發(fā)布時間：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)模建設已經(jīng)到來。筆者從網(wǎng)絡架構上比較 4G 網(wǎng)絡和 5G 網(wǎng)絡架設的不同理念， 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，以及現(xiàn)階段 4G/5G 網(wǎng)絡協(xié)同建設策略。在分析比較的基礎上，進一
摘要：4G 網(wǎng)絡已進入深耕細作階段，而 5G 網(wǎng)絡規(guī)模建設已經(jīng)到來。筆者從網(wǎng)絡架構上比較 4G 網(wǎng)絡和 5G 網(wǎng)絡架設的不同理念， 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，以及現(xiàn)階段 4G/5G 網(wǎng)絡協(xié)同建設策略。在分析比較的基礎上，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)絡整體結構
4G 網(wǎng)絡系統(tǒng)采用扁平化的結構，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)架構如圖1所示。 圖一 EPS系統(tǒng)架構
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)和 PGM(分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關)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)包的路由端轉發(fā)。它還終結無線接口空閑狀態(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)務相關要求產(chǎn)生 QoS(服務質量)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)絡整體結構
(一)5G云架構
當前云技術、SDN技術得到快速發(fā)展，5G移動通信網(wǎng)絡作為前沿性技術，其可對依賴于網(wǎng)絡技術生存的企業(yè)等做出巨大貢獻。在對5G網(wǎng)絡進行構建時，將SDN技術融合到系統(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立的，可實現(xiàn)網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)轉換與傳輸，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
相關期刊推薦：《電信快報》以促進我國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與普及、提高電信科學技術水平為宗旨，全力報道我國電信科技創(chuàng)新信息，跟蹤全球信息產(chǎn)業(yè)動態(tài)《電信快報》準確定位，力求與信息產(chǎn)業(yè)市場接軌，欄目設置有：精英人物、技術交流、論文選萃、網(wǎng)絡應用、科普園地、要聞集錦等;內(nèi)容以通信、互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)為主，相關專業(yè)為輔;讀者對象以中級專業(yè)人員為主，兼顧高級與初級專業(yè)人員;組稿標準以新穎性、前瞻性、啟發(fā)性、實用性相結合。
(二)控制器架構
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)絡架構一般以雙層架構、分層架構、控制架構、無線架構為主。雙層式是指我網(wǎng)絡架構以網(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)量和異構融合度。在雙層式網(wǎng)絡架構中，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�？刂萍軜嬍且�5G異構網(wǎng)絡為基準構建起來的，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)同建設思路
目前，中國三大運營商均將2020年設為5G正式商用元年。由于 5G 網(wǎng)絡部署在高頻段，需要建設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 /Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實技術)等。因此 5G 建網(wǎng)初期主要考慮 eMBB 業(yè)務的部署。
(1)5G 技術 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， 利用 5G 技術 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)域實施分流。
(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
低重復建設節(jié)省投資。
(4)5G 無線網(wǎng) CU/DU 架構與現(xiàn)網(wǎng)結構的協(xié)同
與現(xiàn)有 4G 網(wǎng)絡結構有效協(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，可考慮在光交箱側新建室外一體化機柜設置 CU/DU 匯聚光交附近基站。
四 4G 網(wǎng)絡架構到 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)絡切片等技術實現(xiàn)轉發(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，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基礎設施，架設新的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，無需建設新的核心網(wǎng)，能快速擴大5G覆蓋范圍。通過以上對NSA與SA 網(wǎng)絡架構技術差異的分析，可以看到雖然NSA組網(wǎng)可以充分利用4G網(wǎng)絡基礎，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，可以為各行業(yè)的應用打開空間。
五、結束語
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5G網(wǎng)絡的同時進一步提升4G網(wǎng)絡質量，充分考慮網(wǎng)絡向5G順利演進，推進網(wǎng)絡智能化轉型，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。