5G NR 技術(shù)翻譯計劃

2 用例與部署場景

5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的突破有望支撐移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的廣泛增長和增強(qiáng)。5G技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)和垂直行業(yè)的應(yīng)用，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供了新的商機(jī)。此外，移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的拓展和提升，進(jìn)一步提升了消費(fèi)者的體驗(yàn)和滿意度。為了充分支持移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的增強(qiáng)和擴(kuò)展，5G網(wǎng)絡(luò)必須成為人對人、人對機(jī)器和機(jī)器對機(jī)器連接的主要網(wǎng)絡(luò)接入手段。這意味著5G需要廣泛部署，以適應(yīng)多樣化的業(yè)務(wù)需求及其獨(dú)特特性。為了以靈活和高效的方式提供更好的用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)的需求是很重要的。在提供高水平的服務(wù)質(zhì)量(QoS)、可靠性和安全性方面，無線網(wǎng)絡(luò)將需要與固定網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)步所提供的性能相匹配。根據(jù)要求，5G系統(tǒng)的設(shè)計需要解決以下兩大挑戰(zhàn):

l 該系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)具有適應(yīng)性，以便為不同的服務(wù)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(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shè)計和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

5G無線接入網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)建立在兩個主要概念上:(1)軟件定義網(wǎng)絡(luò)和(2)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化。彈性(適應(yīng)性)空中接口將允許優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，以支持各種應(yīng)用和部署場景。5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步包括自組織和小區(qū)間協(xié)調(diào)算法，利用特性、協(xié)議和接口來克服基于小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制(實(shí)現(xiàn)虛擬小區(qū)概念)。為了實(shí)現(xiàn)低頻廣域網(wǎng)絡(luò)和高頻小區(qū)域網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲g的協(xié)作，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通常是異構(gòu)的。業(yè)內(nèi)有共識認(rèn)為，高頻段是部署5G的補(bǔ)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?yàn)橄嗤臒o線電資源被共享。5G預(yù)計將為無線接入和回程使用統(tǒng)一的空中接口和分級調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)靈活的回程和低成本的超密集網(wǎng)絡(luò)(UDN)架構(gòu)。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(dú)家許可、非獨(dú)家許可(共享)和未經(jīng)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(wǎng)絡(luò)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(nèi)的高頻波段正在被使用，因?yàn)樗鼈冎С指鼘挼男诺缼挘⒆罱K能夠提供超高數(shù)據(jù)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(yù)計WRC 2019[40]會議將分配6 GHz以上頻段。

預(yù)計5G系統(tǒng)將支持將超越當(dāng)前系統(tǒng)的各種用例和應(yīng)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(yīng)用緊密結(jié)合。IMT在2020年及以后系統(tǒng)的主要用例包括以下[1]:

l 增強(qiáng)的移動寬帶:此用例處理以用戶為中心的應(yīng)用程序，用于無線訪問多媒體內(nèi)容、服務(wù)和數(shù)據(jù)。近十年來，移動寬帶業(yè)務(wù)需求持續(xù)增長，引領(lǐng)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(yàn)的現(xiàn)有應(yīng)用程序之外，還包含了新的應(yīng)用程序領(lǐng)域(具有嚴(yán)格的要求)。此使用場景涵蓋了包括廣域覆蓋和熱點(diǎn)在內(nèi)的一系列情況，這些情況有不同的需求。對于熱點(diǎn)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(jù)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(jù)率相比，用戶數(shù)據(jù)率有所提高。但是，與熱點(diǎn)場景相比，對數(shù)據(jù)速率的要求可能不那么嚴(yán)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(yán)格的要求。一些例子包括工業(yè)制造或生產(chǎn)過程的無線控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療手術(shù)、智能電網(wǎng)中的配電自動化以及運(yùn)輸安全。

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

預(yù)計在未來幾年內(nèi)，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(wǎng)絡(luò)的設(shè)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(shè)計特征有助于減少運(yùn)營商在未來網(wǎng)絡(luò)升級中不斷增加的資本支出和運(yùn)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(yīng)用和服務(wù)，包括信息娛樂服務(wù)、安全高效的交通，以及新的工業(yè)和專業(yè)應(yīng)用。這些服務(wù)和應(yīng)用包括非常高的數(shù)據(jù)速率和非常密集的設(shè)備分布，對端到端性能和用戶體驗(yàn)有嚴(yán)格的要求。新興應(yīng)用領(lǐng)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(shè)備。在許多情況下，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一是在各種速度下支持無縫移動(即對應(yīng)用層透明)。移動寬帶是當(dāng)今最突出的用例，預(yù)計它將繼續(xù)成為推動5G系統(tǒng)需求的關(guān)鍵用例之一。挑戰(zhàn)遠(yuǎn)不止為用戶提供基本的移動互聯(lián)網(wǎng)訪問，還包括對云中的豐富交互工作、媒體和娛樂應(yīng)用程序或現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)(集中式和分布式框架)的支持。

從可穿戴電子設(shè)備到自動駕駛，5G努力在各個垂直市場實(shí)現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)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(qū)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(wù)以及提供哪些服務(wù)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(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)中進(jìn)行選擇的場景相關(guān)，這取決于服務(wù)、性能、成本或用戶首選項(xiàng)。當(dāng)服務(wù)從一個網(wǎng)絡(luò)配置傳輸?shù)搅硪粋€網(wǎng)絡(luò)配置時，一個重要的考慮因素是網(wǎng)絡(luò)互操作性的程度。

5G承諾之一是為多種設(shè)備的用戶提供統(tǒng)一的體驗(yàn)。從運(yùn)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(wǎng)絡(luò)，以及在不同接入技術(shù)上運(yùn)行的一臺設(shè)備的互操作性要求;對設(shè)備間業(yè)務(wù)連續(xù)性的要求。5G系統(tǒng)為用戶提供了將現(xiàn)有服務(wù)會話從一臺設(shè)備轉(zhuǎn)移到另一臺設(shè)備的能力，并將用戶可察覺的服務(wù)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(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施來正常運(yùn)轉(zhuǎn):電力、水、下水道、燃?xì)獾取ｊP(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控是一項(xiàng)繁瑣的工作，通常需要只有專用有線連接才能實(shí)現(xiàn)的服務(wù)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(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)所能達(dá)到的范圍。同樣，結(jié)構(gòu)監(jiān)控需要配置大量低數(shù)據(jù)率電池供電的無線傳感器，而目前的無線網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)設(shè)施和服務(wù)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(kuò)展的互聯(lián)服務(wù)，這些服務(wù)不需要城市徹底改造私人和公共基礎(chǔ)設(shè)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(shè)備(如傳感器和執(zhí)行器)收集和處理數(shù)據(jù)，以監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)，并根據(jù)環(huán)境條件優(yōu)化性能。傳感器還使服務(wù)提供商能夠檢測當(dāng)隱藏的管道和電纜需要修理或當(dāng)一個未經(jīng)授權(quán)的訪問發(fā)生。5G系統(tǒng)旨在支持部署密集的設(shè)備之間可靠的低延遲通信，這些設(shè)備受到電源限制，且數(shù)據(jù)速率要求廣泛。

視頻和音頻流媒體、視頻電話、社交網(wǎng)絡(luò)和多媒體消息傳遞只是當(dāng)今無線網(wǎng)絡(luò)中使用的一些流行的通信和娛樂應(yīng)用程序。此外，新的應(yīng)用程序正在涌現(xiàn)，如實(shí)時多用戶游戲、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(VR/AR)、3D多站點(diǎn)網(wǎng)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(yīng)用程序?qū)⑿枰@著提高數(shù)據(jù)速率、容量和非常低的傳輸延遲，這是目前的無線網(wǎng)絡(luò)所不支持的。5G系統(tǒng)提供的解決方案使通信和娛樂應(yīng)用得以持續(xù)發(fā)展。業(yè)界對實(shí)現(xiàn)智能、互聯(lián)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)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(shè)備的連接成本來支持大規(guī)模部署，使運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)榉涓C和非蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供連接，并有效利用頻譜進(jìn)行設(shè)備到設(shè)備(D2D)通信，從而實(shí)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(yù)計將帶來對網(wǎng)絡(luò)操作的廣泛需求。例如，對諸如收費(fèi)、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(yīng)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(fù)雜性，這意味著簡單地為應(yīng)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(wù)部門和垂直行業(yè)，有必要將本質(zhì)上不同的部門相互隔離。例如，網(wǎng)絡(luò)中大量用戶用電表發(fā)生故障的場景不應(yīng)對提供給eMBB用戶或醫(yī)療保健和安全應(yīng)用程序的服務(wù)產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，隨著3GPP社區(qū)支持新的垂直市場，也將需要獨(dú)立的細(xì)分市場管理和編配(MANO)，以及為每個垂直市場或細(xì)分市場提供定制的分析和服務(wù)公開功能。該功能不應(yīng)僅限于提供不同段之間的隔離，還應(yīng)允許操作員部署同一網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的多個實(shí)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(wǎng)絡(luò)功能組成，這些功能支持特定用例的通信服務(wù)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(wǎng)絡(luò)切片沒有以任何形式的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列。給定的網(wǎng)絡(luò)片只包含給定應(yīng)用程序或服務(wù)類所需的功能。設(shè)備可以被定向到適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)片，以滿足操作員和用戶的需求，例如，基于訂閱或設(shè)備類型。網(wǎng)絡(luò)切片主要以核心網(wǎng)絡(luò)的一個分區(qū)為目標(biāo)，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(wǎng)絡(luò)切片劃分資源。

向網(wǎng)絡(luò)遷移切片5 G服務(wù)需要仔細(xì)考慮的安全要求，隔離片，每個運(yùn)營商的具體的個人需求，是否托管平臺提供者或網(wǎng)絡(luò)片租戶，在確保數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲的完整性在網(wǎng)絡(luò)片[45]。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)中存在大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，可能需要全新的技術(shù)和解決方案，而當(dāng)前的4G網(wǎng)絡(luò)可能無法提供這些技術(shù)和解決方案。支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署所需的一個基本特性是設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施方面的可伸縮性。目前的LTE網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方式，使得這種可擴(kuò)展性在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都難以實(shí)現(xiàn)。5G系統(tǒng)旨在為大量低成本、低功耗、低復(fù)雜度的設(shè)備提供在mMTC使用場景下的連接。一般來說，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在通信期間需要在低功耗模式下運(yùn)行，同時保持高水平的可靠性和覆蓋。

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

按需移動包括兩個部分:(1)管理主動設(shè)備的移動性，(2)跟蹤和接觸支持省電閑置模式的設(shè)備。同時，對移動性支持的要求也可能因應(yīng)用和服務(wù)的不同而有所不同。雖然一些服務(wù)要求網(wǎng)絡(luò)遷移事件對應(yīng)用層透明，以避免服務(wù)交付中的中斷，但其他應(yīng)用程序可能有特定的方法來確保服務(wù)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(shù)）內(nèi)或RAT間小區(qū)變化期間，盡量減少中斷時間和數(shù)據(jù)包丟失，或保持相同的IP地址。

改善用戶體驗(yàn)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(wù)優(yōu)先級和對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的感知。為了讓這樣的數(shù)據(jù)收集,一個終端用戶選擇和控制元件應(yīng)提供給用戶指定哪些方面的服務(wù)性能是最重要的他們,將他們的偏好數(shù)據(jù)收集為了保持平衡用戶隱私和服務(wù)質(zhì)量優(yōu)化。圍繞用戶體驗(yàn)監(jiān)控的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)該包括第三方實(shí)體，如數(shù)據(jù)代理和內(nèi)容提供商，這將被進(jìn)一步視為用戶控制的一部分。內(nèi)容提供商還需要同意收集有關(guān)其應(yīng)用程序和內(nèi)容使用情況的數(shù)據(jù)。

前幾代蜂窩技術(shù)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(wù)。在5G時代，這種類型的服務(wù)將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，但現(xiàn)在需要蜂窩技術(shù)來有效支持一系列其他新興應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)被廣泛視為包括遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能電網(wǎng)、智能城市、智能交通和智能汽車在內(nèi)的一系列應(yīng)用的保護(hù)傘。5G系統(tǒng)需要支持廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，包括地理和/或電力受限、低數(shù)據(jù)設(shè)備和/或要求大量實(shí)時數(shù)據(jù)的復(fù)雜設(shè)備。IoT是一個可能是可取的設(shè)備之間直接通信，而不是通過網(wǎng)絡(luò)通信的領(lǐng)域。

增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)服務(wù)是快速增長的市場，驅(qū)動設(shè)備性能的進(jìn)步，消費(fèi)者對新用戶體驗(yàn)的興奮，以及一系列實(shí)際應(yīng)用。預(yù)計這些服務(wù)對高帶寬(特別是虛擬現(xiàn)實(shí))和低延遲(特別是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))的要求很高。滿足用戶對這些服務(wù)的需求預(yù)計將成為5G發(fā)展的重要驅(qū)動力。

蜂窩系統(tǒng)的另一個新興應(yīng)用領(lǐng)域是公共安全和為第一反應(yīng)者和其他用戶提供關(guān)鍵任務(wù)通信。5G技術(shù)應(yīng)該維護(hù)和擴(kuò)展正在開發(fā)的關(guān)鍵任務(wù)通信技術(shù)，這是LTE的一部分。該領(lǐng)域還將對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和可穿戴技術(shù)提出具體要求。用戶越來越依賴移動連接，這對為這些關(guān)鍵應(yīng)用提供足夠的覆蓋范圍和能力繼續(xù)構(gòu)成技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。

2.2

部署場景

5G部署場景的研究是確定服務(wù)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(guān)注于部署問題，而不是用戶體驗(yàn)。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(wǎng)絡(luò)服務(wù)將擴(kuò)大到包括用戶密度較低但機(jī)動性較高和覆蓋范圍較廣的郊區(qū)和農(nóng)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(kuò)大到郊區(qū)和農(nóng)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(shù)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(yùn)行架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溟_始分析。5G RAN架構(gòu)的設(shè)計原則是基于基站的分解和控制面(CP)與用戶面(UP)實(shí)體的分離。該架構(gòu)進(jìn)一步支持3GPP LTE和3GPP NR接入和核心網(wǎng)絡(luò)實(shí)體之間的連接。圖5所示的RAN架構(gòu)場景支持以非獨(dú)立(NSA)模式與LTE核心網(wǎng)(EPC)或5G核心網(wǎng)(5GC)同時部署LTE eNBs和NR gNBs，以及以獨(dú)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(shè)備可用之前，NSA場景將占主導(dǎo)地位，隨后5G系統(tǒng)的SA部署將占主導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)參考點(diǎn)，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(xì)討論。在考慮C-RAN架構(gòu)時，有兩種gNB部署選項(xiàng)，如圖6所示[16,17]：

l 集中式gNB部署:在這個場景中，所有運(yùn)行的協(xié)議和功能都位于同一個站點(diǎn)中。這個部署選項(xiàng)對應(yīng)于當(dāng)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(yùn)行的協(xié)議和功能分布在不同的站點(diǎn)上;也就是說，在C-RAN體系結(jié)構(gòu)中，DU和CU在物理上可能是分開的。CU可以進(jìn)一步劃分為CP和UP實(shí)體。DU托管RLC、MAC和PHY協(xié)議，CU-CP實(shí)體托管PDCP-C和radio resource control (RRC)協(xié)議，而CU-UP實(shí)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(shí)體提供了基于期望的拓?fù)浜托阅軆?yōu)化不同運(yùn)行函數(shù)位置的可能性。例如，CU-CP可以放置在DU實(shí)體附近的位置。它還可以與DU共存，從而為關(guān)鍵的CP過程(如連接(重新)建立、切換和狀態(tài)轉(zhuǎn)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(jù)中心，從而支持集中式實(shí)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(diǎn)。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(yīng)用程序(例如，URLLC流量)的UP流量提供一個本地終止點(diǎn)。

圖6 gNB(NR 基站)不同部署選擇

在圖6所示的分布式gNB架構(gòu)中，有必要協(xié)調(diào)CU-CP和CU-CP實(shí)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(shè)置、修改和CU-CP中的數(shù)據(jù)無線電承載器(DRBs)的配置，以及當(dāng)CU-CP實(shí)體配置CU-CP實(shí)體中的安全密鑰以進(jìn)行RAN級安全激活和配置時。為了實(shí)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(gòu)支持以下拓?fù)?，以支持不同的用例和部署場景[16]：

l 非集中的RAN架構(gòu):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(shí)現(xiàn)，例如，在宏單元部署或室內(nèi)(公共或企業(yè))熱點(diǎn)環(huán)境中。gNB可以使用任何傳輸機(jī)制(例如，以太網(wǎng)，光纖)相互連接。但是，假定gNB能夠通過3GPP定義的標(biāo)準(zhǔn)接口連接到其他gNB或eLTE eNBs。

l 集中式的RAN架構(gòu):在這個場景中，無線協(xié)議棧的上層(PDCP和RRC層)在CU中實(shí)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(jī)制，例如光傳輸網(wǎng)絡(luò)(OTN)，在CU和位于DUs的堆棧的較低層之間，可以實(shí)現(xiàn)高級協(xié)調(diào)多點(diǎn)(CoMP)傳輸/接收方案和小區(qū)間調(diào)度優(yōu)化，這在大容量場景或需要小區(qū)間協(xié)調(diào)的場景中是有用的。更高層次的NR無線協(xié)議?？梢园岬姐~,如果使用低性能的傳輸機(jī)制和銅之間的DU (s),因?yàn)樵谶@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(diǎn)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(shù)(大鼠)的所有頻譜資源，使用負(fù)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(yùn)行部署，這意味著有多個托管的核心運(yùn)營商。在國家或區(qū)域網(wǎng)絡(luò)部署的情況下，共享的RAN拓?fù)淇梢愿采w很大的地理區(qū)域。共享的RAN體系結(jié)構(gòu)也可以是異構(gòu)的;也就是說，僅限于幾個較小的區(qū)域，就像在共享的構(gòu)建內(nèi)運(yùn)行的情況下一樣。共享運(yùn)行應(yīng)該能夠有效地與非共享運(yùn)行進(jìn)行互操作。每個核心運(yùn)營商可以有自己的非共享的RAN服務(wù)區(qū)域，毗鄰共享的RAN服務(wù)區(qū)域。非共享運(yùn)行和共享運(yùn)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(yùn)行，也可以在每個主機(jī)操作員的頻譜中運(yùn)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(yīng)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(gòu)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(diǎn)和小區(qū)接入點(diǎn)覆蓋高通量宏單元內(nèi)小范圍區(qū)域。在這些部署場景中，根據(jù)小區(qū)布局和接入節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(wù)于大蜂窩，NR服務(wù)于小蜂窩。相反的情況也可能出現(xiàn)，這對于5G網(wǎng)絡(luò)的初始部署可能沒有實(shí)際意義。共存小區(qū)根據(jù)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(dǎo)了集中式和協(xié)作式C-RAN架構(gòu)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(wǎng)絡(luò)服務(wù)的同一區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)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(jié)合，具有更高的頻譜效率和干擾協(xié)調(diào)能力?；陂_放平臺和基站虛擬化的實(shí)時云基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)處理、聚合和動態(tài)資源分配，降低功耗，提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率。對CU上的處理資源進(jìn)行動態(tài)管理和分配，提高了無線和網(wǎng)絡(luò)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(shù)，網(wǎng)絡(luò)性能也得到了顯著提高。隨著技術(shù)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(gòu)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(shí)時處理需求。如圖10所示，CU功能主要包括非實(shí)時的高層運(yùn)行協(xié)議處理，以及移動到網(wǎng)絡(luò)邊緣的核心網(wǎng)功能，實(shí)現(xiàn)移動邊緣計算(MEC)服務(wù)和觸覺互聯(lián)網(wǎng)。因此，一個DU主要負(fù)責(zé)部分或全部二層協(xié)議的物理層處理和實(shí)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(shí)現(xiàn)的角度來看，CU設(shè)備可以基于通用處理器或服務(wù)器平臺進(jìn)行開發(fā)。DU硬件可以使用定制的soc和/或混合平臺來實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)計算密集型功能的實(shí)時處理。通過NFV基礎(chǔ)設(shè)施，可以通過MANO實(shí)體、SDN控制器和傳統(tǒng)運(yùn)維中心對系統(tǒng)資源(包括CU和DU)進(jìn)行靈活的統(tǒng)籌和管理，支持運(yùn)營商對業(yè)務(wù)快速上線的需求。

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

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(wǎng)絡(luò)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。它定義了移動前端流量(例如基于以太網(wǎng)的)傳輸?shù)募軜?gòu)，包括用戶數(shù)據(jù)流量以及管理和控制平面流量。該小組進(jìn)一步定義了對前端網(wǎng)絡(luò)的要求，包括數(shù)據(jù)速率、定時和同步以及QoS。該標(biāo)準(zhǔn)還分析了遠(yuǎn)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(jìn)大規(guī)模MIMO和CoMP收發(fā)等協(xié)作無線電功能的實(shí)現(xiàn)。

l IEEE P1914.3標(biāo)準(zhǔn)指定了數(shù)字化復(fù)值相位和正交無線電信號組件的封裝，以及(供應(yīng)商)特定的控制信息通道/流到封裝的以太網(wǎng)幀有效載荷字段。已經(jīng)指定了對現(xiàn)有數(shù)字化無線電傳輸格式進(jìn)行結(jié)構(gòu)感知和結(jié)構(gòu)不可知封裝的標(biāo)題格式。結(jié)構(gòu)感知封裝假定具有封裝的數(shù)字化無線電傳輸格式內(nèi)容的詳細(xì)知識，而結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步定義了一個結(jié)構(gòu)感知的映射器，用于CPRI幀和負(fù)載與以太網(wǎng)封裝幀之間的映射。必須注意的是，與結(jié)構(gòu)無關(guān)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(wǎng)絡(luò)的可預(yù)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(nèi)蜂窩基站功能的新功能分區(qū)。新的分割點(diǎn)能夠顯著減少所需的數(shù)據(jù)量前傳鏈接能力。所需的帶寬可以根據(jù)用戶平面的流量在以太網(wǎng)上進(jìn)行靈活擴(kuò)展。以太網(wǎng)的使用打開了在同一交換網(wǎng)絡(luò)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(shí)時流量接口，能夠使用復(fù)雜的協(xié)調(diào)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(wǎng)絡(luò)。除了新的eCPRI規(guī)范，特別興趣工作組將繼續(xù)進(jìn)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(nèi)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(jī)網(wǎng)絡(luò)連接CU和一個或多個DU實(shí)體。通過NGFI接口，CU、DU實(shí)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(diǎn)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(gòu)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(gòu)

傳統(tǒng)上，移動網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)為語音和數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化。然而，在5G時代，他們必須服務(wù)各種不同特性和服務(wù)/性能要求的設(shè)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(wǎng)和關(guān)鍵任務(wù)物聯(lián)網(wǎng)，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(wǎng)絡(luò)。例如，將測量溫度、濕度、降水等的固定傳感器連接到移動網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)不需要切換或位置更新等功能，而這些功能在服務(wù)中一直是關(guān)鍵的語音服務(wù)。關(guān)鍵任務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，如自動駕駛或遠(yuǎn)程控制機(jī)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(wù)是能夠容忍延遲的。

網(wǎng)絡(luò)切片的目標(biāo)是將網(wǎng)絡(luò)從使用相當(dāng)靜態(tài)的one-network -fits -all方法轉(zhuǎn)換為動態(tài)模型，其中可以在相同的物理基礎(chǔ)設(shè)施上創(chuàng)建多個邏輯網(wǎng)絡(luò)，以滿足不同用例的不同需求。網(wǎng)絡(luò)切片是一個概念，使運(yùn)營商能夠創(chuàng)建服務(wù)定制(邏輯)網(wǎng)絡(luò)，以提供優(yōu)化的解決方案，不同的業(yè)務(wù)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(shè)是，運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)切片在無線接口層對終端是透明的。網(wǎng)絡(luò)片是一個邏輯網(wǎng)絡(luò)，它包含一組網(wǎng)絡(luò)功能(可以是虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(VNFs)，也可以是物理網(wǎng)絡(luò)功能)和相應(yīng)的資源，如計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源等。切片還可以被視為應(yīng)用程序的唯一配置文件，定義為網(wǎng)絡(luò)中的一組服務(wù)，以支持給定的用例、流量類型或客戶。一個切片可以服務(wù)于特定的目的或特定的服務(wù)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(wǎng)絡(luò)即服務(wù)(NaaS)方法按需創(chuàng)建。每個網(wǎng)絡(luò)切片都存在于一個SDN覆蓋層中。在片內(nèi)，根據(jù)使用切片的服務(wù)的需求將一組網(wǎng)絡(luò)功能鏈接在一起。共享相同的底層物理基礎(chǔ)設(shè)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、硬件/軟件和網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)來設(shè)計這個系統(tǒng)。在某些情況下，網(wǎng)絡(luò)切片可以共享功能組件。

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

圖12 網(wǎng)絡(luò)切片概念說明

針對不同需求的業(yè)務(wù)創(chuàng)建專用的切片，根據(jù)業(yè)務(wù)的不同，將虛擬化的網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)功能，例如收費(fèi)、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(yùn)營商可以以最經(jīng)濟(jì)的方式定制網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)切片。運(yùn)行切片可以通過將一個片標(biāo)識符映射到應(yīng)用于運(yùn)行控制面和用戶面功能的一組配置規(guī)則來實(shí)現(xiàn)。一些網(wǎng)絡(luò)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(diào)各個切片之間運(yùn)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(yīng)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(jù)網(wǎng)絡(luò)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(jù)其需求和優(yōu)先級獲得資源，可以使用調(diào)度(即，切片從集中式調(diào)度器請求資源，該調(diào)度器根據(jù)總體流量負(fù)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(yù)先配置為在整個操作時間內(nèi)使用專用資源進(jìn)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。控制面功能的特定于切片的配置規(guī)則為每個切片適應(yīng)運(yùn)行的控制面功能。這是因?yàn)榍衅赡懿恍枰械目刂泼婀δ堋＿€需要對網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行特定的準(zhǔn)入控制，使系統(tǒng)能夠滿足各種網(wǎng)絡(luò)切片的初始接入需求。