5G NR 技術翻譯計劃

2 用例與部署場景

5G網絡設計的突破有望支撐移動互聯(lián)網和物聯(lián)網服務的廣泛增長和增強。5G技術在物聯(lián)網和垂直行業(yè)的應用，為網絡運營商提供了新的商機。此外，移動互聯(lián)網服務的拓展和提升，進一步提升了消費者的體驗和滿意度。為了充分支持移動互聯(lián)網和物聯(lián)網的增強和擴展，5G網絡必須成為人對人、人對機器和機器對機器連接的主要網絡接入手段。這意味著5G需要廣泛部署，以適應多樣化的業(yè)務需求及其獨特特性。為了以靈活和高效的方式提供更好的用戶體驗，實現(xiàn)面向服務的網絡的需求是很重要的。在提供高水平的服務質量(QoS)、可靠性和安全性方面，無線網絡將需要與固定網絡的進步所提供的性能相匹配。根據要求，5G系統(tǒng)的設計需要解決以下兩大挑戰(zhàn):

l 該系統(tǒng)應該能夠靈活和有效地使用所有可用的頻譜類型，從低頻波段到高頻波段、許可波段、未許可波段和共享波段。

l 該系統(tǒng)應具有適應性，以便為不同的服務特征集、大規(guī)模連接和非常高的容量提供有效支持。靈活的網絡設計需要提高頻譜效率，增加連接密度，減少延遲。這些要求和挑戰(zhàn)也影響著5G空口的設計和網絡架構。

5G無線接入網絡的基礎建立在兩個主要概念上:(1)軟件定義網絡和(2)網絡功能虛擬化。彈性(適應性)空中接口將允許優(yōu)化網絡，以支持各種應用和部署場景。5G網絡進一步包括自組織和小區(qū)間協(xié)調算法，利用特性、協(xié)議和接口來克服基于小區(qū)的網絡拓撲結構的限制(實現(xiàn)虛擬小區(qū)概念)。為了實現(xiàn)低頻廣域網絡和高頻小區(qū)域網絡拓撲之間的協(xié)作，5G網絡架構通常是異構的。業(yè)內有共識認為，高頻段是部署5G的補充頻段，而低頻段(即Sub-6 GHz)仍是5G頻譜的主要頻段。高頻也使統(tǒng)一接入和回程，因為相同的無線電資源被共享。5G預計將為無線接入和回程使用統(tǒng)一的空中接口和分級調度，從而實現(xiàn)靈活的回程和低成本的超密集網絡(UDN)架構。未來的無線電接入還可能采用不同級別的接入監(jiān)管波段，包括獨家許可、非獨家許可(共享)和未經許可的波段。5G系統(tǒng)通過靈活統(tǒng)一的空中接口框架[35]支持已許可和未許可頻段。

移動網絡中不斷增加的用戶流量需要增加5G系統(tǒng)可能使用的頻譜量。在厘米波和毫米波范圍內的高頻波段正在被使用，因為它們支持更寬的信道帶寬，并最終能夠提供超高數(shù)據速率。2015年世界無線電大會(WRC)第2屆會議為移動通信分配了6 GHz以下頻段，預計WRC 2019[40]會議將分配6 GHz以上頻段。

預計5G系統(tǒng)將支持將超越當前系統(tǒng)的各種用例和應用。廣泛的功能將與國際移動電信(IMT)- 2020倡議的不同用例和應用緊密結合。IMT在2020年及以后系統(tǒng)的主要用例包括以下[1]:

l 增強的移動寬帶:此用例處理以用戶為中心的應用程序，用于無線訪問多媒體內容、服務和數(shù)據。近十年來，移動寬帶業(yè)務需求持續(xù)增長，引領行業(yè)移動寬帶能力顯著提升。eMBB用例除了努力提高性能和日益無縫的用戶體驗的現(xiàn)有應用程序之外，還包含了新的應用程序領域(具有嚴格的要求)。此使用場景涵蓋了包括廣域覆蓋和熱點在內的一系列情況，這些情況有不同的需求。對于熱點案例，即用戶密度高的區(qū)域，需要非常高的流量容量，但對移動性的要求較低，用戶數(shù)據率高于廣域覆蓋。對于廣域覆蓋的情況，無縫覆蓋和中到高移動性是需要的，與現(xiàn)有的數(shù)據率相比，用戶數(shù)據率有所提高。但是，與熱點場景相比，對數(shù)據速率的要求可能不那么嚴格。

l 超可靠和低延遲通信:該用例對吞吐量、延遲和可用性等功能有嚴格的要求。一些例子包括工業(yè)制造或生產過程的無線控制、遠程醫(yī)療手術、智能電網中的配電自動化以及運輸安全。

l 大規(guī)模的機器類型通信:這個用例的特征是大量的連接設備(例如，一個傳感器網絡)，通常傳輸包含不敏感延遲數(shù)據的相對較小的有效負載。這些設備需要低成本和非常低的功耗。

預計在未來幾年內，eMBB、mMTC和URLLC的各個類別都將出現(xiàn)大量部署場景，這對5G接入和核心網絡的設計、開發(fā)和部署需要更大的靈活性、可編程性和可配置性。這些設計特征有助于減少運營商在未來網絡升級中不斷增加的資本支出和運營成本。在下面的章節(jié)中，我們將研究5G系統(tǒng)支持的各種用例和部署場景。

2.1

用例

在信息社會中，用戶將得到廣泛的應用和服務，包括信息娛樂服務、安全高效的交通，以及新的工業(yè)和專業(yè)應用。這些服務和應用包括非常高的數(shù)據速率和非常密集的設備分布，對端到端性能和用戶體驗有嚴格的要求。新興應用領域帶來的新挑戰(zhàn)包括極低延遲、極低功耗、極低成本和大量設備。在許多情況下，關鍵的挑戰(zhàn)之一是在各種速度下支持無縫移動(即對應用層透明)。移動寬帶是當今最突出的用例，預計它將繼續(xù)成為推動5G系統(tǒng)需求的關鍵用例之一。挑戰(zhàn)遠不止為用戶提供基本的移動互聯(lián)網訪問，還包括對云中的豐富交互工作、媒體和娛樂應用程序或現(xiàn)實增強(集中式和分布式框架)的支持。

從可穿戴電子設備到自動駕駛，5G努力在各個垂直市場實現(xiàn)移動網絡的新使用模式。然而，垂直市場的頻譜使用方法似乎仍然對不同的解決方案開放，最重要的驅動因素似乎是市場需求、上市時間和有效的頻譜利用。5G的要求來自考慮5G系統(tǒng)將如何向最終用戶提供服務以及提供哪些服務的用例。為了對比需求的不同，用例被分組到廣泛的類別中。許多用例與用戶從許多網絡選項中進行選擇的場景相關，這取決于服務、性能、成本或用戶首選項。當服務從一個網絡配置傳輸?shù)搅硪粋€網絡配置時，一個重要的考慮因素是網絡互操作性的程度。

5G承諾之一是為多種設備的用戶提供統(tǒng)一的體驗。從運營商的角度來看，5G還旨在將多種接入類型統(tǒng)一到一個核心網絡，以及在不同接入技術上運行的一臺設備的互操作性要求;對設備間業(yè)務連續(xù)性的要求。5G系統(tǒng)為用戶提供了將現(xiàn)有服務會話從一臺設備轉移到另一臺設備的能力，并將用戶可察覺的服務中斷降至最低。這個時代的現(xiàn)代城市在很大程度上依賴于一些關鍵的基礎設施來正常運轉:電力、水、下水道、燃氣等。關鍵基礎設施監(jiān)控是一項繁瑣的工作，通常需要只有專用有線連接才能實現(xiàn)的服務水平。例如，為了檢測高壓輸電線路中的故障，并能夠采取糾正措施來防止級聯(lián)故障，所需的通信延遲超出了當前無線網絡所能達到的范圍。同樣，結構監(jiān)控需要配置大量低數(shù)據率電池供電的無線傳感器，而目前的無線網絡在電池壽命和成本效率方面都沒有優(yōu)化以支持這種部署模型。此外，隨著世界人口向城市環(huán)境的大規(guī)模遷移，對城市基礎設施和服務現(xiàn)代化的需求也越來越大。從水電管理到建筑和交通，城市規(guī)劃者將依賴新的可擴展的互聯(lián)服務，這些服務不需要城市徹底改造私人和公共基礎設施，而是面向未來而建。5G系統(tǒng)使世界各地的智慧城市能夠建立有助于提高宜居性和可持續(xù)性的長期互聯(lián)互通戰(zhàn)略。

海量的5G連接設備(如傳感器和執(zhí)行器)收集和處理數(shù)據，以監(jiān)控關鍵參數(shù)，并根據環(huán)境條件優(yōu)化性能。傳感器還使服務提供商能夠檢測當隱藏的管道和電纜需要修理或當一個未經授權的訪問發(fā)生。5G系統(tǒng)旨在支持部署密集的設備之間可靠的低延遲通信，這些設備受到電源限制，且數(shù)據速率要求廣泛。

視頻和音頻流媒體、視頻電話、社交網絡和多媒體消息傳遞只是當今無線網絡中使用的一些流行的通信和娛樂應用程序。此外，新的應用程序正在涌現(xiàn)，如實時多用戶游戲、虛擬/增強現(xiàn)實(VR/AR)、3D多站點網真、超高分辨率視頻流(例如4K和8K視頻)以及照片和視頻共享。這些應用程序將需要顯著提高數(shù)據速率、容量和非常低的傳輸延遲，這是目前的無線網絡所不支持的。5G系統(tǒng)提供的解決方案使通信和娛樂應用得以持續(xù)發(fā)展。業(yè)界對實現(xiàn)智能、互聯(lián)設備和物聯(lián)網實現(xiàn)有很大的興趣和早期工作。本用例旨在通過降低智能設備的連接成本來支持大規(guī)模部署，使運營商網絡能夠為蜂窩和非蜂窩物聯(lián)網設備提供連接，并有效利用頻譜進行設備到設備(D2D)通信，從而實現(xiàn)增長。

3GPP生態(tài)系統(tǒng)將需要支持大量新的和不同的用例。這需要做的同時，行業(yè)繼續(xù)支持傳統(tǒng)的移動寬帶使用案例。新的用例預計將帶來對網絡操作的廣泛需求。例如，對諸如收費、策略控制、安全性、移動性、速度和可用性等功能有不同的需求。一些用例(如移動寬帶)可能需要特定于應用程序的充電和策略控制，而其他用例可以通過更簡單的充電或策略有效地管理。一些用例在性能需求上也有顯著的差異，例如，功耗和復雜性，這意味著簡單地為應用程序提供所有需求的超集是不可接受的。

為了以可持續(xù)的方式管理眾多的服務部門和垂直行業(yè)，有必要將本質上不同的部門相互隔離。例如，網絡中大量用戶用電表發(fā)生故障的場景不應對提供給eMBB用戶或醫(yī)療保健和安全應用程序的服務產生負面影響。此外，隨著3GPP社區(qū)支持新的垂直市場，也將需要獨立的細分市場管理和編配(MANO)，以及為每個垂直市場或細分市場提供定制的分析和服務公開功能。該功能不應僅限于提供不同段之間的隔離，還應允許操作員部署同一網絡分區(qū)的多個實例。圖3提供了這個概念的高層次說明。一個片由一組邏輯網絡功能組成，這些功能支持特定用例的通信服務需求。有些切片的功能非常豐富，而其他切片的功能非常簡單，但是網絡切片沒有以任何形式的層次結構進行排列。給定的網絡片只包含給定應用程序或服務類所需的功能。設備可以被定向到適當?shù)木W絡片，以滿足操作員和用戶的需求，例如，基于訂閱或設備類型。網絡切片主要以核心網絡的一個分區(qū)為目標，但也不排除RAN可能需要特定的功能來支持多個片，甚至為不同的網絡切片劃分資源。

向網絡遷移切片5 G服務需要仔細考慮的安全要求，隔離片，每個運營商的具體的個人需求，是否托管平臺提供者或網絡片租戶，在確保數(shù)據處理和數(shù)據存儲的完整性在網絡片[45]。

蜂窩網絡中存在大量物聯(lián)網設備，可能需要全新的技術和解決方案，而當前的4G網絡可能無法提供這些技術和解決方案。支持大規(guī)模物聯(lián)網部署所需的一個基本特性是設備和基礎設施方面的可伸縮性。目前的LTE網絡的設計方式，使得這種可擴展性在技術上和經濟上都難以實現(xiàn)。5G系統(tǒng)旨在為大量低成本、低功耗、低復雜度的設備提供在mMTC使用場景下的連接。一般來說，物聯(lián)網設備在通信期間需要在低功耗模式下運行，同時保持高水平的可靠性和覆蓋。

移動性隨需應變提供了一系列選項，這些選項可以根據設備和應用程序上下文動態(tài)地分配給設備或應用程序，也可以靜態(tài)地為專門的設備和應用程序配置。

按需移動包括兩個部分:(1)管理主動設備的移動性，(2)跟蹤和接觸支持省電閑置模式的設備。同時，對移動性支持的要求也可能因應用和服務的不同而有所不同。雖然一些服務要求網絡遷移事件對應用層透明，以避免服務交付中的中斷，但其他應用程序可能有特定的方法來確保服務的連續(xù)性。隱藏遷移事件的行為可能包括一些方面，例如在RAT（無線接入技術）內或RAT間小區(qū)變化期間，盡量減少中斷時間和數(shù)據包丟失，或保持相同的IP地址。

改善用戶體驗的一個重要部分是收集和分析個人用戶的一些信息，以了解他們的服務優(yōu)先級和對網絡服務質量的感知。為了讓這樣的數(shù)據收集,一個終端用戶選擇和控制元件應提供給用戶指定哪些方面的服務性能是最重要的他們,將他們的偏好數(shù)據收集為了保持平衡用戶隱私和服務質量優(yōu)化。圍繞用戶體驗監(jiān)控的生態(tài)系統(tǒng)應該包括第三方實體，如數(shù)據代理和內容提供商，這將被進一步視為用戶控制的一部分。內容提供商還需要同意收集有關其應用程序和內容使用情況的數(shù)據。

前幾代蜂窩技術開發(fā)的典型使用模型集中于具有人工界面的電話和無線多媒體服務。在5G時代，這種類型的服務將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，但現(xiàn)在需要蜂窩技術來有效支持一系列其他新興應用。物聯(lián)網被廣泛視為包括遠程醫(yī)療、智能電網、智能城市、智能交通和智能汽車在內的一系列應用的保護傘。5G系統(tǒng)需要支持廣泛的物聯(lián)網應用，包括地理和/或電力受限、低數(shù)據設備和/或要求大量實時數(shù)據的復雜設備。IoT是一個可能是可取的設備之間直接通信，而不是通過網絡通信的領域。

增強和虛擬現(xiàn)實服務是快速增長的市場，驅動設備性能的進步，消費者對新用戶體驗的興奮，以及一系列實際應用。預計這些服務對高帶寬(特別是虛擬現(xiàn)實)和低延遲(特別是增強現(xiàn)實)的要求很高。滿足用戶對這些服務的需求預計將成為5G發(fā)展的重要驅動力。

蜂窩系統(tǒng)的另一個新興應用領域是公共安全和為第一反應者和其他用戶提供關鍵任務通信。5G技術應該維護和擴展正在開發(fā)的關鍵任務通信技術，這是LTE的一部分。該領域還將對物聯(lián)網設備和可穿戴技術提出具體要求。用戶越來越依賴移動連接，這對為這些關鍵應用提供足夠的覆蓋范圍和能力繼續(xù)構成技術和經濟挑戰(zhàn)。

2.2

部署場景

5G部署場景的研究是確定服務連續(xù)性和性能需求的第一步。在本節(jié)中，我們將討論5G系統(tǒng)部署的主要場景。雖然這些場景與用例相似，但它們主要關注于部署問題，而不是用戶體驗。如圖4所示，5G系統(tǒng)的初始部署可能主要集中在用戶密度高、移動性低、容量需求極高的城市地區(qū)。隨著時間的推移，網絡服務將擴大到包括用戶密度較低但機動性較高和覆蓋范圍較廣的郊區(qū)和農村地區(qū)。請注意，如圖所示，城市覆蓋范圍包括大蜂窩和小蜂窩，大蜂窩可工作在Sub-6GHz的頻率，小蜂窩可工作在6GHz以上的頻率(例如毫米波波段)。隨著覆蓋范圍擴大到郊區(qū)和農村地區(qū)，宏單元可能會在6 GHz以下頻段使用更高的發(fā)射功率，以提供更大的覆蓋范圍和更大的范圍。因此，多重互聯(lián)互通將在5G系統(tǒng)的早期部署中發(fā)揮重要作用，特別是在城市和郊區(qū)。

圖4 跨頻帶和接入技術的互聯(lián)

為了理解5G部署場景，我們從研究5G支持的高級運行架構和網絡拓撲開始分析。5G RAN架構的設計原則是基于基站的分解和控制面(CP)與用戶面(UP)實體的分離。該架構進一步支持3GPP LTE和3GPP NR接入和核心網絡實體之間的連接。圖5所示的RAN架構場景支持以非獨立(NSA)模式與LTE核心網(EPC)或5G核心網(5GC)同時部署LTE eNBs和NR gNBs，以及以獨立(SA)方式部署連接到5GC的NR分解gNBs。在5G系統(tǒng)的早期部署和5GC設備可用之前，NSA場景將占主導地位，隨后5G系統(tǒng)的SA部署將占主導地位。

圖5 NR和LTE不同的部署場景

在圖5所示的部署場景中，gNB-CU和gNB-DU分別表示邏輯gNB的集中單元(CU)和分布式單元(DU)，它們可能在同一位置，也可能不在同一位置。邏輯接口F1和Xn是新的網絡參考點，它們組成了CU和DU(s)之間的控制面和用戶面路徑，將在第一章中詳細討論。在考慮C-RAN架構時，有兩種gNB部署選項，如圖6所示[16,17]：

l 集中式gNB部署:在這個場景中，所有運行的協(xié)議和功能都位于同一個站點中。這個部署選項對應于當前LTE系統(tǒng)的部署，因此它確保了與現(xiàn)有LTE部署的向后兼容性。

l 分布式gNB部署:在這種情況下，運行的協(xié)議和功能分布在不同的站點上;也就是說，在C-RAN體系結構中，DU和CU在物理上可能是分開的。CU可以進一步劃分為CP和UP實體。DU托管RLC、MAC和PHY協(xié)議，CU-CP實體托管PDCP-C和radio resource control (RRC)協(xié)議，而CU-UP實體托管PDCP-U和SDAP協(xié)議。在分布式gNB部署中，分離控制面的CU-CP和用戶平面的CU-CP實體提供了基于期望的拓撲和性能優(yōu)化不同運行函數(shù)位置的可能性。例如，CU-CP可以放置在DU實體附近的位置。它還可以與DU共存，從而為關鍵的CP過程(如連接(重新)建立、切換和狀態(tài)轉換)提供更短的延遲。另一方面，CU-CP可以集中在一個區(qū)域或國家數(shù)據中心，從而支持集中式實現(xiàn)，并在雙連通性和緊密互通場景中為UP流量提供一個中心終端點。還可以將一個附加的CU-CP放置在距離DU更近的地方(或位于同一位置)，為需要非常低延遲的應用程序(例如，URLLC流量)的UP流量提供一個本地終止點。

圖6 gNB(NR 基站)不同部署選擇

在圖6所示的分布式gNB架構中，有必要協(xié)調CU-CP和CU-CP實體?？赡苄枰贑U-CP和CU-CP之間建立控制平面接口的一些功能包括CU-CP設置、修改和CU-CP中的數(shù)據無線電承載器(DRBs)的配置，以及當CU-CP實體配置CU-CP實體中的安全密鑰以進行RAN級安全激活和配置時。為了實現(xiàn)這些功能，在CU-CP和CU-UP之間定義了一個新的開放接口，稱為E1。接口E1為控制平面接口，由于CU-CP和CU-CP不交換UP流量，因此不需要UP部分。

如圖7所示，新的5G RAN架構支持以下拓撲，以支持不同的用例和部署場景[16]：

l 非集中的RAN架構:在這個場景中，完整的用戶面和控制面無線電協(xié)議棧在gNB上實現(xiàn)，例如，在宏單元部署或室內(公共或企業(yè))熱點環(huán)境中。gNB可以使用任何傳輸機制(例如，以太網，光纖)相互連接。但是，假定gNB能夠通過3GPP定義的標準接口連接到其他gNB或eLTE eNBs。

l 集中式的RAN架構:在這個場景中，無線協(xié)議棧的上層(PDCP和RRC層)在CU中實現(xiàn)，CU通常位于邊緣云中。CU和DU(s)之間的不同功能拆分也是可能的，這取決于傳輸層配置。高性能傳輸機制，例如光傳輸網絡(OTN)，在CU和位于DUs的堆棧的較低層之間，可以實現(xiàn)高級協(xié)調多點(CoMP)傳輸/接收方案和小區(qū)間調度優(yōu)化，這在大容量場景或需要小區(qū)間協(xié)調的場景中是有用的。更高層次的NR無線協(xié)議棧可以搬到銅,如果使用低性能的傳輸機制和銅之間的DU (s),因為在這種情況下,要求傳輸層的帶寬、延遲、同步和抖動相對輕松。

l 與LTE協(xié)同部署:在這個場景中，NR功能作為同一基站的一部分或作為同一站點的多個基站與LTE對等端協(xié)同部署。異地部署可以適用于所有NR部署場景，如城市宏觀部署。如圖8所示，在這個場景中，需要充分利用分配給兩種無線接入技術(大鼠)的所有頻譜資源，使用負載平衡或通過多RAT連接(例如，利用較低的頻率作為小區(qū)邊緣用戶的廣域覆蓋層)。

l 共享RAN部署:NR支持共享運行部署，這意味著有多個托管的核心運營商。在國家或區(qū)域網絡部署的情況下，共享的RAN拓撲可以覆蓋很大的地理區(qū)域。共享的RAN體系結構也可以是異構的;也就是說，僅限于幾個較小的區(qū)域，就像在共享的構建內運行的情況下一樣。共享運行應該能夠有效地與非共享運行進行互操作。每個核心運營商可以有自己的非共享的RAN服務區(qū)域，毗鄰共享的RAN服務區(qū)域。非共享運行和共享運行之間的移動性以類似于LTE的方式得到支持。共享RAN可以在共享頻譜中運行，也可以在每個主機操作員的頻譜中運行(見圖8)。

圖7 非集中于集中部署場景說明

圖8 協(xié)同和共享部署場景

NR主要部署場景對應的單元布局如圖9所示。在均勻部署場景中,所有小區(qū)(宏小區(qū)或微小區(qū))提供相同的報道,而在異構的部署場景,小區(qū)大小不同的重疊覆蓋,即宏小區(qū)和微小區(qū)通常宏單元提供廣域覆蓋和作為錨點和小區(qū)接入點覆蓋高通量宏單元內小范圍區(qū)域。在這些部署場景中，根據小區(qū)布局和接入節(jié)點的位置，NR和LTE覆蓋可能共存于同一地理區(qū)域.圖9中的一個場景說明了LTE和NR小區(qū)的疊加和共存提供類似的覆蓋范圍。在這種情況下，LTE和NR小區(qū)要么是宏小區(qū)，要么是微小區(qū)。圖9進一步描繪了LTE和NR小區(qū)疊加的場景，但不一定在同一位置，每個小區(qū)提供不同的覆蓋區(qū)域。在這種情況下，LTE服務于大蜂窩，NR服務于小蜂窩。相反的情況也可能出現(xiàn)，這對于5G網絡的初始部署可能沒有實際意義。共存小區(qū)根據3 GPP定義，指的是一個小區(qū)連同一個宏單元的eNBs安裝在相同的位置,而協(xié)作小區(qū)是指一個微小區(qū)與一個宏單元的各自eNBs安裝在不同的位置。

圖9 NR與LTE協(xié)同部署場景

分布式基站模型引導了集中式和協(xié)作式C-RAN架構概念，其中所有或部分基帶功能在一個CU中執(zhí)行。集中的信號處理大大減少了需要覆蓋由分布式基站網絡服務的同一區(qū)域的現(xiàn)場設備數(shù)量。RRH提供的協(xié)同無線電傳輸與分布式天線方案相結合，具有更高的頻譜效率和干擾協(xié)調能力。基于開放平臺和基站虛擬化的實時云基礎設施，實現(xiàn)處理、聚合和動態(tài)資源分配，降低功耗，提高基礎設施利用率。對CU上的處理資源進行動態(tài)管理和分配，提高了無線和網絡資源的利用率，提高了能量效率(EE)。此外，C-RAN支持協(xié)作技術，網絡性能也得到了顯著提高。隨著技術的成熟，C-RAN的概念在過去幾年中不斷發(fā)展。例如，C-RAN中引入了CU/DU功能拆分和NGFI (Next Generation Fronthaul Interface)接口，以更好地滿足5G的需求，例如更高的頻率、更大的帶寬、更多的天線數(shù)量和更低的延遲[23、24]。

在一個典型的5G C-RAN架構中，基帶單元通常包括一個CU和一個或多個DU。CU/DU功能拆分的原理在于對不同功能的實時處理需求。如圖10所示，CU功能主要包括非實時的高層運行協(xié)議處理，以及移動到網絡邊緣的核心網功能，實現(xiàn)移動邊緣計算(MEC)服務和觸覺互聯(lián)網。因此，一個DU主要負責部分或全部二層協(xié)議的物理層處理和實時處理。為了減少RRU和DU之間的傳輸容量和延遲需求，可以將部分物理層處理從DU移到RRU(s)。從硬件實現(xiàn)的角度來看，CU設備可以基于通用處理器或服務器平臺進行開發(fā)。DU硬件可以使用定制的soc和/或混合平臺來實現(xiàn)，從而實現(xiàn)計算密集型功能的實時處理。通過NFV基礎設施，可以通過MANO實體、SDN控制器和傳統(tǒng)運維中心對系統(tǒng)資源(包括CU和DU)進行靈活的統(tǒng)籌和管理，支持運營商對業(yè)務快速上線的需求。

圖10 5G環(huán)境下單節(jié)點4G BBU向CU/DU分離架構的演進

為了解決5G無線系統(tǒng)中CU、DU和RRU之間的傳輸挑戰(zhàn)，IEEE 1914工作組和公共無線電接口(CPRI)論壇分別指定了新的前傳接口。

l IEEE P1914.1正在為基于包的前端傳輸網絡開發(fā)標準。它定義了移動前端流量(例如基于以太網的)傳輸?shù)募軜嫞ㄓ脩魯?shù)據流量以及管理和控制平面流量。該小組進一步定義了對前端網絡的要求，包括數(shù)據速率、定時和同步以及QoS。該標準還分析了遠程無線電單元和基帶處理單元之間的功能劃分方案，目的是提高前端鏈路效率和傳輸層的互操作性，促進大規(guī)模MIMO和CoMP收發(fā)等協(xié)作無線電功能的實現(xiàn)。

l IEEE P1914.3標準指定了數(shù)字化復值相位和正交無線電信號組件的封裝，以及(供應商)特定的控制信息通道/流到封裝的以太網幀有效載荷字段。已經指定了對現(xiàn)有數(shù)字化無線電傳輸格式進行結構感知和結構不可知封裝的標題格式。結構感知封裝假定具有封裝的數(shù)字化無線電傳輸格式內容的詳細知識，而結構不可知封裝僅是封裝的數(shù)字化無線電傳輸幀的容器。該標準進一步定義了一個結構感知的映射器，用于CPRI幀和負載與以太網封裝幀之間的映射。必須注意的是，與結構無關的封裝并不僅限于CPRI。

CPRI論壇為前端接口開發(fā)了一個新的規(guī)范(eCPRI)，該規(guī)范提高了效率，以滿足5G移動網絡的可預見需求。請注意，廣泛使用的CPRI(光纖上的無線電)規(guī)范也是由這個特殊興趣小組在過去開發(fā)的。eCPRI規(guī)范基于物理層內蜂窩基站功能的新功能分區(qū)。新的分割點能夠顯著減少所需的數(shù)據量前傳鏈接能力。所需的帶寬可以根據用戶平面的流量在以太網上進行靈活擴展。以太網的使用打開了在同一交換網絡中同時承載eCPRI流量和其他流量的可能性。新的接口是一個實時流量接口，能夠使用復雜的協(xié)調算法，并保證最佳的無線電性能。eCPRI接口意味著是未來的證明，允許新的功能介紹的軟件更新在無線電網絡。除了新的eCPRI規(guī)范，特別興趣工作組將繼續(xù)進一步開發(fā)現(xiàn)有的CPRI規(guī)范，以便為包括5G無線系統(tǒng)在內的所有前端專用光纖連接部署提供具有競爭力的選擇。

如圖11所示，NGFI交換機網絡連接CU和一個或多個DU實體。通過NGFI接口，CU、DU實體可以在不同的部署場景下靈活配置部署。在理想的前傳情況下，DU的部署也可以是集中式的，可以支持跨各個傳輸/接收節(jié)點的物理層協(xié)作。在非理想的前傳情況下，DU(s)可以采用分布式部署方式。因此，基于NGFI接口的C-RAN架構不僅支持集中式DU部署，也支持分布式DU部署。

圖11 基于CU/DU的C-RAN架構

傳統(tǒng)上，移動網絡已經為語音和數(shù)據服務進行了優(yōu)化。然而，在5G時代，他們必須服務各種不同特性和服務/性能要求的設備。如前所述，5G最常見的一些用例包括移動寬帶、大規(guī)模物聯(lián)網和關鍵任務物聯(lián)網，它們在移動性、充電、安全性、策略控制、延遲、可靠性等方面都需要不同類型的特性和網絡。例如，將測量溫度、濕度、降水等的固定傳感器連接到移動網絡的大規(guī)模物聯(lián)網服務不需要切換或位置更新等功能，而這些功能在服務中一直是關鍵的語音服務。關鍵任務的物聯(lián)網服務，如自動駕駛或遠程控制機器人需要極低的端到端延遲，僅為毫秒的幾分之一，而一些大型MTC服務是能夠容忍延遲的。

網絡切片的目標是將網絡從使用相當靜態(tài)的one-network -fits -all方法轉換為動態(tài)模型，其中可以在相同的物理基礎設施上創(chuàng)建多個邏輯網絡，以滿足不同用例的不同需求。網絡切片是一個概念，使運營商能夠創(chuàng)建服務定制(邏輯)網絡，以提供優(yōu)化的解決方案，不同的業(yè)務在功能、性能和隔離方面有不同的需求。該解決方案的基本假設是，運營商的網絡切片在無線接口層對終端是透明的。網絡片是一個邏輯網絡，它包含一組網絡功能(可以是虛擬網絡功能(VNFs)，也可以是物理網絡功能)和相應的資源，如計算、存儲、網絡資源等。切片還可以被視為應用程序的唯一配置文件，定義為網絡中的一組服務，以支持給定的用例、流量類型或客戶。一個切片可以服務于特定的目的或特定的服務類別(例如，特定的用例或特定的流量類型)，甚至是單個客戶，在這種情況下，它可以使用網絡即服務(NaaS)方法按需創(chuàng)建。每個網絡切片都存在于一個SDN覆蓋層中。在片內，根據使用切片的服務的需求將一組網絡功能鏈接在一起。共享相同的底層物理基礎設施的每個切片是一個邏輯上分離和隔離的系統(tǒng)，可以用不同的網絡架構、硬件/軟件和網絡供應來設計這個系統(tǒng)。在某些情況下，網絡切片可以共享功能組件。

為了實現(xiàn)網絡切片，NFV是一個先決條件。NFV的主要思想是實現(xiàn)軟件中的網絡功能(即包核心和選擇性無線電訪問功能)映射到運行在商業(yè)服務器平臺上的虛擬機(VMs)8，而不是在專用網絡設備上處理。在這種情況下，接入網作為邊緣云運行，而核心網作為核心云運行。位于邊緣云和核心云上的虛擬機之間的連接通過SDN進行發(fā)放。網絡片自動配置和創(chuàng)建每個服務(如語音服務片、海量物聯(lián)網片、關鍵任務物聯(lián)網片)。圖12顯示了每個服務專用的應用程序是如何在每個切片中進行虛擬和實現(xiàn)的。在圖中所示的示例中，為特定服務配置的分區(qū)包含以下組件[43]:

圖12 網絡切片概念說明

針對不同需求的業(yè)務創(chuàng)建專用的切片，根據業(yè)務的不同，將虛擬化的網絡功能分配到每個分片的不同位置(即邊緣云或核心云)。一些網絡功能，例如收費、控制策略，可能在一個切片中是必需的，但在其他切片中是不必要的。運營商可以以最經濟的方式定制網絡切片。

在RAN方面，可以基于物理無線電資源或從物理無線電資源中抽象出來的邏輯無線電資源的分組來實現(xiàn)切片。運行切片可以通過將一個片標識符映射到應用于運行控制面和用戶面功能的一組配置規(guī)則來實現(xiàn)。一些網絡功能，如移動性管理，可以是幾個切片所共有的。還會有一些通用的控制功能來協(xié)調各個切片之間運行的資源使用情況。RAN中的無線電切片可以共享無線電資源(時間、頻率、代碼、功率和空間)和相應的通信硬件，如數(shù)字基帶處理組件或模擬無線電組件。根據網絡切片的配置規(guī)則，共享可以以動態(tài)或靜態(tài)的方式完成。在動態(tài)共享的情況下，每個切片根據其需求和優(yōu)先級獲得資源，可以使用調度(即，切片從集中式調度器請求資源，該調度器根據總體流量負載或片的優(yōu)先級分配資源)或爭用。在靜態(tài)共享的情況下，一個切片被預先配置為在整個操作時間內使用專用資源進行操作。靜態(tài)共享允許將有保障的資源分配給切片，而動態(tài)資源共享允許整體資源使用優(yōu)化?？刂泼婀δ艿奶囟ㄓ谇衅呐渲靡?guī)則為每個切片適應運行的控制面功能。這是因為切片可能不需要所有的控制面功能。還需要對網絡切片進行特定的準入控制，使系統(tǒng)能夠滿足各種網絡切片的初始接入需求。