發布時間：2020-06-07所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：4G 網絡已進入深耕細作階段，而 5G 網絡規模建設已經到來。筆者從網絡架構上比較 4G 網絡和 5G 網絡架設的不同理念， 從網元組成上指出兩者不同的產生方式，介紹基于萬物互聯的5G新技術，以及現階段 4G/5G 網絡協同建設策略。在分析比較的基礎上，進一
摘要：4G 網絡已進入深耕細作階段，而 5G 網絡規模建設已經到來。筆者從網絡架構上比較 4G 網絡和 5G 網絡架設的不同理念， 從網元組成上指出兩者不同的產生方式，介紹基于萬物互聯的5G新技術，以及現階段 4G/5G 網絡協同建設策略。在分析比較的基礎上，進一步提出從 4G 到 5G 的獨立組網和非獨立組網的的兩種演進方式。
關鍵詞：網絡體系;功能單元;接口;演進;4G/5G 協同
引 言
依托大數據、云計算和人工智能等技術的發展，人類社會正從信息時代跨入智能時代，開始第四次工業革命，這一切將驅動人類社會邁向發展的新紀元。5G 已經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，5G 超越了移動通信的范疇，帶來的不僅僅是網速變快，還將連接萬物，與物聯網和人工智能結合，帶動產業和社會變革。當前 4G 方興未艾，而 5G 已經到來，我們需考慮二者的協同發展思路，在二者共存期間，既要利用 4G 網絡的現有優勢，又要發揮 5G 網絡的全新能力，讓兩者發揮更大的合力，創
造更多價值。
一 4G網絡整體結構
4G 網絡系統采用扁平化的結構，E-UTRAN(無線接入網)部分僅包含類似 3G 接入網中的 NodeB(基站網元)，只是一個 eNodeB(演進的基站)。 整個4G 網絡系統由 EPC(演進的分組核心網) 、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)。 EPS 系統架構如圖1所示。 圖一 EPS系統架構
1.1 網絡功能單元分析
4G 的 EPC，負責移動性管理，用戶身份的驗證，用戶數據的傳輸管理等，它主要包括 MME(移動管理實體)、SGW(服務網關)和 PGM(分組數據網關)等網元。其主要網元功能如下：
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，完成用戶面數據包的路由端轉發。它還終結無線接口空閑狀態時的下行數據，對網絡的尋呼消息給予支持，管理和存儲 UE 的承載信息。
c)PGW，它主要起到網關作用，通過它可以和多種不同的外部數據網進行互連。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據網 PDN 的。在 4G網絡中，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(策略和計費規則功能實體)，它能夠進行策略控制決策，實現基于流計費控制的功能。它還能夠根據用戶簽約信息和業務相關要求產生 QoS(服務質量)規則對用戶數據傳遞進行更好控制。
4G 系統的無線部分，也就是 E-UTRAN，它主要包括 eNB，和之前 3G 系統的 NodeB 的功能以及部分核心網的功能。它主要負責無線接入、連接的移動性控制。它還對 UE 進行動態資源分配，對用戶數據進行壓縮加密， 為 UE 選擇 MME 和 S-GW 進行信令和數據傳輸。
1.2 4G接口分析
接口是網絡中不同的網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之間的無線數據的交換;X2接口則完 E-U-TRAN系統內eNB之間的信令交互�；� 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 之間傳送用戶數據包是通過 S1-U接口建立隧道來實現的。核心網元 MME-SGW之間通過 S11接口采用GTP(隧道協議)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 4G 網絡的漫游，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接口傳送數據包，采用的也是 GTP 協議。另外，PGW還通過 SGi 接口利用 TCP / IP 協議與外部應用服務器之間進行數據傳送。
二 5G網絡整體結構
(一)5G云架構
當前云技術、SDN技術得到快速發展，5G移動通信網絡作為前沿性技術，其可對依賴于網絡技術生存的企業等做出巨大貢獻。在對5G網絡進行構建時，將SDN技術融合到系統的組網過程中，可簡化通信網絡的傳輸流程，并可實現拓展型管理。此種模式下的網絡組成一般為接入云、局域云、本地云。
接入云(AC)在網絡系統中應用時，依托于AP接口、交換器、路由器、控制器等協調工作模式來完成數據信息的傳輸。數據在網絡內進行傳輸時，通過AP接口將數據幀傳輸到交換器內，此時控制器利用集成化模塊對交換器、AP等進行處理，并以此作為的網絡策略點。當用戶單元在網絡系統內要完成漫游通信協議時，可利用系統內的業務處理模塊實現數據的傳輸，此過程無須進行局域網絡的傳輸。
局域云(D-EPC)是對數據流量進行分化管理，一般包括數據中心庫、疏導模塊、路由器等。其中路由器是針對局域網絡內的三層信息傳輸而設立的，可實現網絡區域內的數據轉換與傳輸，在疏導模塊的作用下， 使數信息的傳輸途徑與用戶單元通信通道進行精準對接， 同時可保證數據信息傳輸的時效性。
本地云(C-EPC)一般以數據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通信網絡內用戶單元的數據傳輸與接入量進行精準監控。同時可對跨網絡節點、目標動態切換的用戶進行集成化管控
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(二)控制器架構
5G移動通信網絡具有融合性、多網性、覆蓋性等優勢，在SDN技術支持下，可使網絡系統內的數據信息實現效率傳輸。 當前5G網絡架構一般以雙層架構、分層架構、控制架構、無線架構為主。雙層式是指我網絡架構以網絡云、無線網為主，在兩者的作用下，將通信網絡系統內的蜂窩節點傳輸模式進行融合，以提升數據幀的傳輸數量和異構融合度。在雙層式網絡架構中，可對數據信息的傳輸進行動態展示，以降低數據傳輸層中的冗余能力，進而使系統得到簡化型協議棧。分層架構則是以用戶控制模塊、基層控制模塊、 網絡控制模塊組成。在用戶控制模塊的作用下，可使無線接入設備、D2D調制、協議訪問等。網絡控制模塊是對網絡系統進行綜合控制，并對各控制模塊發送相應的指令，以保證數據管理、通信協議、費率計算等進行精準運算。控制架構是以5G異構網絡為基準構建起來的，其包括基層控制層、中間監管層、高層控制層為主�；鶎涌刂茖又饕且�5G網絡覆蓋區域內的用戶單元為主，對用戶的數據信息初始狀態進行控制;中間監管層則是對網絡覆蓋區域內的虛擬環境進行監管，確保數據信息傳輸信道可在監管范圍內，其建構的虛擬網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圖， 針對網絡協議的傳輸路徑進行算法控制，以精準分辨出網絡覆蓋區域內的信息對接模式。此種關聯性監管的方式，可對數據信息在各階層內的傳輸模式進行研究，以保證數據傳輸的時效性和精準性。
三 4G/5G 網絡協同建設思路
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 網絡的完善將是一個較漫長的過程。此外5G終端的普及5G 業務的培育也需要一定的周期，可以預見今后 2~3 年內,4G/5G/Wi-Fi 等多種網絡將長期共存。因此著手5G網絡部署的同時，需要考慮 4G 網絡的協同建設問題。從 5G 應用成熟度來看，增強移動寬帶(Enhance Mobile Broadband，eMBB)業務成熟度高，將是5G初期的聚焦業務，包括高清視頻 / 游戲、高清監控、AR/VR(Augmented Reality，增強現實技術 /Virtual Reality，虛擬現實技術)等。因此 5G 建網初期主要考慮 eMBB 業務的部署。
(1)5G 技術 4G 化，發掘 4G 基站潛力
在高流量或高價值區域，通過在 4G 基站應用 Massive MIMO、高階調制、宏微協同、超密集組網等 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 基站的網絡容量，有效對高流量區域實施分流。
(2)5G 初期覆蓋區域的選擇
由于 5G 建網初期主要針對 eMBB 業務，建議優先考慮在現有 4G 網絡高流量、高價值區域和品牌影響區域部署 5G網絡，優先提升高流量、高價值區域的用戶使用感知，打造5G 品牌效應。
(3)4G/5G 站址、機房、天面、傳輸等配套資源協同
為充分利用現有網絡資源，加快網絡部署進度和提升投資收益，建議優先在現有的 4G 宏基站站址上新建 5G 基站。由于現網站址均為多家運營商共享天面，5G 對天面的要求和方式發生較大變化，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、傳輸等配套資源方面，需啟動資源整合儲備工作，綜合考慮 4G/5G 需求，降
低重復建設節省投資。
(4)5G 無線網 CU/DU 架構與現網結構的協同
與現有 4G 網絡結構有效協同，5G 無線網的 CU/DU 優先安裝在 4G 網絡原 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 網絡架構到 5G 的演進
從以上的分析，可以看到4G網絡的不足，所有設備都連接到具有相似網絡參數(例如延遲，容量，吞吐量等)的核心網絡。所謂的網絡優化也是針對特定的部署場景進行優化，而不是針對不同的用例。
而5G網絡的特征是通過 NFV、SDN、網絡切片等技術實現轉發分離化、網絡虛擬化、部署分布化動態配置資源，網絡功能軟件模塊化，從網元接口轉變為軟件功能模塊接口，網絡可編程�？刂泼媾c用戶面分離，支持控制面和用戶面的獨立演進和部署。針對不同業務場景，網絡功能可裁剪，實現以業務為導向的網絡設計和部署。4G網絡演進到5G網絡有兩種路徑，一種是保留 4G 網絡逐步過渡，另外一種是建設全新5G網絡，其實也就是5G的SA(獨立組網)模式和 NSA(非獨立組網)模式。5G的SA(獨立組網模式)：新建5G網絡，包括新基站、回傳網絡和核心網。SA 引入全新網元與接口，將大規模采用網絡虛擬化、軟件定義網絡等新技術，實現全面的 5G 服務。
優點：SA將是主流部署方式，SA 基站單站價格更有優勢，SA可滿足5G高可靠、低時延要求。NSA(非獨立組網)模式： 利用現有的4G基礎設施，架設新的5G 基站做補充，進行 5G網絡的部署，5G無線網僅承載用戶數據，其控制信令仍通過4G 網絡傳輸。
優點：NSA 有4G網絡基礎，無需建設新的核心網，能快速擴大5G覆蓋范圍。通過以上對NSA與SA 網絡架構技術差異的分析，可以看到雖然NSA組網可以充分利用4G網絡基礎，部署速度更快。但是，只有SA才可以充分發揮5G網絡低時延、大連接的特點，有能力引入網絡切片、邊緣計算等一系列新技術，可以為各行業的應用打開空間。
五、結束語
盡管5G的腳步越來越近，但 4G網絡在今后較長的一段時間內仍是中國電信當前移動業務的主要承載網絡，只有建設5G網絡的同時進一步提升4G網絡質量，充分考慮網絡向5G順利演進，推進網絡智能化轉型，創建網絡優勢，才能更利于移動業務的持續快速增長，在激烈的市場競爭中實現企業既定的發展目標。
SCISSCIAHCI
