5G的功能架構和靈活性
12.1 5G架構的進階要求
在定義 RAN 邏輯架構之前，需要先定義一些進階原則。這些原則的制定需要考慮 5G 使用者需求和預期的業務。下面列舉最為重要的 5G 進階架構原則。
原則 1：5G 架構需要利用與 LTE 演進共同部署的優勢，但是應當避免系統間的依 賴關系。同時，所有的 RAN 功能（例如系統接入、移動性、QoS 處理和覆寫）都需要 考慮新的空中接口工作的頻率。
這個原則來源于：
（1）對 LTE 成功提供移動寬帶業務（MBB）以及其他的業務，比如 mMTC [4] 的肯定；（2）在 5G 部署的初期，LTE 将會擁有廣泛的覆寫 [5]。這一原則得到文獻[5]的肯定，5G 架構設計需要遵循多無線接入技術（RAT）的協作的原則 [5]。 RAT 間的協作還包括非 3GPP 技術，例如 IEEE 802.11 家族，但是協作的水準有所不同。在 5G 和 3G 或者 2G 網絡之間也許不需要切換和業務連續性 [5]。
原則 2：5G 架構允許多層和多 RAT 的多連接配接。
未來一個終端可以連接配接到相同 RAT 的多個連結（例如宏基站和小基站），也可以是 不同 RAT 的多個連結（例如新的 RAT 和 LTE）。這樣實際上是利用或者延伸了諸如載波 聚合或者雙連接配接技術。RAT 的組合可以包括非 3GPP RAT，例如 IEEE 802.11ax（高效 率 Wi-Fi 技術）
原則 3：5G 架構需要支援采用不同的回傳技術的節點間協作。
這意味着新的空中接口的設計要盡可能避免不必要的限制，滿足不同的網絡功能分 拆部署的要求。這一原則十分重要，因為幹擾消除的協作機制是“5G 設計原則”[5]，其 中大規模 MIMO 和多點協作（CoMP）發送和接收機制是重要的技術元素 [4]。這一原則 也适用于部署在不同位置部署的 LTE 演進網絡和新的空中接口。同時確定營運商現有的 回傳網絡仍然能夠進行 5G 部署。
原則 4：5G 架構需要内在的靈活性，來實作廣泛用例和商業模型的場景中網絡能力 的優化使用。
這一原則要求 3GPP 制定相同的邏輯架構，并足夠靈活地提供 MBB 業務和非 MBB 業務，例如uMTC和不同的商業模型（比如網絡分享）。對于無線接入網絡和核心網架構， 協定設計需要足夠靈活來滿足不同的要求。
原則 5：5G 架構需要可程式設計的架構來實作創新。
為了支援未來廣泛的要求，并提供大量的服務（包括 5G 部署時仍然未知的服務）， 同時允許快速的業務創新，5G 的終端需要高度可程式設計和可配置，需要支援多模多頻段， 能夠聚合來自不同技術的資料流。同時需要提高終端的能耗性能和業務感覺的信令效率。
12.2 功能架構和5G靈活性
在傳統的網絡中，如何将 NF 和 NE 分拆到實體節點是針對特定的部署進行的。 SDN 和 NFV 技術使新的網絡架構成為可能，允許以新的方式部署移動網絡。除了空中 接口，出于顯而易見的原因，近來 5G 研究突出了基于 NF 定義和功能之間接口的邏輯 架構，而不是基于 NE 定義和節點之間接口的架構 3。這一方案的優勢如下。
- 參考傳輸網絡的能力和制約因素，靈活優化地布置 NF；
- 避免備援，僅采用必要的 NF；
- NF 可以通過特殊實作方式進行優化。
但是，這個方式需要定義大量的接口，進而實作多廠商互操作。是以，根據功能使 用的情況，營運商必須能夠靈活地定義和配置自己的接口。對營運商潛在的挑戰是系統 的複雜性，其中有大量的接口需要管理。如 14 節所述，采用軟體接口而不是節點之 間的協定或許是一個解決方案。是以，5G 的架構設計需要平衡複雜性和靈活性。
本節介紹 NE 功能分拆的準則、功能分拆的例子和優化移動網絡營運的案例。需要 指出的是本節的分析不僅支援從節點間到功能間接口的變化，也适用于潛在 RAN 功能 分拆的節點間功能接口。
12.2.1 功能分拆準則
在邏輯架構設計時，“功能分拆”允許将網絡功能映射到協定層，同時将這些協定 層配置設定到不同的網絡單元中。
在 5G 中有不同的功能分拆的可能性。主要是由下面的兩個因素決定的。
- 把網絡功能按照相對于無線幀需要同步和不需要同步加以區分。基于這一原則， 接口可以分為嚴格時間限制和松散時間限制。
- 回傳（BH）以及或許用于 5G 的前傳技術，這些技術給接口帶來時延和帶寬的 限制。
對于功能分拆，下列因素應當特别認真考慮 [8]。
- 集中化的優點：從架構來看，是否集中部署優于分布部署（見表 3.1）。
- 計算需求及多樣性：一些功能或許需要集中化提供的強大的運算能力，同時在這些區域提供不同需求類型的應用。
- 鍊路級實體限制：特别是在中心單元池和遠端單元之間的連接配接上的時延和帶寬要求。
- 面向空中接口，網絡功能之間的同步和時延依賴性：運作于 OSI 模型上層的網 絡功能被認為是非同步的。是以如果兩個網絡功能之一需要來自另一個功能的關鍵時間 資訊，二者就不應當被分拆。表 3.1 歸納了網絡功能從完全集中式到完全分布式部署的 優點、需求和限制。
12.2.2 功能分拆選項
如前所述，5G 的特點是可以将網絡功能靈活地布置于網絡拓撲結構的任意位置。 這種靈活性引入兩個可選方式，即集中化 RAN（C-RAN）和分布式 RAN（D-RAN）。 傳統意義上，C-RAN 主要是集中化基帶處理資源（基帶池）。在 NFV 的幫助下，将 工業化标準的大量伺服器硬體用于基帶信号處理，C-RAN 可以被延伸到雲計算無線接入 網絡（Cloud-RAN），其中網絡功能采用虛拟化的方式部署。對于原有以 D-RAN 為主的 實體架構，C-RAN 和 Cloud-RAN 架構展現了結構改變。 到目前為止，隻有完全集中化的 RAN 架構得到部署，這就需要通過無線接入點和 基帶池之間的前傳來傳輸數字化的信号（I/Q 采樣，每個天線端口一路資料流），如通 過 CPRI 接口 [9] 或者 ORI 接口 [10]。5G 網絡的靈活性概念引伸為一般意義上的功能分拆。 一個經典的功能分拆報告請見文獻 [8]。圖 3.5 顯示了四種不同的無線接入點和集中處 理器之間的功能分拆的選擇方案。圖中的分界線的位置标明了不同網絡層位于中心位置 （分界線之上）和還是位于本地位置（分界線之下）。
- 分拆方法 A：較低實體層分拆。類似于現有的基于 CPRI/ORI 接口的功能分拆。 最高集中化增益需要付出昂貴的前傳的代價。
- 分拆方法 B：較高實體層分拆。類似于前一種分拆方式，但僅對基于使用者的網絡 功能進行集中化，而小區特定的功能實施遠端管理。例如，前向糾錯（FEC）編碼 / 解 碼或許是集中的。這種分拆的處理能力和前傳要求随着使用者數、占用資源和資料速率改 變。是以，在前傳鍊路可能獲得集合（MUX）增益，而集中增益略有損失。
- 分拆方法 C：MAC 層集中化。關鍵時間集中化處理不是必需的，而且集中化增 益較小。這就意味着排程和鍊路自适應（LA）必須差別為關鍵時間部分（本地操作）和 非關鍵時間部分（集中操作）。
- 分拆方法 D：分組資料融合協定（PDCP）集中化。類似于現有的 3GPP LTE 的雙連接配接機制。不需要和空中接口幀同步的功能通常是集中化和虛拟化中要求最少的。這 些功能通常位于PDCP和RRC協定層。前面提到位于低層的功能必須和空中接口幀同步， 例如，分拆方式 A 和 B 中的部分功能。這對他們之間的接口提出很高的要求，使集中 化和虛拟化極具挑戰。
此外，這裡沒有明确闡述的是，核心網功能是集中化和虛拟化的最大獲益者。 如第 13 節所述，實際的功能分拆高度依賴于實體部署和特定的應用。而且，功能 分拆可以按照控制面和使用者面來進行不同的分拆。三種模型如下 [8]。
- 直接流程：來自核心網的分組資料進入中心實體，再由中心實體發送到遠端單元。這個方式經過集中化的較高層和分布式的較低層來實作。
- 前向 - 後向流程：來自核心網的分組資料直接發到遠端單元，遠端單元決定哪些 資料必須由中心單元處理。之後，中心單元網絡功能完成所需的處理，并把分組資料再 次發給遠端單元。這個選擇由分布式管理的某些較高層網絡功能實作。
- 控制 / 使用者面分拆：上述兩個模型可以進一步分拆為僅負責控制面處理的中心單 元和僅負責使用者面處理的遠端單元組成。
12.2.3 特定應用的功能優化
5G網絡将會為無線網絡營運的優化提供更多的自由度，例如，針對特定的目的，可能 部署專用軟體，其中隻包括部分RAN協定棧。表3.2列舉了一些無線網絡功能優化的要素。
基于場景可以優化的功能存在于所有 RAN 協定層。在實體層，編碼承擔着重要的 作用，例如，适用于 mMTC 的分組編碼和适用于 xMBB 的 Turbo 編碼，對于資源受限 的硬判決解碼，載波調制（例如關鍵時延業務采用單載波，高速率業務采用多載波）， 或者根據具體場景采用不同信道預測算法。
在 MAC 層，除了其他的方面，Hybrid ARQ 或許可以根據時延的要求，進行不同的 優化。移動性功能高度依賴實際使用者移動速度。排程器的實作必須考慮使用者密度、移動 性和 QoS 要求。随機接入協作也可以針對 MTC 進行優化。
網絡級功能可以依據實際的部署方式和業務組成進行優化。本地分流功能取決于是 否提供本地業務，即本地化的業務，例如網際網路的流量可能由無線接入節點來處理。多 小區合作和協作依賴于網絡的密度、結構特征和使用者特點，諸如幹擾分布和使用者密度。 雙連接配接功能取決于某個多 RAT 協作功能可以被采用（見 12.2.5 節）。
例如，在大規模 MIMO 和小基站超密網絡（UDN）廣域部屬的場景。由于 UDN（見 第 11 章）和大規模 MIMO 波束可以使用于較高的頻段，而小基站和窄波束無法確定移 動條件下的頑健性。是以，多 -RAT 連接配接可以實作 C 面分極。 集中化的程度嚴重依賴于可預期的回傳網絡。 例如：具有光纖連接配接的宏蜂窩可以更多地集中化部署。出于經濟原因考慮，UDN 節點需要自帶無線回傳子產品。但是由于帶寬受限，僅有較少的網絡功能可以集中化部署。 再有，網絡功能的使用依賴于場景和部署的 RAN 技術。 例如：對于UDN網絡，小區間幹擾協作或者多小區聯合處理是必要的。同時大規模 MIMO需要導頻協作算法。而且，UDN通常部署在步行街環境，移動性低，相較于大範圍 的鐵路環境，這一場景允許不同幹擾消除方法。最後，利用大規模MIMO實作回傳，則不 需要移動性管理。在體育場場景，内容是在本地提供，是以核心網功能、資訊和電信業務 也應當是在本地提供。類似地，在熱點地區服務可以由本地提供，這就需要本地核心網功能。 以上每個例子，都可以采用針對特定的用例專有的軟體進行優化。
12.2.4 內建 LTE 和新的空中接口來滿足 5G 需求
将新的空中接口和原有系統內建，一直是移動網絡引入新一代技術過程中的重要組 成部分。直到引入 4G 階段，這一工作的主要目标是實作全網無縫的移動管理。實作在 特定區域平滑引入新一代技術新業務的同時，保證原有業務的平穩運作，例如，UTRAN 支援的語音業務，而在 LTE 引入初期通過 CSFB 實作語音業務回落。在不同的 3GPP 系 統之間，內建一般是通過不同系統核心網節點之間的接口來實作，例如，S11 接口（在 MME 和業務網關之間），S4 接口（在業務網關和 SGSN 之間） [11]。
向 5G 演進的過程中，新空中接口和 LTE 的緊密內建（相對于現有系統之間的內建）， 從第一時間起就是 5G RAN 架構必不可少的組成部分。
這裡的緊密內建是指在具體的接 入協定之上，采用多接入共享的協定層。 這裡緊密內建的要求來自于 5G（高達 10 Gbit/s）的速率要求。同時和低延遲時間要求一 起推動了在較高的 6 GHz 之上的頻段設計新空中接口。在這些頻段，傳播特性更具有挑 戰性，覆寫呈點狀覆寫 [12]。
與 5G 研究活動同步進行的是，3GPP 不斷地增加 LTE 的功能，很可能當 5G 推向市 場的時候， LTE具有的能力已經可以滿足很多5G要求，例如和MTC及MBB相關的要求。 那時，LTE 也将廣泛地部署，并運作在傳播特性更好的頻段，這使得 LTE 和新空中接口的內建更具吸引力 46。
這些多種接入方式的緊密內建方案，之前已經有所研究 [13]，其中 GSM、UTRAN 和 WLAN 共有的基于 RRM 的架構被引入到基于業務的接入選擇。在 Ambient Networks 項 目中 [14]，對不同的緊密內建架構進行了讨論，提出了一個依賴多個無線資源管理的架構 和一般連結分層方案。 近來更多的緊密內建的架構得到驗證，其中同時考慮了 LTE 協定架構，以及新的空 中接口的重要因素 [12]。而且根據文獻 [12]，至少在 LTE 的 PDCP 和 RRC 層應該和新的 空中接口共享，來支援 5G 需求。這導緻協定架構更傾向于 LTE Release 12 中支援雙連 接的架構。各種不同的選擇如圖 3.6 所示。
（1）互相連接配接的多個核心網和公用核心網
這種情況下，每種 RAT 擁有各自的 RAN 協定棧和各自的核心網，兩個核心網之間 由節點間接口連接配接。目前解決方案內建了 UTRAN（3G）和 E-UTRAN（4G）。控制面的 協作通過移動管理裝置（MME）和 S-GW 之間的接口完成。當 5G 和 LTE 內建時，應 該不會采用這種方案，因為這樣做很難達到無縫的移動性管理和透明連接配接。
這種情況下，每個 RAT 擁有各自的 RAN 協定棧，而共享核心網。新的 5G 網絡功 能可以用于 LTE，也可以用于新空中接口。這樣可以潛在地減少硬切換的時延，并實作更加無縫的移動性。但是，潛在的多 RAT 協作的功能或許無法實作。
（2）公共的實體層（PHY）
LTE 實體層是基于 OFDM 的。實體層通過傳輸信道向 MAC 層提供服務，并将傳輸 信道映射到實體信道。基于 OFDM 的發送方式很可能會在新空中接口中得到保留，但 是仍然會和 LTE 有很大的不同，例如，OFDM 參數配置，即載波的間隔、信号的長度、 保護間隔和循環字首長度（參照第 7 章）。是以，引入共同的實體層也許非常困難。而且， 這一架構對部署也提出限制條件，因為非共站多 RAT 場景幾乎不可能工作，這是由于 在 LTE 和新空中接口間需要進階别的同步。
（3）公共媒體接入層（MAC）
LTE MAC 層以邏輯信道的形式向 RLC 層提供服務，它将邏輯信道映射到傳輸信道。 主要的功能是：上行和下行排程、排程資訊報告、Hybrid-ARQ 回報和重傳、合成 / 分拆 載波聚合時來自多個載波的資料。原則上，在 MAC 層對 LTE 和新空中接口的內建可以 帶來協作增益，實作跨空中接口，跨載波排程。 實作公共 MAC 層的挑戰來自于 LTE 和新空中接口時域和頻域結構的不同。在公共 MAC 層和下方的包括 LTE 和新空中接口的實體層需要進階别的同步。而且，對于不同 的基于 OFDM 的發送方式也需要合适的參數配置。進階别同步的實作程度同樣會制約 共址 RAT 的 MAC 層可以實作的內建程度。
（4）公共 RLC LTE 的 RLC 層向 PDCP 層提供服務。
它的主要功能是實作使用者面和控制面的分段 和連接配接、重傳處理、重複檢測，并按順序送出給更高層。由于 PHY、MAC 和 RLC 層需 要同步，RLC 內建變得具有挑戰。例如，為了實作分段 / 重組，RLC 需要了解排程的決 定，即下一個 TTI 的資源塊，這些資訊需要由 PHY 及時提供。
除非多個空中接口擁有公共的排程器，否則聯合的分段和重組難以進行。與之前描 述的公共 MAC 層類似，公共 RLC 也僅限于共址部署的 LTE 和新空中接口。
（5）公共 PDCP/ 無線資源控制（RRC）
LTE 的 PDCP 層同時用于控制面和使用者面。主要的控制面功能包括加密 / 解密和完 整性保護。對于使用者面，主要功能是加密 / 解密、報頭壓縮 / 解壓、按序傳遞、重複檢 測和重傳。與 PHY、MAC 和 RLC 層的功能相比，PDCP 功能對于下層的同步沒有嚴格 的要求，如同步。是以對于 LTE 和新空中接口特定的 PHY、MAC 和 RLC 層的功能設計， 應該不會對公共的 PDCP 層帶來影響。而且，這樣的內建也可以在共址和非共址的場景 使用，使其更具有面向未來的一般性特征。
RRC 層在 LTE 中負責控制面功能。包括接入層和非接入層的系統資訊廣播、尋呼、 連接配接處理、臨時 ID 配置設定、配置較低層協定、QoS 管理、接入網安全管理、移動性管理、 測量報告和配置。RRC 功能不需要較低層的同步，進而有可能對多個空中接口采用公共 的控制面實作協作增益。正如公共 PDCP 層，支援共址和非共址部署。
12.2.5 多 RAT 協作功能
得益于前面章節建議的公共 PDPC/RRC 協定架構的緊密內建，網絡可以實作不同的 RAT 協作功能，一些不同的選項如圖 3.7 所示。
（1）控制面分集
LTE 和新空中接口的公共控制面允許具有雙射頻終端，在單個控制點擁有對兩個空 中接口專有信令的連接配接。在 LTE Release 12 中，為了提升移動的頑健性，開發了一個類 似的雙連接配接概念 [15]。在這個功能中，不需要明确的信令來變換連接配接，接收機需要具備接 收任意連接配接上任意資訊的能力，包括在兩個空中接口上的相同資訊。這或許是這一功能 的主要優點，即在傳播困難的場景中，滿足某些重要的超可靠通信需求。另外如下所述， 公共控制面功能也是賦能使用者面內建的功能。
（2）快速控制面交換
這個基于公共控制面的功能，使得終端能夠通過任一空中接口連接配接到一個控制點，并且不需要密集的連接配接信令，就可以快速從一個連結變換到另一個連結（無需核心網信 令、上下文傳輸等）。其可靠性不如采用控制面分集高，是以進一步提高可靠性還需要其他的信令支援。
（3）使用者面聚合
使用者面聚合的一個變化形式叫作流聚合，它允許在多個空中接口聚合單一資料流。 另一個變化形式叫作流路由，這個功能是指一個給定的使用者資料流被映射到單一空中接 口。這樣來自同一個 UE 的每一個流可以被映射到不同的空中接口。這個功能的優點是 提升速率，形成資源池和支援無縫移動性。當空中接口的時延和速率不同時，流聚合的 變化形式可能帶來的好處十分有限。
（4）快速使用者面交換
這裡不同于使用者面聚合，終端的使用者面在任一時間僅使用一個空中接口，但是提供 了在多個空中接口之間快速變換機制。這就要求具有一個穩健的控制面。快速使用者面切 換提供了資源池、無縫移動，并提升可靠性。
（5） LTE 輔助的極簡設計
這個功能依賴于公共控制面，基本的想法是利用 LTE 來發送所有的控制資訊，這樣 可以簡化 5G 設計。為了達到後向相容的目的，這一點非常重要（參見第 2 章）。例如系統資訊，發送給處于休眠模式的終端的資訊可以通過 LTE 發送，這樣做主要的好處是減少了 5G 總體網絡能源消耗和“休眠”幹擾。盡管發送的能量僅僅是從一個發射機轉移 到另一個發射機，但是發射機的電路處于關閉狀态可以節省大量的能源。
第十三節：實體架構和5G部署