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5G网络新技术及核心网架构探讨


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M 现代电信科技

ODERN SCIENCE & TECHNOLOGY OF TELECOMMUNICATIONS

5G 网络新技术及核心网架构探讨
月 球, 王晓周, 杨小乐

>(中国移动通信集团设计院有限公司, 北京 100080)

应用前景、 关键技术及核心网架构等方面分析了 5G 了重点阐述, 探讨了统一扁平 IP 网络架构及纳米核 心网技术等方面的实现及优点。 关键词:5G, 扁平化 IP 网络架构, 纳米核心网 Abstract:This paper firstly explains the 5G mobile tors, applications, key technologies and core network 通信系统。其中, 对 5G 核心网架构及相关技术进行

摘要: 结合 5G 的网络 需求 , 从 基 本概 念、 关键 指标 、

1 引言
第五 代 通信 系 统(5G) 是 为 面 向 2020 年 信息 社 会 服务 的无线通信 系 统,其 概念 在 2001 年由日 本 NTT 公司提出, 我国的 5G 概念则是于 2012 年 8 月在 中国国际通信大会上被提出。 目前, 虽然 5G 通信技术 还没有统一的制式标准, 但其相关概念及趋势已经得 到业界的认可。 移动通信产业生态的变化, 使未来移动通信不再 仅仅 追 求 更高速率 、 更大 带宽、 更 强 能力 的 空 中 接 口 技术, 而是以用户为中心的智能弹性网络。未来, 人们 之 间 的通信 速率 可以 在 任何 时 间 ,任何 地 点 达到 1 Gbit/s, 峰值速率甚至能到达 50 Gbit/s (下行) 。 此外, 用 户 还 能 获 得 更高 的 移动 数据 容 量 (1 000 倍) 、 更长的 电 池 使 用寿命 、 更 低的 功 耗 的设 备 (10 倍 以上) 、 更多 的 终端 连 接 设 备 (100 倍) 、 更 低的 时延 (小 于 1ms) 以 及 在 500 km/h 高速 行驶 的 火 车上 体验 类 似 于 静 止 的 通信体验。5G 网络将是一个完整的无线通信系统, 没 有任何限制, 因此, 也有人将 5G 网络称为真正的无线 世 界 或者世 界 级 无线网 (WWWW: World Wide Wire2014 年 12 月第 12 期 现代电信科技

network. Then in combination with the 5G requirements, from the points of basic concepts, key indicaarchitecture, it analyses all aspects of the 5G commucially focus on the 5G core network architecture and tion and advantages of Flat IP Network and Nanocore technology and etc.. geneous Nanocore Keywords: 5G, flat IP Network Architecture, Heterorelated technologies, which discusses the implementa-

nication system. In all the analysis, this paper espe-

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less Web) 。 与目前 的 4G 网络相 比, 5G 网络 在 技术上有 着 更高的标准 (如表 1 所示) 。
表 1 4G/5G 网络对比
4G (现阶段) 标准完成情况 标准已基本完成 5G (2020 年) 标 准 需 5 ~6 年 后 才 能 确定

· 环境 监测 和智 慧农 业: 通 过 5G 时代 “万物互 联” 的物联网系统及边缘地区的无缝覆盖, 人们能对 联网的动植物、 山川、 水 域 等 进行 实 时监控, 以获 取 最新的环境数据, 并时刻掌握环境变化动态。 农民可 从卫星图片上查看全球农作物的长势,还可以观察 田间病虫害及旱涝情况, 并对产量作出预测。 · 应急通信:自然灾害将导致通信系统的瘫痪。 而 5G 网络能使瘫痪的通信系统在短时间内迅速 恢 复工作。 针对 5G 的愿景与需求,同时借鉴 目前通信 行 业的发展经验,表 2 列出了未来可能应用于 5G 网 络的关键技术。

速率

4G 网 络 能 够获得 100 任何 时 候任何地 点 至少 峰值速率 Mbit/s,峰 值速率可 达 达到 1 Gbit/s, 可达 50 Gbit/s 1 Gbit/s OFDM MIMO 分组 大 规 模 MIMO, 3D 波 束成 型、 有源天线系统(AAS) 分组

技术 交换方式

基站

主要采用宏蜂窝

宏蜂窝 和 微蜂窝混合组 网,大量 采 用 高 频 微蜂 窝提升系统容量

3 5G 核心网架构探讨
在目前的网络架构中, UE 更改分组数据网网关 (P-GW) 及 IP 地址时, 只能通过重新附着的方式, 无 法支持频繁的网间切换。同时, 固定锚定点的使用, 也造成了核心网路由的低效率。如果所有运营商都 能 通过 IP 网络 连接 到 一 个 拥有 巨 大 容 量 的 超 级 核 心网络, 则能大大 减少 连 接 成本, 降低 网络 复 杂 性, 同时可以减少端到端连接的网络实体数量和网络时 延。 未来, 5G 网络将是一个基于全 IP 和纳米核心网 技术的扁平化移动通信系统, 新的网络架构能给 UE 带 来 GW 之 间 的无 缝 切换, 而 不 受 GW 独 立 性限 制。 此 外 , 在 5G 通信系统中, 网络架构还包含一种 用户终端和各种独立的、 自动无线接入技术 (RAT) 。 3.1 扁平化 IP 网络 在 5G 时代, 基站将更加小型化, 具备更强 大 的 功能, 可以安装在各种场景, 并与周围环境更好地融 合; 对用户而言, 无论何时何地, 都可随意接入网络, 并保持永远在线。但在现阶段, 由于 EPC 网络使用 固定网元 P-GW 作为分层结构,不能 灵活拓 展, 无 法适应未来超高速的流量增长。 因此, 在未来的通信

融合

网络融合仍是问题

将很好地实现网络融合

回程技术

同 时 使 用用户接 入 和 回程电信网络 回程网络技术

数据来源: Professor T.Venkat Narayana Rao. 5g Technologies- An Anecdote of Network Service For The Future.Jgrcs,2011

2 5G 通信的应用展望及技术实现
5G 网络不仅传输速率更高, 而且在传输中呈现 出低时延、 高可靠 、 低功 耗 的 特点, 低功 耗 能更好 地 支持物联网应用, 如智慧医疗、 车联网等。 5G 网络使 人与人之间实现无缝连接,还可以进一步加强人与 物、 物与物之间的高速连接。 未来的应用将在多平台 环境下开发,基于 5G 网络超高的数据传输及无 感 知的时延, 会给人们带来全新的体验。 · 虚拟导航: 用户可以实时访问城市街道和建筑 物实景等大型地图数据库。 · 移动远程医疗: 用户可以在高速行驶的列车上 通过视频系统获得医生的协助。 28
MSTT December 2014

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表 2 5G 网络的关键技术
描述 毫米波技术 高阶 MIMO 使用 30 GHz-60 GHz 的频率范围作为短距离接入 16 或者更高的天线阵列 目标收益 为低移动性用户提供增加的频谱范围 对高密度低移动性用户提供容量的增加

D2D (设备到设备)

无需基站即 可实现通信终端之间 的直 接 通 信, 拓 展 了 信 道质 量 高 , 实现 频 谱 资 源 的 高 效 利 用, 同 时 提 升链 网络连接和接入方式 路灵活性和网络可靠性

SDN (软件定义网络)

将 路由器 中的 路由决策 等 控 制 功能从 设 备 中 分 离出 实现控制和 转发的分离, 使 控 制 更 为灵活 , 设 备更 为 来, 统一由中心控制器通过软件来进行控制 简单

NFV (网络功能虚拟化)

通过使用 x86 等 通用性硬件 以及 虚拟化 技术 , 来承 载 减少损耗; 增加灵活性 很多功能的软件处理 是 QAM 和 FSK 的混合调制, ICI (相邻信道干扰) 的统计 使用 FQAM , 静态的 ICI 分布成为非高斯分布 值可以通过干扰信号调制的变化而设计

FQAM 调制方式

微蜂窝

大量 使 用 基 于高 频、 小 覆盖 的 微蜂窝 , 实现 临 时 性 覆 提高资源利用率, 增加系统容量, 减少系统干扰 盖或室内覆盖

同时同频全双工技术

在相同的频 谱上, 通信的收发双方 同 时 发射 和 接 收 信 与传统的 TDD 和 FDD 双工方式相比, 从理论上可使 空 号 口频谱效率提高 1 倍 将一个资源分配给多个用户 提高资源利用率

NOMA (非正交多址接入)

3D-Beamforming (波束成形)

发射端对数 据先加权再发送,形 成窄 的发射 波 束 , 将 这 对 改善 小 区 边缘 用 户 吞 吐 率 特 别 有 效 。 Beam能量对准目标用户, 从而提高目标用户的解调信噪比 forming 可以获得阵列增益、 分集增益和复用增益。

数据来源: Emile YIN. POTENTIAL 5G TECHNOLOGIES. IMT-2020 (5G) ,2014

系统中, 将引入扁平化 IP 架构。 扁 平 化 IP 架构 提供了一 个 能 够 通 过 名 称 而 不 是 IP 地址来识别终端的方法,并根据 M-ICT 时代 的业务特性进行扁平化改造。如图 1 所示,扁平化 IP 架构通过分布云的移动核心信息传递功能、 分布 式软件架构和逻 辑 GW 及 网络 功能 虚拟 化等技术, 将垂直的网络架构演进为分布式的水平网络架构。 扁平化 IP 架构的转变, 将使运营商在性能和价 格方面, 获得一个更具竞争力的平台。例如, 扁平化 的 IP 架构可以减少数据通道中的网元数量, 降低运 营商的 CAPEX 和 OPEX; 减少数据信息在传输过程

中的损耗; 最大限度地缩短整个通信系统的时延, 使 系统够完整识别无线链路的任何时延;可以独立维 护和改善无线网及核心网, 在规划和部署网络时, 具 有更好的拓展性和灵活性。 3.2 纳米核心网技术 如图 2 所 示 , 纳 米核心 网 是纳 米 技术、 云计 算 、 全 IP 网络的融合。 (1) 纳米技术 纳 米 技术 指 的 是 将 纳 米 科 学 运 用 在 操 作 控 制 上, 将精度控制在 0.1~100 nm 的范围之内。纳米技
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调各种制式之间、 频段之间以及 小区之间的无线资源, 以显著提 升 用 户 在各 种 场 景 下 的数据 接 入能力。 通过将无线资源的管理 和调度功能云化, 按需进行资源 划 分 和管 理 , 同时, 通 过 云 端将 无线接入和移动节点虚拟化, 利 用 智 能 的 内 容 传 送 网 络 SDN
图 1 统一扁平架构

(如 DASH、 LBS) , 将大大降低网 络的建设和管理成本, 最终实现 5G 及现有无线网络的统一运营。 (3) 全 IP 网络 如前文所述, 在 5G 网络中, 扁平化的 IP 结构将 扮演着至关重要的角色。 全 IP 网络的构建思想最早 由 3GPP 在 R4 版本中提出, 并在后续版本中得到更 为直观地阐述。 全 IP 网极大地满足了无线通信业务 发展的需求,使用户可以随时随地地通过无线网络 获数据应用,为运营商提供一个持续的革新方案和 优化方案,使其在产品的性能和价格上更具有竞争 力。 3.3 多路径管理和统一鉴权 图 2 为 5G 核心网的典型架构,该 架构还具 有 以下几个特点: ·采 用 聚 合 的 接 入方 式, 集 成 多 种 接 入 技术 (Wi-Fi、 蓝牙、 WCDMA、 LTE、 5G) 以提供统一的通信 解决方案;缩短动态响应时间以确保高质量的用户 体验; · 通过 虚拟 的应 用 模 式,将 控 制 层从 数据 层 分 离; · 采用 简 单 的层 次 结 构实 现 完 全分 布 式网络 架 构, 以获得高效的无线资源 管 理及 GW-GW 之 间 的 无缝切换; · 使用各种无线接入技术给用户提供各种业务; · BS 和 GW 共用内容 / 业务缓存 , 大大减 少时

图 2 5G 纳米核心网络架构

术将成为通信 行 业 迅 速转 向下一代 的 里 程碑 技术。 在 5G 通信中, 移动终端将被植入纳米技术的芯片, 称之为 “纳 米 终端 ” , 将 具有 前 所未有的 前 所未有的 感应、 计算和通信等能力。 (2) 云计算 目前, 网络 中 存在 诸 多 问题, 例如 : 现 有的网络 架构导致新业务的需求日益增多,但是却不易部署 (包括 IMS 平台及第三方业务) ; 宽带 业 务 和移动 数 据业务日趋成熟,但无论是固网运营商还是移动运 营 商, 却 都面 临着 “比 特 管道 ” 、 高 CAPEX 和 OPEX 的压力; 同时, 大量 多媒 体内 容呈爆炸 式增 长, 但其 带来的移动核心网瓶颈和传输时延,却造成大量无 效的内容分发等。 而 5G 网络 将 是 一 个 基于 云 计 算 的 异 构 网络。 由于在引入无线新技术的同时必须满足对现存制式 的接入控制, 因此, 需要建立一种新的控制机制来协
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M2M业务 ...

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5G业务 AAA 移动性 管理 定位 Mgmt 颗粒地理 定位 D2D 策略/计 费 无线信息 资源状态 &拓扑
个人 小区 RR H

...

逻辑网关 网络虚拟化控制 (e.g.SDN 控制) 虚拟控 制层

宏站
中继站

内容 缓存 宏站 5G-GW 数据层 内容/业务 缓存

类型1 WL 物联网 微站
AP

D2 D

5G-GW 数据层 Internet

类型2 WLAN

有线终端

图 3 5G 核心网的典型架构

延。 目前, 多种无线接入技术拥有相互独立的 ID 和 独立的鉴权方式, 加 上 GW 边缘 的 各种 认 证 和私 密 会话业务, 因此, 在 每 一 种无线 接 入中, 都 有 独 立的 无线资源管理,之间难以进行互通。而在 5G 网络 中, 将优化功能块设 计, 融合 各 种 接入 技术, 实 现统 一接入控制、 鉴权、 安全密钥分发等。 此外, 5G 网络中还将采用 GW 级别的多路径管 理机制, 使用独立的数据路径和会话管理、 半静态多 无线资源 / 会话管理、 多技术载波聚合等方式, 实现 多无线接入技术之间的无损切换和动态调度,同时 分隔控制层和用户层。

式, 成为一个新革命的开始。
作者简介

MSTT

月 球:中国移动通信集团设计院有限公司网络所工程师,项目经 理, 主要从事 IMS 和 4G 核心网技术的研究和设计工作。 王晓周:中国移动通信集团设计院有限公司网络所工程师,项目经 理, 主要从事核心网相关技术的研究。 杨 小乐: 中国移动通信集 团设 计院 有 限 公司 , 项目经理, 主要 从 事 核 心网相关技术的研究。

4 总结
5G 网络将融合多种无线通信技术, 能很好地解 决频率许可和频谱管理问题,给运营商带来更小的 投入和更大的经济收益,在安全私密性上也将给公 众提供前所未有的完美体验。未来, 5G 技术将从每 一 个 细 微 的 方 面 在全 球 范围 内 改 变人 类 的 生 活 方

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5G网络新技术及核心网架构探讨
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 月球, 王晓周, 杨小乐 中国移动通信集团设计院有限公司,北京,100080 现代电信科技 Modern Science & Technology of Telecommunications 2014(12)

引用本文格式:月球.王晓周.杨小乐 5G网络新技术及核心网架构探讨[期刊论文]-现代电信科技 2014(12)


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