊、路由器等。其中路由器是針對局域網(wǎng)絡內(nèi)的三層信息傳輸而設(shè)立的，可實現(xiàn)網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸，在疏導模塊的作用下， 使數(shù)信息的傳輸途徑與用戶單元通信通道進行精準對接， 同時可保證數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臅r效性。
本地云(C-EPC)一般以數(shù)據(jù)信息的存儲于運算為主，在集中模塊、控制模塊、功能模塊、服務模塊的作用下，對5G通信網(wǎng)絡內(nèi)用戶單元的數(shù)據(jù)傳輸與接入量進行精準監(jiān)控。同時可對跨網(wǎng)絡節(jié)點、目標動態(tài)切換的用戶進行集成化管控
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(二)控制器架構(gòu)
5G移動通信網(wǎng)絡具有融合性、多網(wǎng)性、覆蓋性等優(yōu)勢，在SDN技術(shù)支持下，可使網(wǎng)絡系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)效率傳輸。 當前5G網(wǎng)絡架構(gòu)一般以雙層架構(gòu)、分層架構(gòu)、控制架構(gòu)、無線架構(gòu)為主。雙層式是指我網(wǎng)絡架構(gòu)以網(wǎng)絡云、無線網(wǎng)為主，在兩者的作用下，將通信網(wǎng)絡系統(tǒng)內(nèi)的蜂窩節(jié)點傳輸模式進行融合，以提升數(shù)據(jù)幀的傳輸數(shù)量和異構(gòu)融合度。在雙層式網(wǎng)絡架構(gòu)中，可對數(shù)據(jù)信息的傳輸進行動態(tài)展示，以降低數(shù)據(jù)傳輸層中的冗余能力，進而使系統(tǒng)得到簡化型協(xié)議棧。分層架構(gòu)則是以用戶控制模塊、基層控制模塊、 網(wǎng)絡控制模塊組成。在用戶控制模塊的作用下，可使無線接入設(shè)備、D2D調(diào)制、協(xié)議訪問等。網(wǎng)絡控制模塊是對網(wǎng)絡系統(tǒng)進行綜合控制，并對各控制模塊發(fā)送相應的指令，以保證數(shù)據(jù)管理、通信協(xié)議、費率計算等進行精準運算。控制架構(gòu)是以5G異構(gòu)網(wǎng)絡為基準構(gòu)建起來的，其包括基層控制層、中間監(jiān)管層、高層控制層為主。基層控制層主要是以5G網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶單元為主，對用戶的數(shù)據(jù)信息初始狀態(tài)進行控制;中間監(jiān)管層則是對網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)的虛擬環(huán)境進行監(jiān)管，確保數(shù)據(jù)信息傳輸信道可在監(jiān)管范圍內(nèi)，其建構(gòu)的虛擬網(wǎng)絡傳輸信息還可為高層控制層提供精準的信息服務;高層控制層主要控制局域區(qū)圖， 針對網(wǎng)絡協(xié)議的傳輸路徑進行算法控制，以精準分辨出網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)的信息對接模式。此種關(guān)聯(lián)性監(jiān)管的方式，可對數(shù)據(jù)信息在各階層內(nèi)的傳輸模式進行研究，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性和精準性。
三 4G/5G 網(wǎng)絡協(xié)同建設(shè)思路
目前，中國三大運營商均將2020年設(shè)為5G正式商用元年。由于 5G 網(wǎng)絡部署在高頻段，需要建設(shè)大量的基站和投入大量的資金，因此 5G 網(wǎng)絡的完善將是一個較漫長的過程。此外5G終端的普及5G 業(yè)務的培育也需要一定的周期，可以預見今后 2~3 年內(nèi),4G/5G/Wi-Fi 等多種網(wǎng)絡將長期共存。因此著手5G網(wǎng)絡部署的同時，需要考慮 4G 網(wǎng)絡的協(xié)同建設(shè)問題。從 5G 應用成熟度來看，增強移動寬帶(Enhance Mobile Broadband，eMBB)業(yè)務成熟度高，將是5G初期的聚焦業(yè)務，包括高清視頻 / 游戲、高清監(jiān)控、AR/VR(Augmented Reality，增強現(xiàn)實技術(shù) /Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實技術(shù))等。因此 5G 建網(wǎng)初期主要考慮 eMBB 業(yè)務的部署。
(1)5G 技術(shù) 4G 化，發(fā)掘 4G 基站潛力
在高流量或高價值區(qū)域，通過在 4G 基站應用 Massive MIMO、高階調(diào)制、宏微協(xié)同、超密集組網(wǎng)等 5G 技術(shù)， 利用 5G 技術(shù) 4G 化在不增加站址、頻率的情況下，大幅提升4G 基站的網(wǎng)絡容量，有效對高流量區(qū)域?qū)嵤┓至鳌?/p>
(2)5G 初期覆蓋區(qū)域的選擇
由于 5G 建網(wǎng)初期主要針對 eMBB 業(yè)務，建議優(yōu)先考慮在現(xiàn)有 4G 網(wǎng)絡高流量、高價值區(qū)域和品牌影響區(qū)域部署 5G網(wǎng)絡，優(yōu)先提升高流量、高價值區(qū)域的用戶使用感知，打造5G 品牌效應。
(3)4G/5G 站址、機房、天面、傳輸?shù)扰涮踪Y源協(xié)同
為充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡資源，加快網(wǎng)絡部署進度和提升投資收益，建議優(yōu)先在現(xiàn)有的 4G 宏基站站址上新建 5G 基站。由于現(xiàn)網(wǎng)站址均為多家運營商共享天面，5G 對天面的要求和方式發(fā)生較大變化，而鐵塔天面資源緊張，新增可用天面資源有限，因此需對天面資源進行整合，盡可能將 2G/3G/4G都整合到一副天線里面，騰出空間獨立部署 5G AAU，減少5G 部署難度，提高工程可行性。在機房、傳輸?shù)扰涮踪Y源方面，需啟動資源整合儲備工作，綜合考慮 4G/5G 需求，降
低重復建設(shè)節(jié)省投資。
(4)5G 無線網(wǎng) CU/DU 架構(gòu)與現(xiàn)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的協(xié)同
與現(xiàn)有 4G 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)有效協(xié)同，5G 無線網(wǎng)的 CU/DU 優(yōu)先安裝在 4G 網(wǎng)絡原 BBU 局址機房，資源緊缺及改造難度大時，可考慮在光交箱側(cè)新建室外一體化機柜設(shè)置 CU/DU 匯聚光交附近基站。
四 4G 網(wǎng)絡架構(gòu)到 5G 的演進
從以上的分析，可以看到4G網(wǎng)絡的不足，所有設(shè)備都連接到具有相似網(wǎng)絡參數(shù)(例如延遲，容量，吞吐量等)的核心網(wǎng)絡。所謂的網(wǎng)絡優(yōu)化也是針對特定的部署場景進行優(yōu)化，而不是針對不同的用例。
而5G網(wǎng)絡的特征是通過 NFV、SDN、網(wǎng)絡切片等技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)分離化、網(wǎng)絡虛擬化、部署分布化動態(tài)配置資源，網(wǎng)絡功能軟件模塊化，從網(wǎng)元接口轉(zhuǎn)變?yōu)檐浖δ苣K接口，網(wǎng)絡可編程。控制面與用戶面分離，支持控制面和用戶面的獨立演進和部署。針對不同業(yè)務場景，網(wǎng)絡功能可裁剪，實現(xiàn)以業(yè)務為導向的網(wǎng)絡設(shè)計和部署。4G網(wǎng)絡演進到5G網(wǎng)絡有兩種路徑，一種是保留 4G 網(wǎng)絡逐步過渡，另外一種是建設(shè)全新5G網(wǎng)絡，其實也就是5G的SA(獨立組網(wǎng))模式和 NSA(非獨立組網(wǎng))模式。5G的SA(獨立組網(wǎng)模式)：新建5G網(wǎng)絡，包括新基站、回傳網(wǎng)絡和核心網(wǎng)。SA 引入全新網(wǎng)元與接口，將大規(guī)模采用網(wǎng)絡虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡等新技術(shù)，實現(xiàn)全面的 5G 服務。
優(yōu)點：SA將是主流部署方式，SA 基站單站價格更有優(yōu)勢，SA可滿足5G高可靠、低時延要求。NSA(非獨立組網(wǎng))模式： 利用現(xiàn)有的4G基礎(chǔ)設(shè)施，架設(shè)新的5G 基站做補充，進行 5G網(wǎng)絡的部署，5G無線網(wǎng)僅承載用戶數(shù)據(jù)，其控制信令仍通過4G 網(wǎng)絡傳輸。
優(yōu)點：NSA 有4G網(wǎng)絡基礎(chǔ)，無需建設(shè)新的核心網(wǎng)，能快速擴大5G覆蓋范圍。通過以上對NSA與SA 網(wǎng)絡架構(gòu)技術(shù)差異的分析，可以看到雖然NSA組網(wǎng)可以充分利用4G網(wǎng)絡基礎(chǔ)，部署速度更快。但是，只有SA才可以充分發(fā)揮5G網(wǎng)絡低時延、大連接的特點，有能力引入網(wǎng)絡切片、邊緣計算等一系列新技術(shù)，可以為各行業(yè)的應用打開空間。
五、結(jié)束語
盡管5G的腳步越來越近，但 4G網(wǎng)絡在今后較長的一段時間內(nèi)仍是中國電信當前移動業(yè)務的主要承載網(wǎng)絡，只有建設(shè)5G網(wǎng)絡的同時進一步提升4G網(wǎng)絡質(zhì)量，充分考慮網(wǎng)絡向5G順利演進，推進網(wǎng)絡智能化轉(zhuǎn)型，創(chuàng)建網(wǎng)絡優(yōu)勢，才能更利于移動業(yè)務的持續(xù)快速增長，在激烈的市場競爭中實現(xiàn)企業(yè)既定的發(fā)展目標。
