1.2.1 5G研究概况

2014年12月，下一代移动网络（NGMN）组织发布了《5G白皮书》[9]。《5G白皮书》中指出：5G系统将是一个端到端的生态系统，能够实现网络高度融合，是多种接入技术、多层网络、多种设备和多种用户类型交互的异构网络环境，能够提供跨越时间和空间的、无缝的、连续的用户体验。NGMN从6个方面分析了5G需求，包括用户体验、设备、商业模式、管理和运营、增强服务和系统性能，指出5G系统将实现一个完全移动的、万物互联的信息社会，能够针对客户和参与者创造价值，传递连续体验和实现持续商业模式。NGMN给出了5G网络的设计原则，具体可归结为以下几点：采用成本高效的密集布置；支持动态的无线拓扑；简化核心网；利用网络切片提高系统的柔性功能和能力；鼓励价值创造，降低新业务部署的复杂度；保护用户的隐私；简化运维和管理。基于这些设计原则，NGMN提出了基于SDN（Software Defined Networking）、NFV（Network Function Virtualization）和云计算等技术的5G网络架构蓝图，倡导以用户为中心的灵活、智能、高效和开放的5G新型网络。

同年，欧盟的5G基础设施公私合作（5G PPP，5G Infrastructure Public Private Partnership）组织正式启动针对下一代移动通信网络及其服务能力的研究，其报告[13]指出，5G发展的驱动力在于：为用户提供新的服务能力，保证用户体验的连续性，促进新业务，如物联网的发展；资源整合的需求，将通信、计算和存储资源整合到可编排的、统一的基础设施中；用户和社会对可持续和可扩展的网络新技术的需求；对技术和商业创新的生态环境的需求。5G中关键性能指标包括网络容量、低时延、高移动性、较准确的终端位置信息以及系统的可靠性和可用性。5G的设计原则主要是确保灵活、快速地适应多样化的应用需求、数据传输时的安全性和隐私性，以及可编程方式支持新的商业模式。5G的关键技术包括异构接入技术的融合、软件驱动网络（利用SDN、NFV、移动边缘计算等技术提高系统可扩展性和敏捷性）以及网络管理最优化。

2014年10月，4G Americas颁布了5G需求和解决方案的建议书[14]，阐述了什么是5G时代的关键应用，存在什么样的挑战和需求，什么是新的关键技术和方案。4G Americas认为5G无线接入不仅与无线接口技术相关，还应该为人与设备提供无缝宽带接入的全面解决方案。因此，4G Americas详细地调研分析了5G的市场驱动、应用情况、需求、规则和技术，指出了潜在的5G网络技术，具体包括无线接入技术（RAT，Radio Access Technology）协同和管理、终端直通、高效的小数据传输、无线回传/接入整合、灵活的网络、灵活的移动性支持、上下文感知、信息中心网络。

国际电信联盟（ITU）从2012年就开始研究5G愿景和技术趋势，以凝聚全球对5G的共识。ITU-R已经对外发布了IMT-2020工作计划[15]，计划于2016年年初启动5G技术性能需求和评估方法的研究，2017年年底启动5G候选提案征集，2020年年底完成标准制定。在5G时代，ITU除了关注无线空口技术和无线接入网络的发展之外，还更多地关注了网络架构。为此，ITU-T在下一代网络（NGN）研究组SG13下面新成立了焦点小组，专门研究IMT-2020网络架构所面临的问题、场景和需求，从而确定了2020年及之后的国际移动通信5G部署的网络标准化要求。由于SDN对网络技术的重大影响，SDN技术与移动网络出现了融合的趋势，ITU-T在2012年年中也开始了SDN与电信网络结合的标准研究，初步提出要在电信网络中引入SDN的网络架构。

3GPP最早在2014年11月启动了5G研究，当时沃达丰公司在3GPP SA1需求工作组会议上提交了一份关于5G潜在研究项目的报告[16]，其中指出了5G的4个方面驱动力：用户可感知的性能提升，在数据传输速率和时延上提供连续一致的用户体验；作为新业务的运营支撑平台，提供更有价值的网络服务，如保证通信的低时延、高可靠性等；降低运营成本，提高能效；提供按需服务的能力，向用户提供差异化、定制化的网络服务。由于国内外很多研究组织都已经启动了5G相关的研究，因此这份报告得到了绝大多数公司的支持。2015年2月，沃达丰公司在3GPP SA1工作组第69次会议上提出在3GPP Release 14阶段进行5G需求研究的建议，并牵头成立了SMARTER（New Services and Markets Technology Enablers）的研究立项，标志着3GPP开始了对5G系统的标准化研究。

为了抓住新的历史发展机遇，我国在经历了“2G追赶，3G突破，4G并跑”的进步之后，提出了“5G引领”的重大战略目标。为此，我国在5G相关研究上投入了大量的资金和人力。2013年2月，在工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部共同支持下，集合国内产学研界多方技术力量，共同成立了5G移动通信技术研究组织—IMT-2020（5G）推进组。IMT-2020（5G）推进组为推动我国第五代移动通信技术的研究作出了重要贡献。其中，IMT-2020需求组于2014年5月发布了《5G愿景与需求白皮书》，明确了5G网络中的业务可分为移动互联网业务和物联网业务，并描述了不同业务在不同场景下的需求特征，由此启动了国内关于5G网络架构和关键技术的研究。2015年2月，IMT-2020无线技术组发布了《5G概念白皮书》，提出5G概念由“标志性能力指标+一组核心关键技术”共同定义，由此标志着我国5G工作从前期研究进入标准制定阶段。2015年5月，IMT-2020无线技术组发布了《5G无线技术架构白皮书》，提出5G无线技术路线，5G新空口的技术框架和关键技术。同时，IMT-2020网络组发布了《5G网络技术架构白皮书》，提出5G网络架构的设计原则，包括控制转发分离、控制功能重构、简化核心网结构、灵活高效的控制转发、支持高智能运营和开放网络能力，确定SDN和NFV技术为实施5G新型设施平台的基础。

IMT-2020（5G）推进组给出的5G网络逻辑架构如图1-3所示，架构主要由接入平面、控制平面和转发平面共同组成。根据其对5G网络架构的设计，接入平面包含各种无线接入设备，并能够对无线接入进行协同控制，提高了无线资源的利用率。控制平面通过网络功能重构，实现控制的集中化，从而对接入资源或转发资源进行全局调度。通过对控制平面功能的按需编排，可以实现面向用户与业务需求的定制化服务。另外，基于控制平面之上的网络能力开放层可以实现对网络功能的高效抽象，从而屏蔽底层网络的技术细节，实现运营商的网络能力向第三方应用的友好开放。转发平面包括网络中的转发功能、用户面下沉的分布式网关、边缘内容缓存等，转发平面接受集中的控制平面的统一控制，能够有效提高数据转发的效率和灵活性。

学术界同样在5G技术方面进行了大量的研究和探索。目前在网络架构及移动性管理方面取得的共识是，未来5G移动通信网络将服务于差异化业务场景，需要满足自动化运维的需求。因此5G网络需依赖SDN/NFV等技术实现控制平面与转发平面分离、网络功能的虚拟化以及网络功能的动态扩展和灵活部署，从而提高网络的适应性、敏捷性和创新能力；在服务差异化业务场景时，5G网络应能够针对具体业务场景的特点，有针对性地提供网络服务，如定制化的移动性管理和会话管理。

早期展开的5G网络架构和移动性管理技术的研究项目可分为两类：无线接入网架构研究和端到端网络架构研究。

1. 接入网架构研究

早期接入网架构的研究重点主要集中在虚拟化和去蜂窝化方面。

OpenRAN提出了一种基于虚拟化技术的软件定义接入架构[17]。该架构实现了对频谱资源、计算资源和存储资源的虚拟化，以及对虚拟化资源的动态分配，使得网络控制器可以基于业务需求动态创建和优化虚拟接入单元。

Softcell提出了一种基于SDN技术的可以实现精细化策略控制的蜂窝移动通信网络架构[18]，其主要构成包括部署在基站上的接入交换机以及部署在核心网的中心交换机和网络控制器。该架构通过分级的地址和策略标签，在接入交换机上进行数据细分，在中心交换机进行数据面转发规则的汇聚。

UUDN（User-Centric Ultra-Dense Networks）针对超密集部署场景，提出建立以用户为中心的网络[19]，突破传统以网络为中心的理念，基于去蜂窝化的思想，采用更加贴近用户的本地控制管理中心构建以用户为中心的虚拟伴随小区，通过高效的移动性管理，实现网随人动。同时，系统智能感知用户需求和网络状态，按需选择合理的接入方式和传输方式，实现以用户为中心的业务传输。另外，以用户为中心的超密集网络还引入了先进的干扰管理、灵活的无线回传、智能的网络编排、网络自优化等先进特性，提升网络容量和区域频谱效率，降低部署和维护成本，提升用户体验。

2. 端到端网络架构研究

早期大量的端到端5G网络架构研究都借鉴了IT行业的SDN技术和电信业的NFV技术，希望利用SDN/NFV技术实现网络架构的灵活定义和网络功能的动态定制。

欧盟的FP7项目CROWD（Connectivity Management for eneRgy Optimised Wireless Dense Networks）子项目提出了一种用于支撑超密异构无线网络的架构[20]。该架构中，网络中的网元可以被控制器动态地编排和重配置，以实现对网络性能的优化。CROWD网络采用了分级的SDN控制器，网络中的控制器分为两种：CROWD区域控制器（CRC，CROWD Regional Controller）和CROWD本地控制器（CLC，CROWD Local Controller）。CRC通常位于运营商网络的数据中心，主要用于根据网络的汇聚流量进行网络的长期优化，以及控制CLC的动态部署和生命周期管理。CLC通常位于回传网络或者基站内部，主要根据网络中的瞬时数据进行有限数目基站的短期优化。遵循SDN控制器的原则，CRC和CLC支持南向和北向接口，南向接口与移动通信网络中的网元相连，而北向接口提供了开放的API控制程序，使得控制程序无须关心网络中具体的数据处理，而仅关注于对网络的优化。控制程序实现的功能可以包括干扰抑制、WLAN（Wireless Local Access Network）优化、接入选择、基站管理、流量卸载等。

SoftNet（Software Defined Decentralized Mobile Network）提出了一种面向5G的去中心化移动通信网络架构[21]，能够根据具体通信场景的特点，如用户密度、用户的移动性信息、数据流量密度、流量特征等，以及网络的配置、运营商的策略、网络状态等，动态地激活位于统一接入网和基于SDN的核心网中的相关网络功能，从而智能灵活地定义网络架构，以提高系统性能和资源利用率，降低运维成本。

随着SDN/NFV技术的进一步成熟、5G网络需求的明确以及对5G网络及技术的探索，再加上NGMN组织以及3GPP组织在技术方向上的引导，学术界又提出了一些新的5G端到端网络架构。这些架构进一步延伸了SDN/NFV的思想，提出基于网络功能的虚拟化和动态编排按需定制网络能力，并引入了网络切片的概念。主要研究如下。

文献[22]提出了一种基于SDN思想的5G网络架构-SoftAir。SoftAir由数据平面和控制平面组成，数据平面进一步由软件定义的无线接入网和软件定义的核心网组成。SoftAir中的无线接入网采用类似C-RAN（Cloud-Radio Access Network）的设计，即基带处理单元集中到数据中心，而核心网的数据平面完全简化为SDN交换机的集合，控制平面仅由必要的网络管理功能和网络应用组成，包括移动性管理、流量路由、签约数据库等。

文献[23]认为移动通信网络的演进式发展已经难以跟上移动业务发展的需求，因此提出一种面向业务的端到端5G网络架构。该架构引入了逻辑集中的控制平面，主要由核心网控制器、接入网控制器以及业务协调功能组成，核心网控制器和接入网控制器需根据业务协调器的决策进行网络设置，以保证业务的端到端服务质量（QoS，Quality of Service）和用户体验。

文献[24]指出移动通信网络架构的发展方向是成为整合了多种技术和多样部署的“多个系统的系统”，每个系统都可以针对其实际用途被裁剪定制。基于此，作者提出了软件定义的移动网络控制架构，用于实现对控制平面移动网络功能的动态控制与编排，使得移动通信网络的控制平面功能能够被任意地部署在边缘云或者中心云中。

文献[25]指出5G网络架构设计需要综合考虑软件控制和硬件基础设施，以及二者之间的互操作。作者认为网络切片技术恰好可以在统一物理基础设施和共享网络资源上满足多样化的网络需求。基于这种考虑，作者提出了一种基于网络切片的5G系统架构。在该系统中，接入网的无线接入部分由支持多种接入技术异构网络组成，接入网的其他功能位于边缘云中，边缘云主要支持数据转发和基带处理；核心网的控制平面和用户平面都位于核心云中，位于核心网的SDN控制器可以通过集中方式来创建边缘云和中心云之间的映射，从而控制网络切片。

文献[26]针对未来移动通信网络提出了一种基于SDN和NFV技术的蜂窝网络架构—Cellular SDN。在该架构中，移动运营商能够感知用户数据并进行大数据分析，然后利用SDN/NFV技术实现动态的资源管理和智能业务编排，最终向用户提供定制化服务，提高网络资源利用率和用户体验。

由此可见，5G网络正朝着网络功能虚拟化、软件化、智能化的方向发展。提高网络面向差异化应用场景时的适应能力，使网络能够向用户提供按需服务成为5G网络架构及关键技术研究的焦点。