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发布日期: 2020年7月6日

了解5G时代的网络架构

5G正在来临,随之而来的是一种新的功能架构和许多新接口、协议与功能。工程师和运营人员现在面临着多种技术在同一网络中共存的局面,包括最新、现有和传统的技术。即使在最有利的情况下,也很难驾驭这个复杂的新局面。接下来,让我们分析一下未来的情况。

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5G架构的主要变化

虽然5G依托现有的网络基础设施和概念,但仍有一些新的功能特性。我们需要认真考虑、测试和监测这些功能特性——New Radio(NR,新空口)、New Core(5GC,5G核心网)、高频段(mmWave,毫米波)和大规模MIMO天线系统。

NG-RAN

NG-RAN由两种不同类型的节点组成:gNB(下一代节点B,即5G基站)和ng-eNB(新一代进化节点B,即下一代4G基站)。gNB是实际的新5G基站,而ng-eNB在以前的LTE-eNB的基础上发展而来。

gNB与用户设备(UE)之间的空中接口被称为新空口(NR)。然而,ng-eNB和UE之间的接口仍然与LTE中的相同,即演进的通用地面无线接入(E-UTRA)接口。gNB和ng-eNB通过新的Xn接口相互连接起来,使用被定义的Xn接口应用协议(XnAP)。然后,每个节点都通过NG接口连接到5GC,使用的是关联的NG接口应用协议(NGAP)。和LTE中的情形一样,RRC协议用于管理gNB和UE之间的连接。

在Cloud-RAN架构中,gNB被分成一个中心单元(CU)和一个或多个分布单元(DU)。CU提供高级处理功能,如无线资源和双连接管理,而DU用于控制物理层等功能。这两个单元通过F1接口连接起来。

NR接口被设计为支持多个频率范围和带宽、低延迟、灵活的插槽配置、每秒数G的数据速率和更高的频谱效率。

5GC

5GC是一种基于服务的架构,其中不同的网络功能(运营商)通过接口向其它NF(消费者)提供服务。NF可以部署在特定的位置,以满足某些延迟要求。这就使得运营商能够根据自己的需要部署和调整网络。

这种网络结构是一种云原生、可编程、模块化的架构,旨在创建运行于相同物理或虚拟资源之上的多个逻辑网络(或切片)。这种设计可满足各种用例的不同网络要求。这种架构背后的技术是网络功能虚拟化(NFV)和软件定义网络(SDN)。NF之间的接口都基于应用编程接口(API),使用的是HTTP/2协议。

5G新技术

如果把5G的延迟、吞吐量和容量要求与4G相比较,就可以将5G看作是一场革命。尽管5G中所使用的一些功能是4G网络功能不断改进的结果,但也会引入许多颠覆性的新技术。

新频谱

需要引入新的频谱,以确保5G符合相关规定和要求。5G所使用的新频率范围将从450 MHz到大约50 GHz。高频段可提供更快的数据传输速率和更大的容量,尤其是在毫米波频段(高于24 GHz)内。但是,这些高频段的信号传播损耗更大。

多RAT双连接(MR-DC)和EPC

2017年12月完成的Release 15 NSA规范定义了E-UTRA-NR双连接,其中UE连接到一个eNB(充当主节点)和一个en-gNB(充当从节点)。en-gNB是向UE提供NR用户面连接的节点,还可以通过S1-U接口连接到演进的分组核心网(EPC)。eNB通过S1接口连接到EPC,通过X2接口连接到en-gNB。双连接不仅增加了用户吞吐量,还可以在节点之间进行负载平衡,同时提供无缝、可靠的移动性。

网络切片

在5G中,并非所有流量具有相同的优先级。移动运营商必须能够为不同的服务匹配不同的访问级别,这一概念被称为网络切片。许多关键应用,如车辆自动驾驶和远程手术,需要优先级别高的5G“切片”,以保证连接的安全性和连续性。

网络会被切分成多个虚拟网络,在公共的网络基础设施之上运行,每个虚拟网络都有自己的一组特征。网络切片由一个RAN和一个具有物理或虚拟功能的核心网所组成。

大规模MIMO

多输入多输出(MIMO)旨在增加发射和接收天线(TX/RX)的数量,以提高信号路径的数量和频谱效率。这将有可能在同一频谱内提供更高的容量。

虽然LTE中所定义的传统MIMO使用很少的TX/RX天线,但5G更进一步,采用大规模MIMO技术,从而同时使用几十个甚至数百个天线(阵列)。大规模MIMO技术预计会在新的毫米波频率中使用,在基站和UE内都采用矩形天线阵列。

MEC:多接入边缘计算

5G网络架构将支持多接入边缘计算(MEC)技术。MEC提供在网络边缘(gNB)运行的云计算能力,充分利用5G提供的低延迟和高带宽。随着MEC的应用,更多的创新服务和用例会被创建出来,如视频分析、位置服务、增强现实、数据缓存和优化内容分发。

传输网络从4G演进到5G:

5G有望带来新的功能和新的技术,包括使用更高的射频(RF)频段来支持更多带宽(mmWave)、实现更快和更高效的前传连接(eCPRI)、在网络中提供更可靠和经济高效的计时(IEEE 1588/PTP)以及粒度更细的网络功能分配(CU、DU、RU)。

前传功能划分

在3GPP 5G RAN架构中,采用了新的BBU功能划分方案。这种新的架构模型对CU、DU和RU进行功能划分,CU和DU之间采用不同分的界点,它们之间的新链路被称为中传。然后,取决于期望的吞吐量、延迟要求以及预期性能,CU、DU或RU可以执行各种功能。将网络功能划分为CU、DU和RU,需要定义另一个用于将这些设备互连起来的标准。和划分RRH和BBU的功能引入了CPRI协议一样,新的功能划分会引入eCPRI和F1,后两者都基于以太网技术。

基于以太网的前传:

虽然CPRI一直是主要的前传接口标准,但它无法很好地扩展,以满足高带宽的5G用例要求。为了提高前传连接的吞吐量,整个行业都在转向eCPRI,这是一种基于分组的前传接口,它使用以太网作为其物理层,并在光纤到户(FTTA)连接之上运行。它可以提供更快的10 Gbit/s、25 Gbit/s和高达100 Gbit/s的链路速率,并更有效地利用前传带宽。eCPRI在物理层(PHY)中采用了灵活的功能划分,将大部分功能保留在基带单元内。

中传和回传

在中传和回传网络中,会引入一些新的传输技术,如OTN和FlexE。在网络设备制造商(NEM)提供各种技术选择的情况下,运营商持续面临巨大的压力,他们需要选择正确的架构,以支持未来的服务。同样,在若干年内继续支持4G意味着通过网络切片提供的不同类型的流量(4G/LTE和5G)必须在传输网络中平稳地共存,并满足其各自的SLA要求。

NFV

NFV是实现5G的关键因素,它使用IT虚拟化技术将所有类别的网络节点功能虚拟化为网络组成部分,这些部分可连接或链接在一起以创建通信服务。

NFV具有无法抗拒的价值定位:

  • 提高网络的灵活性、可扩展性和可靠性
  • 将网络运营自动化,并持续降低OPEX
  • 更好地根据需求部署服务
  • 使用COTS硬件,从而直接降低CAPEX

了解全局

为了帮助您更好地了解5G时代的网络架构,我们制作了一张详细易懂的参考海报,让您对错综复杂的5G网络架构有一个清晰的“全局”理解。

获取免费的5G时代网络架构海报,可以:

  • 在一张图上一目了然地查看5G、4G、3G和2G网络架构
  • 找到不同的RAN和核心网元与接口
  • 找出从4G向5G迁移的不同路径,包括5G非独立组网(5G NSA)、独立组网(5G SA和基于服务的架构)
  • 迅速识别不同的5G网元及其功能
  • 清楚地了解控制面和用户面协议及其对网络运营的影响
  • 参考协议栈、网元和接口的汇总词汇表

这张易用的海报还包括网络接口图、协议栈块,以及网元、接口、协议和移动技术词汇表。

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