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5G 用例与部署场景

科学文化人 2021-04-05 15:06 发文

5G NR 技术翻译计划

在上一篇翻译的《引言与背景(一)》中,对5G进行介绍。今日更新引言与背景(二),阐述5G的用例与部署场景。对应原文的《Use Cases and Deployment Scenarios》。

声明:本系列翻译文章,仅作学习交流使用,著作权归原作者Sassan Ahmadi及Elsevier出版社所有,原创翻译归笔者及公众号《科学文化人》所有。

因笔者水平有限,翻译及编辑过程,均由我个人完成,错误难免,还请大家批评指正。

今天推出原文的《Introduction and Background》部分的第二节:Use Cases and Deployment Scenarios。

2 用例与部署场景

5G网络设计的突破有望支撑移动互联网和物联网服务的广泛增长和增强。5G技术在物联网和垂直行业的应用,为网络运营商提供了新的商机。此外,移动互联网服务的拓展和提升,进一步提升了消费者的体验和满意度。为了充分支持移动互联网和物联网的增强和扩展,5G网络必须成为人对人、人对机器和机器对机器连接的主要网络接入手段。这意味着5G需要广泛部署,以适应多样化的业务需求及其独特特性。为了以灵活和高效的方式提供更好的用户体验,实现面向服务的网络的需求是很重要的。在提供高水平的服务质量(QoS)、可靠性和安全性方面,无线网络将需要与固定网络的进步所提供的性能相匹配。根据要求,5G系统的设计需要解决以下两大挑战:

l  该系统应该能够灵活和有效地使用所有可用的频谱类型,从低频波段到高频波段、许可波段、未许可波段和共享波段。

l  该系统应具有适应性,以便为不同的服务特征集、大规模连接和非常高的容量提供有效支持。灵活的网络设计需要提高频谱效率,增加连接密度,减少延迟。这些要求和挑战也影响着5G空口的设计和网络架构。

5G无线接入网络的基础建立在两个主要概念上:(1)软件定义网络和(2)网络功能虚拟化。弹性(适应性)空中接口将允许优化网络,以支持各种应用和部署场景。5G网络进一步包括自组织和小区间协调算法,利用特性、协议和接口来克服基于小区的网络拓扑结构的限制(实现虚拟小区概念)。为了实现低频广域网络和高频小区域网络拓扑之间的协作,5G网络架构通常是异构的。业内有共识认为,高频段是部署5G的补充频段,而低频段(即Sub-6 GHz)仍是5G频谱的主要频段。高频也使统一接入和回程,因为相同的无线电资源被共享。5G预计将为无线接入和回程使用统一的空中接口和分级调度,从而实现灵活的回程和低成本的超密集网络(UDN)架构。未来的无线电接入还可能采用不同级别的接入监管波段,包括独家许可、非独家许可(共享)和未经许可的波段。5G系统通过灵活统一的空中接口框架[35]支持已许可和未许可频段。

移动网络中不断增加的用户流量需要增加5G系统可能使用的频谱量。在厘米波和毫米波范围内的高频波段正在被使用,因为它们支持更宽的信道带宽,并最终能够提供超高数据速率。2015年世界无线电大会(WRC)第2届会议为移动通信分配了6 GHz以下频段,预计WRC 2019[40]会议将分配6 GHz以上频段。

预计5G系统将支持将超越当前系统的各种用例和应用。广泛的功能将与国际移动电信(IMT)- 2020倡议的不同用例和应用紧密结合。IMT在2020年及以后系统的主要用例包括以下[1]:

l  增强的移动宽带:此用例处理以用户为中心的应用程序,用于无线访问多媒体内容、服务和数据。近十年来,移动宽带业务需求持续增长,引领行业移动宽带能力显著提升。eMBB用例除了努力提高性能和日益无缝的用户体验的现有应用程序之外,还包含了新的应用程序领域(具有严格的要求)。此使用场景涵盖了包括广域覆盖和热点在内的一系列情况,这些情况有不同的需求。对于热点案例,即用户密度高的区域,需要非常高的流量容量,但对移动性的要求较低,用户数据率高于广域覆盖。对于广域覆盖的情况,无缝覆盖和中到高移动性是需要的,与现有的数据率相比,用户数据率有所提高。但是,与热点场景相比,对数据速率的要求可能不那么严格。

l  超可靠和低延迟通信:该用例对吞吐量、延迟和可用性等功能有严格的要求。一些例子包括工业制造或生产过程的无线控制、远程医疗手术、智能电网中的配电自动化以及运输安全。

l  大规模的机器类型通信:这个用例的特征是大量的连接设备(例如,一个传感器网络),通常传输包含不敏感延迟数据的相对较小的有效负载。这些设备需要低成本和非常低的功耗。

预计在未来几年内,eMBB、mMTC和URLLC的各个类别都将出现大量部署场景,这对5G接入和核心网络的设计、开发和部署需要更大的灵活性、可编程性和可配置性。这些设计特征有助于减少运营商在未来网络升级中不断增加的资本支出和运营成本。在下面的章节中,我们将研究5G系统支持的各种用例和部署场景。

2.1

用例

在信息社会中,用户将得到广泛的应用和服务,包括信息娱乐服务、安全高效的交通,以及新的工业和专业应用。这些服务和应用包括非常高的数据速率和非常密集的设备分布,对端到端性能和用户体验有严格的要求。新兴应用领域带来的新挑战包括极低延迟、极低功耗、极低成本和大量设备。在许多情况下,关键的挑战之一是在各种速度下支持无缝移动(即对应用层透明)。移动宽带是当今最突出的用例,预计它将继续成为推动5G系统需求的关键用例之一。挑战远不止为用户提供基本的移动互联网访问,还包括对云中的丰富交互工作、媒体和娱乐应用程序或现实增强(集中式和分布式框架)的支持。

从可穿戴电子设备到自动驾驶,5G努力在各个垂直市场实现移动网络的新使用模式。然而,垂直市场的频谱使用方法似乎仍然对不同的解决方案开放,最重要的驱动因素似乎是市场需求、上市时间和有效的频谱利用。5G的要求来自考虑5G系统将如何向最终用户提供服务以及提供哪些服务的用例。为了对比需求的不同,用例被分组到广泛的类别中。许多用例与用户从许多网络选项中进行选择的场景相关,这取决于服务、性能、成本或用户首选项。当服务从一个网络配置传输到另一个网络配置时,一个重要的考虑因素是网络互操作性的程度。

5G承诺之一是为多种设备的用户提供统一的体验。从运营商的角度来看,5G还旨在将多种接入类型统一到一个核心网络,以及在不同接入技术上运行的一台设备的互操作性要求;对设备间业务连续性的要求。5G系统为用户提供了将现有服务会话从一台设备转移到另一台设备的能力,并将用户可察觉的服务中断降至最低。这个时代的现代城市在很大程度上依赖于一些关键的基础设施来正常运转:电力、水、下水道、燃气等。关键基础设施监控是一项繁琐的工作,通常需要只有专用有线连接才能实现的服务水平。例如,为了检测高压输电线路中的故障,并能够采取纠正措施来防止级联故障,所需的通信延迟超出了当前无线网络所能达到的范围。同样,结构监控需要配置大量低数据率电池供电的无线传感器,而目前的无线网络在电池寿命和成本效率方面都没有优化以支持这种部署模型。此外,随着世界人口向城市环境的大规模迁移,对城市基础设施和服务现代化的需求也越来越大。从水电管理到建筑和交通,城市规划者将依赖新的可扩展的互联服务,这些服务不需要城市彻底改造私人和公共基础设施,而是面向未来而建。5G系统使世界各地的智慧城市能够建立有助于提高宜居性和可持续性的长期互联互通战略。

海量的5G连接设备(如传感器和执行器)收集和处理数据,以监控关键参数,并根据环境条件优化性能。传感器还使服务提供商能够检测当隐藏的管道和电缆需要修理或当一个未经授权的访问发生。5G系统旨在支持部署密集的设备之间可靠的低延迟通信,这些设备受到电源限制,且数据速率要求广泛。

视频和音频流媒体、视频电话、社交网络和多媒体消息传递只是当今无线网络中使用的一些流行的通信和娱乐应用程序。此外,新的应用程序正在涌现,如实时多用户游戏、虚拟/增强现实(VR/AR)、3D多站点网真、超高分辨率视频流(例如4K和8K视频)以及照片和视频共享。这些应用程序将需要显著提高数据速率、容量和非常低的传输延迟,这是目前的无线网络所不支持的。5G系统提供的解决方案使通信和娱乐应用得以持续发展。业界对实现智能、互联设备和物联网实现有很大的兴趣和早期工作。本用例旨在通过降低智能设备的连接成本来支持大规模部署,使运营商网络能够为蜂窝和非蜂窝物联网设备提供连接,并有效利用频谱进行设备到设备(D2D)通信,从而实现增长。

3GPP生态系统将需要支持大量新的和不同的用例。这需要做的同时,行业继续支持传统的移动宽带使用案例。新的用例预计将带来对网络操作的广泛需求。例如,对诸如收费、策略控制、安全性、移动性、速度和可用性等功能有不同的需求。一些用例(如移动宽带)可能需要特定于应用程序的充电和策略控制,而其他用例可以通过更简单的充电或策略有效地管理。一些用例在性能需求上也有显著的差异,例如,功耗和复杂性,这意味着简单地为应用程序提供所有需求的超集是不可接受的。

为了以可持续的方式管理众多的服务部门和垂直行业,有必要将本质上不同的部门相互隔离。例如,网络中大量用户用电表发生故障的场景不应对提供给eMBB用户或医疗保健和安全应用程序的服务产生负面影响。此外,随着3GPP社区支持新的垂直市场,也将需要独立的细分市场管理和编配(MANO),以及为每个垂直市场或细分市场提供定制的分析和服务公开功能。该功能不应仅限于提供不同段之间的隔离,还应允许操作员部署同一网络分区的多个实例。图3提供了这个概念的高层次说明。一个片由一组逻辑网络功能组成,这些功能支持特定用例的通信服务需求。有些切片的功能非常丰富,而其他切片的功能非常简单,但是网络切片没有以任何形式的层次结构进行排列。给定的网络片只包含给定应用程序或服务类所需的功能。设备可以被定向到适当的网络片,以满足操作员和用户的需求,例如,基于订阅或设备类型。网络切片主要以核心网络的一个分区为目标,但也不排除RAN可能需要特定的功能来支持多个片,甚至为不同的网络切片划分资源。

向网络迁移切片5 G服务需要仔细考虑的安全要求,隔离片,每个运营商的具体的个人需求,是否托管平台提供者或网络片租户,在确保数据处理和数据存储的完整性在网络片[45]。

蜂窝网络中存在大量物联网设备,可能需要全新的技术和解决方案,而当前的4G网络可能无法提供这些技术和解决方案。支持大规模物联网部署所需的一个基本特性是设备和基础设施方面的可伸缩性。目前的LTE网络的设计方式,使得这种可扩展性在技术上和经济上都难以实现。5G系统旨在为大量低成本、低功耗、低复杂度的设备提供在mMTC使用场景下的连接。一般来说,物联网设备在通信期间需要在低功耗模式下运行,同时保持高水平的可靠性和覆盖。

移动性随需应变提供了一系列选项,这些选项可以根据设备和应用程序上下文动态地分配给设备或应用程序,也可以静态地为专门的设备和应用程序配置。

按需移动包括两个部分:(1)管理主动设备的移动性,(2)跟踪和接触支持省电闲置模式的设备。同时,对移动性支持的要求也可能因应用和服务的不同而有所不同。虽然一些服务要求网络迁移事件对应用层透明,以避免服务交付中的中断,但其他应用程序可能有特定的方法来确保服务的连续性。隐藏迁移事件的行为可能包括一些方面,例如在RAT(无线接入技术)内或RAT间小区变化期间,尽量减少中断时间和数据包丢失,或保持相同的IP地址。

改善用户体验的一个重要部分是收集和分析个人用户的一些信息,以了解他们的服务优先级和对网络服务质量的感知。为了让这样的数据收集,一个终端用户选择和控制元件应提供给用户指定哪些方面的服务性能是最重要的他们,将他们的偏好数据收集为了保持平衡用户隐私和服务质量优化。围绕用户体验监控的生态系统应该包括第三方实体,如数据代理和内容提供商,这将被进一步视为用户控制的一部分。内容提供商还需要同意收集有关其应用程序和内容使用情况的数据。

前几代蜂窝技术开发的典型使用模型集中于具有人工界面的电话和无线多媒体服务。在5G时代,这种类型的服务将继续发挥重要作用,但现在需要蜂窝技术来有效支持一系列其他新兴应用。物联网被广泛视为包括远程医疗、智能电网、智能城市、智能交通和智能汽车在内的一系列应用的保护伞。5G系统需要支持广泛的物联网应用,包括地理和/或电力受限、低数据设备和/或要求大量实时数据的复杂设备。IoT是一个可能是可取的设备之间直接通信,而不是通过网络通信的领域。

增强和虚拟现实服务是快速增长的市场,驱动设备性能的进步,消费者对新用户体验的兴奋,以及一系列实际应用。预计这些服务对高带宽(特别是虚拟现实)和低延迟(特别是增强现实)的要求很高。满足用户对这些服务的需求预计将成为5G发展的重要驱动力。

蜂窝系统的另一个新兴应用领域是公共安全和为第一反应者和其他用户提供关键任务通信。5G技术应该维护和扩展正在开发的关键任务通信技术,这是LTE的一部分。该领域还将对物联网设备和可穿戴技术提出具体要求。用户越来越依赖移动连接,这对为这些关键应用提供足够的覆盖范围和能力继续构成技术和经济挑战。

2.2

部署场景

5G部署场景的研究是确定服务连续性和性能需求的第一步。在本节中,我们将讨论5G系统部署的主要场景。虽然这些场景与用例相似,但它们主要关注于部署问题,而不是用户体验。如图4所示,5G系统的初始部署可能主要集中在用户密度高、移动性低、容量需求极高的城市地区。随着时间的推移,网络服务将扩大到包括用户密度较低但机动性较高和覆盖范围较广的郊区和农村地区。请注意,如图所示,城市覆盖范围包括大蜂窝和小蜂窝,大蜂窝可工作在Sub-6GHz的频率,小蜂窝可工作在6GHz以上的频率(例如毫米波波段)。随着覆盖范围扩大到郊区和农村地区,宏单元可能会在6 GHz以下频段使用更高的发射功率,以提供更大的覆盖范围和更大的范围。因此,多重互联互通将在5G系统的早期部署中发挥重要作用,特别是在城市和郊区。

图4 跨频带和接入技术的互联

为了理解5G部署场景,我们从研究5G支持的高级运行架构和网络拓扑开始分析。5G RAN架构的设计原则是基于基站的分解和控制面(CP)与用户面(UP)实体的分离。该架构进一步支持3GPP LTE和3GPP NR接入和核心网络实体之间的连接。图5所示的RAN架构场景支持以非独立(NSA)模式与LTE核心网(EPC)或5G核心网(5GC)同时部署LTE eNBs和NR gNBs,以及以独立(SA)方式部署连接到5GC的NR分解gNBs。在5G系统的早期部署和5GC设备可用之前,NSA场景将占主导地位,随后5G系统的SA部署将占主导地位。

图5 NR和LTE不同的部署场景

在图5所示的部署场景中,gNB-CU和gNB-DU分别表示逻辑gNB的集中单元(CU)和分布式单元(DU),它们可能在同一位置,也可能不在同一位置。逻辑接口F1和Xn是新的网络参考点,它们组成了CU和DU(s)之间的控制面和用户面路径,将在第一章中详细讨论。在考虑C-RAN架构时,有两种gNB部署选项,如图6所示[16,17]:

l  集中式gNB部署:在这个场景中,所有运行的协议和功能都位于同一个站点中。这个部署选项对应于当前LTE系统的部署,因此它确保了与现有LTE部署的向后兼容性。

l  分布式gNB部署:在这种情况下,运行的协议和功能分布在不同的站点上;也就是说,在C-RAN体系结构中,DU和CU在物理上可能是分开的。CU可以进一步划分为CP和UP实体。DU托管RLC、MAC和PHY协议,CU-CP实体托管PDCP-C和radio resource control (RRC)协议,而CU-UP实体托管PDCP-U和SDAP协议。在分布式gNB部署中,分离控制面的CU-CP和用户平面的CU-CP实体提供了基于期望的拓扑和性能优化不同运行函数位置的可能性。例如,CU-CP可以放置在DU实体附近的位置。它还可以与DU共存,从而为关键的CP过程(如连接(重新)建立、切换和状态转换)提供更短的延迟。另一方面,CU-CP可以集中在一个区域或国家数据中心,从而支持集中式实现,并在双连通性和紧密互通场景中为UP流量提供一个中心终端点。还可以将一个附加的CU-CP放置在距离DU更近的地方(或位于同一位置),为需要非常低延迟的应用程序(例如,URLLC流量)的UP流量提供一个本地终止点。

图6 gNB(NR 基站)不同部署选择

在图6所示的分布式gNB架构中,有必要协调CU-CP和CU-CP实体。可能需要在CU-CP和CU-CP之间建立控制平面接口的一些功能包括CU-CP设置、修改和CU-CP中的数据无线电承载器(DRBs)的配置,以及当CU-CP实体配置CU-CP实体中的安全密钥以进行RAN级安全激活和配置时。为了实现这些功能,在CU-CP和CU-UP之间定义了一个新的开放接口,称为E1。接口E1为控制平面接口,由于CU-CP和CU-CP不交换UP流量,因此不需要UP部分。

如图7所示,新的5G RAN架构支持以下拓扑,以支持不同的用例和部署场景[16]:

l  非集中的RAN架构:在这个场景中,完整的用户面和控制面无线电协议栈在gNB上实现,例如,在宏单元部署或室内(公共或企业)热点环境中。gNB可以使用任何传输机制(例如,以太网,光纤)相互连接。但是,假定gNB能够通过3GPP定义的标准接口连接到其他gNB或eLTE eNBs。

l 集中式的RAN架构:在这个场景中,无线协议栈的上层(PDCP和RRC层)在CU中实现,CU通常位于边缘云中。CU和DU(s)之间的不同功能拆分也是可能的,这取决于传输层配置。高性能传输机制,例如光传输网络(OTN),在CU和位于DUs的堆栈的较低层之间,可以实现高级协调多点(CoMP)传输/接收方案和小区间调度优化,这在大容量场景或需要小区间协调的场景中是有用的。更高层次的NR无线协议栈可以搬到铜,如果使用低性能的传输机制和铜之间的DU (s),因为在这种情况下,要求传输层的带宽、延迟、同步和抖动相对轻松。

l  与LTE协同部署:在这个场景中,NR功能作为同一基站的一部分或作为同一站点的多个基站与LTE对等端协同部署。异地部署可以适用于所有NR部署场景,如城市宏观部署。如图8所示,在这个场景中,需要充分利用分配给两种无线接入技术(大鼠)的所有频谱资源,使用负载平衡或通过多RAT连接(例如,利用较低的频率作为小区边缘用户的广域覆盖层)。

l  共享RAN部署:NR支持共享运行部署,这意味着有多个托管的核心运营商。在国家或区域网络部署的情况下,共享的RAN拓扑可以覆盖很大的地理区域。共享的RAN体系结构也可以是异构的;也就是说,仅限于几个较小的区域,就像在共享的构建内运行的情况下一样。共享运行应该能够有效地与非共享运行进行互操作。每个核心运营商可以有自己的非共享的RAN服务区域,毗邻共享的RAN服务区域。非共享运行和共享运行之间的移动性以类似于LTE的方式得到支持。共享RAN可以在共享频谱中运行,也可以在每个主机操作员的频谱中运行(见图8)。

图7 非集中于集中部署场景说明

图8 协同和共享部署场景

NR主要部署场景对应的单元布局如图9所示。在均匀部署场景中,所有细胞(宏观或小细胞只)提供相同的报道,而在异构的部署场景,细胞大小不同的重叠覆盖,即宏观和小细胞通常宏单元提供广域覆盖和作为锚点和小区接入点覆盖高通量宏单元内小范围区域。在这些部署场景中,根据小区布局和接入节点的位置,NR和LTE覆盖可能共存于同一地理区域.图9中的一个场景说明了LTE和NR小区的叠加和共存提供类似的覆盖范围。在这种情况下,LTE和NR小区要么是宏小区,要么是微小区。图9进一步描绘了LTE和NR小区叠加的场景,但不一定在同一位置,每个小区提供不同的覆盖区域。在这种情况下,LTE服务于大蜂窝,NR服务于小蜂窝。相反的情况也可能出现,这对于5G网络的初始部署可能没有实际意义。共存小区根据3 GPP定义,指的是一个小细胞连同一个宏单元的eNBs安装在相同的位置,而协作小区是指一个微小区与一个宏单元的各自eNBs安装在不同的位置。

图9 NR与LTE协同部署场景

分布式基站模型引导了集中式和协作式C-RAN架构概念,其中所有或部分基带功能在一个CU中执行。集中的信号处理大大减少了需要覆盖由分布式基站网络服务的同一区域的现场设备数量。RRH提供的协同无线电传输与分布式天线方案相结合,具有更高的频谱效率和干扰协调能力。基于开放平台和基站虚拟化的实时云基础设施,实现处理、聚合和动态资源分配,降低功耗,提高基础设施利用率。对CU上的处理资源进行动态管理和分配,提高了无线和网络资源的利用率,提高了能量效率(EE)。此外,C-RAN支持协作技术,网络性能也得到了显著提高。随着技术的成熟,C-RAN的概念在过去几年中不断发展。例如,C-RAN中引入了CU/DU功能拆分和NGFI (Next Generation Fronthaul Interface)接口,以更好地满足5G的需求,例如更高的频率、更大的带宽、更多的天线数量和更低的延迟[23、24]。

在一个典型的5G C-RAN架构中,基带单元通常包括一个CU和一个或多个DU。CU/DU功能拆分的原理在于对不同功能的实时处理需求。如图10所示,CU功能主要包括非实时的高层运行协议处理,以及移动到网络边缘的核心网功能,实现移动边缘计算(MEC)服务和触觉互联网。因此,一个DU主要负责部分或全部二层协议的物理层处理和实时处理。为了减少RRU和DU之间的传输容量和延迟需求,可以将部分物理层处理从DU移到RRU(s)。从硬件实现的角度来看,CU设备可以基于通用处理器或服务器平台进行开发。DU硬件可以使用定制的soc和/或混合平台来实现,从而实现计算密集型功能的实时处理。通过NFV基础设施,可以通过MANO实体、SDN控制器和传统运维中心对系统资源(包括CU和DU)进行灵活的统筹和管理,支持运营商对业务快速上线的需求。

图10 5G环境下单节点4G BBU向CU/DU分离架构的演进

为了解决5G无线系统中CU、DU和RRU之间的传输挑战,IEEE 1914工作组和公共无线电接口(CPRI)论坛分别指定了新的前传接口。

l  IEEE P1914.1正在为基于包的前端传输网络开发标准。它定义了移动前端流量(例如基于以太网的)传输的架构,包括用户数据流量以及管理和控制平面流量。该小组进一步定义了对前端网络的要求,包括数据速率、定时和同步以及QoS。该标准还分析了远程无线电单元和基带处理单元之间的功能划分方案,目的是提高前端链路效率和传输层的互操作性,促进大规模MIMO和CoMP收发等协作无线电功能的实现。

l  IEEE P1914.3标准指定了数字化复值相位和正交无线电信号组件的封装,以及(供应商)特定的控制信息通道/流到封装的以太网帧有效载荷字段。已经指定了对现有数字化无线电传输格式进行结构感知和结构不可知封装的标题格式。结构感知封装假定具有封装的数字化无线电传输格式内容的详细知识,而结构不可知封装仅是封装的数字化无线电传输帧的容器。该标准进一步定义了一个结构感知的映射器,用于CPRI帧和负载与以太网封装帧之间的映射。必须注意的是,与结构无关的封装并不仅限于CPRI。

CPRI论坛为前端接口开发了一个新的规范(eCPRI),该规范提高了效率,以满足5G移动网络的可预见需求。请注意,广泛使用的CPRI(光纤上的无线电)规范也是由这个特殊兴趣小组在过去开发的。eCPRI规范基于物理层内蜂窝基站功能的新功能分区。新的分割点能够显著减少所需的数据量前传链接能力。所需的带宽可以根据用户平面的流量在以太网上进行灵活扩展。以太网的使用打开了在同一交换网络中同时承载eCPRI流量和其他流量的可能性。新的接口是一个实时流量接口,能够使用复杂的协调算法,并保证最佳的无线电性能。eCPRI接口意味着是未来的证明,允许新的功能介绍的软件更新在无线电网络。除了新的eCPRI规范,特别兴趣工作组将继续进一步开发现有的CPRI规范,以便为包括5G无线系统在内的所有前端专用光纤连接部署提供具有竞争力的选择。

如图11所示,NGFI交换机网络连接CU和一个或多个DU实体。通过NGFI接口,CU、DU实体可以在不同的部署场景下灵活配置部署。在理想的前传情况下,DU的部署也可以是集中式的,可以支持跨各个传输/接收节点的物理层协作。在非理想的前传情况下,DU(s)可以采用分布式部署方式。因此,基于NGFI接口的C-RAN架构不仅支持集中式DU部署,也支持分布式DU部署。

图11 基于CU/DU的C-RAN架构

传统上,移动网络已经为语音和数据服务进行了优化。然而,在5G时代,他们必须服务各种不同特性和服务/性能要求的设备。如前所述,5G最常见的一些用例包括移动宽带、大规模物联网和关键任务物联网,它们在移动性、充电、安全性、策略控制、延迟、可靠性等方面都需要不同类型的特性和网络。例如,将测量温度、湿度、降水等的固定传感器连接到移动网络的大规模物联网服务不需要切换或位置更新等功能,而这些功能在服务中一直是关键的语音服务。关键任务的物联网服务,如自动驾驶或远程控制机器人需要极低的端到端延迟,仅为毫秒的几分之一,而一些大型MTC服务是能够容忍延迟的。

网络切片的目标是将网络从使用相当静态的one-network -fits -all方法转换为动态模型,其中可以在相同的物理基础设施上创建多个逻辑网络,以满足不同用例的不同需求。网络切片是一个概念,使运营商能够创建服务定制(逻辑)网络,以提供优化的解决方案,不同的业务在功能、性能和隔离方面有不同的需求。该解决方案的基本假设是,运营商的网络切片在无线接口层对终端是透明的。网络片是一个逻辑网络,它包含一组网络功能(可以是虚拟网络功能(VNFs),也可以是物理网络功能)和相应的资源,如计算、存储、网络资源等。切片还可以被视为应用程序的唯一配置文件,定义为网络中的一组服务,以支持给定的用例、流量类型或客户。一个切片可以服务于特定的目的或特定的服务类别(例如,特定的用例或特定的流量类型),甚至是单个客户,在这种情况下,它可以使用网络即服务(NaaS)方法按需创建。每个网络切片都存在于一个SDN覆盖层中。在片内,根据使用切片的服务的需求将一组网络功能链接在一起。共享相同的底层物理基础设施的每个切片是一个逻辑上分离和隔离的系统,可以用不同的网络架构、硬件/软件和网络供应来设计这个系统。在某些情况下,网络切片可以共享功能组件。

为了实现网络切片,NFV是一个先决条件。NFV的主要思想是实现软件中的网络功能(即包核心和选择性无线电访问功能)映射到运行在商业服务器平台上的虚拟机(VMs)8,而不是在专用网络设备上处理。在这种情况下,接入网作为边缘云运行,而核心网作为核心云运行。位于边缘云和核心云上的虚拟机之间的连接通过SDN进行发放。网络片自动配置和创建每个服务(如语音服务片、海量物联网片、关键任务物联网片)。图12显示了每个服务专用的应用程序是如何在每个切片中进行虚拟和实现的。在图中所示的示例中,为特定服务配置的分区包含以下组件[43]:

图12 网络切片概念说明

针对不同需求的业务创建专用的切片,根据业务的不同,将虚拟化的网络功能分配到每个分片的不同位置(即边缘云或核心云)。一些网络功能,例如收费、控制策略,可能在一个切片中是必需的,但在其他切片中是不必要的。运营商可以以最经济的方式定制网络切片。

在RAN方面,可以基于物理无线电资源或从物理无线电资源中抽象出来的逻辑无线电资源的分组来实现切片。运行切片可以通过将一个片标识符映射到应用于运行控制面和用户面功能的一组配置规则来实现。一些网络功能,如移动性管理,可以是几个切片所共有的。还会有一些通用的控制功能来协调各个切片之间运行的资源使用情况。RAN中的无线电切片可以共享无线电资源(时间、频率、代码、功率和空间)和相应的通信硬件,如数字基带处理组件或模拟无线电组件。根据网络切片的配置规则,共享可以以动态或静态的方式完成。在动态共享的情况下,每个切片根据其需求和优先级获得资源,可以使用调度(即,切片从集中式调度器请求资源,该调度器根据总体流量负载或片的优先级分配资源)或争用。在静态共享的情况下,一个切片被预先配置为在整个操作时间内使用专用资源进行操作。静态共享允许将有保障的资源分配给切片,而动态资源共享允许整体资源使用优化。控制面功能的特定于切片的配置规则为每个切片适应运行的控制面功能。这是因为切片可能不需要所有的控制面功能。还需要对网络切片进行特定的准入控制,使系统能够满足各种网络切片的初始接入需求。

下期预告

内容:引言与背景(三)--关键性能指标、架构、系统和服务需求

2021年4月4日

成都科学城

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