国之重器出版工程 5G移动性管理技术

5G移动性管理技术/陈山枝，王胡成，时岩著.--北京：人民邮电出版社，2019.12

国之重器出版工程

ISBN　978-7-115-52040-1

Ⅰ.①5…　Ⅱ.①陈…②王…③时…　Ⅲ.①无线电通信—移动通信—通信技术　Ⅳ.①TN929.5

中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第197209号

◆著　陈山枝　王胡成　时岩

责任编辑　李强

责任印制　杨林杰

◆人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164　　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

固安县铭成印刷有限公司印刷

◆开本：720×1000　1/16

印张：13.5　　2019年12月第1版

字数：198千字　　2019年12月河北第1次印刷

内容提要

本书是作者及所在的研究团队长期从事移动性管理理论与技术研究的经验总结。全书紧扣5G网络中超密集组网、海量物联网终端、D2D 异构接入与多连接等场景的需求与挑战，结合SDN/NFV分布式等技术思想演进，介绍了5G网络中的新型移动性管理、会话管理、异构网络的移动性管理和移动边缘计算中的移动性管理。

本书的目标读者为信息科学领域尤其是通信与信息领域的科研人员、工程技术人员，本书也可作为高等院校通信专业和计算机专业师生的参考书。

《国之重器出版工程》编辑委员会

专家委员会　委员（按姓氏笔画排列）：

李新亚　国家制造强国建设战略咨询委员会委员、中国机械工业联合会副会长

张宏科　北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室主任

陆燕荪　国家制造强国建设战略咨询委员会委员、原机械工业部副部长

屈贤明　国家制造强国建设战略咨询委员会委员、工业和信息化部智能制造专家咨询委员会副主任

项昌乐　“长江学者奖励计划”特聘教授,中国科协书记处书记,北京理工大学党委副书记、副校长

序

移动性管理技术是移动通信系统的重要组成部分，为用户提供通信与业务的连续性保证。随着移动通信技术的代际演进，在5G网络中，移动性管理面临着新需求和新挑战。传统以人为中心的通信向人—物—服务的多元移动演进，从面向个人用户向面向产业应用拓展，高可靠、低时延、高带宽和大连接需要有先进的移动性管理技术来保证。5G网络架构引入了软件定义网络（SDN）、网络功能虚拟化（NFV）、网络切片和移动边缘计算等功能，与物联网和垂直行业应用的深度融合，与云计算和人工智能技术的结合，要求5G网络的移动性管理技术能够以按需、智能、可定制的方式满足多样化、差异化的移动性需求。

该书融入了作者及其团队成员长期从事移动性管理理论与技术研究的经验，是近年来承担国家自然科学基金、“新一代宽带无线移动通信网”重大专项等移动性管理相关项目及参与3GPP国际标准化研究成果的总结。

该书以5G网络新架构、新场景、新需求为出发点，在分析相关需求与技术挑战的基础上，分别介绍了按需移动性管理、异构网络的移动性管理、移动边缘计算中的移动性管理等。全书紧扣5G网络移动性管理的新需求，专题论述移动性管理新技术，结构严谨，内容新颖，深入浅出。

前言

随着信息社会的发展，移动通信不仅要满足人类的通信需求，还要支持人与物、物与物之间的通信，为人类构建全方位的信息通信生态系统，这样才能促进传统产业升级和催生新兴产业，带来生产力的发展和社会文明的进步。因此，新一代移动通信系统5G除了服务于各种新型的移动互联网应用，还需要向物联网领域渗透，与工业控制、远程医疗、智能交通等垂直行业深度融合，支撑智慧城市、车联网、无人机网络等多种新兴信息产业的发展。

移动性管理是移动通信系统中最具代表性的关键技术之一，能够保证移动用户在跨基站、跨网络、跨运营商乃至跨终端、跨应用平台移动时的通信连续性和一致性业务体验。传统移动通信网络中主要支持以人为中心的通信，因此其移动性管理机制相对简单，即采用集中式的切换控制和位置管理。在5G网络中，以人为中心的通信与机器类通信共存，移动性场景也更加丰富多样，既存在普通用户的移动场景，还需支持不同运动速度的移动性、游牧接入、群组移动性以及海量物联网设备的多样化移动性，将是人—物—服务的多元移动、通信—计算—存储资源的多维迁移。因此，5G系统需要设计新的移动性管理技术，能够应对多样化、差异化的移动性管理的需求和挑战。

本书以5G面临的新场景和新需求为导引，首先，系统介绍5G的研究和标准化概况，以及5G网络的整体架构和关键技术。接着，总结了在新场景、新需求下， 5G移动性管理技术所面临的问题和挑战，并给出这些问题和挑战的应对方法，即按需移动性管理技术。通过阐述5G按需移动性管理技术的概念、基本特征和工作流程，让读者了解5G移动性管理技术的工作原理和区别性特征。此外，还介绍了标准化组织的研究内容，从产业视角说明5G新型移动性管理技术的设计初衷和考虑，如移动边缘计算中的移动性管理技术。最后，展望了移动性管理技术的发展，列举了若干研究方向。

本书融入作者多年来从事移动性管理相关研究和标准化工作的成果，同时也得到了北京邮电大学杨谈、胡博等多位研究工作者的帮助，其中，杨谈老师重点参加了移动边缘计算中的移动性管理技术的编写工作，我们在此深表感谢。

本书的撰写得到了中国信息通信科技集团大唐移动通信设备有限公司相关专家的关心和帮助，在此深表谢意。

本书的部分成果得到了国家自然科学基金杰出青年基金项目“移动性管理理论、方法和关键技术研究（课题编号61425012）”、“新一代宽带无线移动通信网”国家科技重大专项课题、“5G超密集组网技术与试验系统研发（课题编号2016ZX03001017）”和“5G新型移动性管理技术研发、标准化和验证（课题编号2017ZX03001014）”的资助，特此感谢！

希望本书能够对移动通信领域的研究人员和开发人员起到积极的参考和借鉴作用。由于作者的时间和水平有限，书中难免有偏颇和不当之处，敬请读者批评指正。

第1章 5G概述

|1.1 5G新需求|

从1979年美国芝加哥第一台模拟蜂窝移动电话系统的试验成功至今，每一代移动通信系统都是在其标志性技术的基础上，因业务/用户的特定需求而诞生的。第一代移动通信系统（1G,1st Generation Mobile Communication System）出现在蜂窝系统理论提出之后 [1]，采用模拟技术，主要满足人们无线移动通信的需求。随着数字技术的发展与成熟，为了提高移动通话的质量，出现了支持数字化语音业务的第二代移动通信系统（2G,2nd Generation Mobile Communication System）[2]。20世纪末，IP（Internet Protocol）和互联网技术的快速发展改变了人们的通信方式，在传统的语音通信的基础上，人们还期望移动通信网络能够提供数据业务，于是出现了支持数据业务的第三代移动通信系统（3G,3rd Generation Mobile Communication System）。21世纪飞速发展的信息技术带来了更高速率的互联网业务，这对3G系统的数据服务能力提出挑战，因此为实现移动网络宽带化的第四代移动通信系统（4G,4th Generation Mobile Communication System）应运而生。4G网络是全IP化网络，主要提供数据业务，其数据传输的上行速率可达50 Mbit/s，下行速率可达100 Mbit/s[3]，基本能够满足传统移动宽带业务的需求。然而移动互联网和物联网的快速发展几乎颠覆了传统的移动通信模式，促使产业界和学术界开始了对未来移动通信网络的探索和研究。而作为下一代移动通信网络的第五代移动通信系统（5G, 5th Generation Mobile Communication System）则成为国内外信息技术领域的研究热点。

同前四代移动通信相比，5G除了服务于传统的语音和数据业务，还将服务于各种新型的移动互联网应用，并进一步向物联网领域渗透，与工业控制、远程医疗、智能交通等垂直行业深度融合。目前，针对未来5G典型的移动通信场景的研究显示，未来5G网络将服务于人们居住、工作、休闲和交通等各种场所，涵盖了住宅区、办公室、体育场、露天集会、高铁等多种场景 [4]。ITU-R（International Telecommunications Union-Radio Communications Sector）[5]提出将未来5G的移动通信场景分为三类：增强的移动宽带（eMBB, Enhanced Mobile Broadband）、大规模机器类通信（mMTC,Massive Machine Type Communications）和高可靠低时延通信（URLLC,Ultra-Reliable and Low Latency Communications），如图1-1[5]所示。5G技术的国际标准化组织3GPP （3rd Generation Partnership Project）下的需求研究组——SA1工作组根据5G业务需求，将5G应用场景根据性能要求总结为4类 [6]：增强的移动宽带（eMBB）、关键通信（CriC,Critical Communication）、大规模物联网（mIoT,Massive Internet of Things）和车联网通信（eV2X,Enhanced Vehicle to Vehicle or Infrastructure）。我国IMT-2020（5G）推进组也在其发布的《5G概念白皮书》[7]中，将5G场景分为广域连续覆盖、热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠共4个场景。这些新型移动通信业务不仅对未来5G网络的传输速率、流量、频谱、能耗等方面提出了新的需求和挑战 [8]，也对5G网络架构和网络管理方面提出了新的需求和挑战，例如，多样化的移动性支持需求及其对现有移动性管理的挑战，具体可包括高速移动性支持、游牧接入支持、群组移动性支持，以及对海量物联网设备接入的支持等。

面向2020年及未来，不同业务场景对5G系统提出了不同的需求，不同需求也决定了不同的网络性能指标。

超高清、3D和沉浸式视频的流行将会驱动数据速率大幅提升，如8K （3D）视频经过百倍压缩之后传输速率大约仍需要1 Gbit/s[9]。增强现实（AR, Augmented Reality）、虚拟现实（VR,Virtual Reality）、云桌面、在线游戏等业务，不仅对上下行数据传输速率提出挑战，同时也对时延提出了“无感知”的苛刻要求。未来大量的个人和办公数据将会存储在云端，海量实时的数据交互需要可媲美光纤的传输速率，并且会在热点区域对移动通信网络造成流量压力。社交网络等OTT（Over-The-Top）业务将会成为未来的主导应用之一，小数据包频发将造成信令资源的大量消耗。未来人们对各种应用场景下的通信体验要求越来越高，用户希望能在各种环境下都能获得一致的业务体验。针对这些场景下不同的移动通信需求，5G移动通信系统需要满足更高的性能指标，如超高的流量密度、超高的连接数密度、超低时延、超高移动性的支持等，以支持更加丰富的业务应用和提供更好的用户体验。

另一方面，物联网业务类型将逐渐丰富，如智能家居、智能电网、环境监测、智能农业和智能抄表等业务，需要网络支持海量设备连接和大量频发小数据包的传输；视频监控和移动医疗等业务对传输速率提出了很高的要求；车联网和工业控制等业务则要求毫秒级的时延和接近100%的可靠性。物联网引入的通信场景更加复杂，大量物联网设备会部署在山区、森林、水域等偏远地区以及室内角落、地下室、隧道等信号难以到达的区域，对移动通信网络的覆盖能力提出了新的要求。物联网和工业互联网为移动通信网络渗透到更多的垂直行业提供了契机，然而为了满足差异化物联网和工业互联网通信的需求，5G网络应具备更强的灵活性和可扩展性，提供基于需求的网络适变能力。图1-2总结了5G时代物联网业务类型及各类业务对5G网络的挑战 [4]。

针对5G网络中的新型通信场景，3GPP需求工作组SA1分别定义了具体的业务需求和网络性能指标。3GPP SA1工作组总结了5G应用场景并详细给出了各类应用场景对数据传输速率、时延、可靠性等关键性能指标的需求，如表1-1所示。其中，用户体验速率（bit/s）是指真实网络环境下用户可获得的最低传输速率；连接数密度（/km2）是指单位面积上支持的在线连接设备总和；端到端时延（ms）是指数据包从源节点开始传输到目的节点正确接收的时间；移动性（km/h）是指满足一定性能要求时，收发双方间的最大相对移动速度；流量密度［bit/(s·km2)］是指单位面积区域内的总流量；用户峰值速率（bit/s）是指单用户可获得的最高传输速率。

下一代移动网络（NGMN,Next Generation Mobile Network）组织同样调研了5G业务场景，并从运营商的角度定义了5G业务场景的需求指标 [9]，其发布的《5G白皮书》从用户体验数据传输速率、端到端时延及其移动性支持等方面量化描述了不同场景下的业务需求，如表1-2所示。

5G网络发展的驱动力不仅来自于用户与业务的需求，还来自于5G网络自身的自动化运维管理的需求，主要表现在：现有多制式共存造成的烟囱式网络使得运维管理复杂度增长，并使得用户体验下降 [10]；现有移动通信网络的网络能效、比特运维成本、网络部署复杂度等难以高效应对未来业务流量和数据连接的爆炸式增长 [4]；现有网络部署的长周期特性阻碍了网络创新 [11]；现有移动通信网络资源的监控、管理和调度能力不足，难以实现精细化的网络功能部署和资源弹性伸缩 [12]；现有移动通信网络能力开放不足，难以有效感知终端和业务的特征，无法智能高效地满足未来用户和业务的差异化需求 [4]。

综上所述，未来多样化通信场景下的业务需求和移动通信网络自身运维需求驱动了移动通信网络的发展，只有准确把握5G时代下的通信需求，真正抓住移动网络运营的痛点，才能研发出具有广阔应用前景的5G系统。

|1.2 5G研究和标准化|

受到需求扩张和技术进步的驱动，全球早已掀起了对未来移动通信系统的研究热潮，各科研组织、产业联盟或实力厂商纷纷发布了相关研究进展。相关5G研究的技术成果最终在3GPP组织完成标准化。

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。

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。

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。

1.2.2 5G技术的标准化进展

3GPP组织是5G技术标准化的主战场，但是3GPP主导的5G技术中也包含了其他研究组织的贡献，如ETSI（European Telecommunications Standards Institute）、NGMN、4G America、国内IMT-2020等组织的研究成果。

为了将国内的研究成果转化为国际标准，实现“5G引领”的目标，2015年10月，国内各厂商共同努力推动了5G系统架构标准研究项目NextGen（Next Generation）项目在3GPP SA2工作组的正式立项 [27]，这标志着中国在移动通信技术标准化领域又一次取得了里程碑式的成果。NextGen项目主要从5G网络的架构和关键技术展开研究，研究内容包括5G系统架构、网络功能和接口、网络切片技术、移动性管理技术、会话管理技术、QoS控制、迁移与互操作等。该项目的研究成果和结论是3GPP 5G网络架构相关标准的技术基础，其提出的网络功能软件化、基于服务化网络接口的网络功能定制、网络切片，以及按需的移动性管理和会话管理成为5G网络技术的亮点。经过一年的标准研究， 2016年11月，再次由中国公司牵头在3GPP SA2工作组联合提交了正式开展5G系统架构标准化工作的立项 [28]，即5G网络系统架构第一阶段（5GS_Ph1)项目，开始基于前期的研究成果进行5G网络系统的标准制定工作，该项目制定的标准涵盖了系统架构设计、移动性管理、会话管理、QoS控制、策略控制、非3GPP接入支持、语音与短信业务支持、LTE核心网系统之间的迁移与互操作等多个方面。

5GS_Ph1项目已经在2017年12月正式结项，相关的研究成果已经成功转化为Release 15版本的技术规范，主要分为：描述系统架构和网络功能的标准协议TS 23.501，描述系统工作流程的标准协议TS 23.502，以及描述策略与计费控制框架的标准协议TS 23.503。由于5G第一阶段的标准规范尚不完善，目前仍在维护当中。另一方面，3GPP启动了5G第二阶段的立项，展开了Release 16版本的5G技术研究，包括了网络技术和无线接入技术方向。在网络技术方向，3GPP网络架构组将5G物联网通信、网络切片增强、5G车联网架构、5G定位技术增强、5G低时延高可靠网络、5G网络自动化、垂直行业局域网、卫星接入网络架构等列为重要的研究项目。在无线接入技术方向上，3GPP确定了包括MIMO（Massive Input Massive Output）增强、52.6 GHz以上的5G新空口（NR,New Radio）、5G NR双连接、无线接入/无线回传一体化、5G新空口移动性管理增强、非正交多址接入等15个研究方向。

|1.3 5G关键技术|

为了能够满足不同业务场景下的通信需求，保证用户体验，实现移动网络的高效运维，5G网络不仅在无线接入技术上要有突破，在网络技术方面也要有创新。在无线接入技术方面，将挖掘和引入能进一步提升频谱效率潜力的技术，如大规模天线技术、超密集组网技术、非正交多址技术、先进编码与调制技术、高频段通信技术、灵活双工、终端直通技术等。在网络技术方面，将引入使网络服务更智能、部署更灵活的技术，如控制与转发分离的软件定义网络（SDN）技术、网络功能虚拟化（NFV）技术、网络切片技术、移动边缘计算（MEC, Mobile Edge Computing）等。

1.3.1 5G无线接入关键技术

根据IMT-2020（5G）推进组的梳理，5G无线接入关键技术 [29]主要有大规模多天线、超密集组网、非正交多址接入、高频通信、低时延高可靠物联网、灵活频谱共享、新型编码调制、新型多载波、机器通信（M2M）、终端直接通信（D2D）、灵活双工、全双工12项关键技术。但是目前5G关键技术已经收敛 [30]，主要的关键技术包括：大规模多天线和非正交多址接入技术提升频谱效率，构成在“任何时间、任何地点”确保用户体验的关键技术；超密集组网和高频通信技术提升热点流量和传输速率，基于LTE-Hi演进技术 [31]的能力提升；低时延和高可靠技术拓展业务应用范围，成为5G物联网应用（如工业互联网、车联网）的关键使能技术。

传统的无线传输技术主要是挖掘时域与频域资源，20世纪90年代，Turbo码的出现使信息传输速率几乎达到了香农限。多天线技术将信号处理从时域和频域扩展到空间域，从而提高无线频谱效率和传输可靠性。多天线技术经历了从无源到有源，从二维到三维，从高阶MIMO到大规模阵列天线的发展。

从香农信息论可知，从1G到3G，通过调制与编码等技术进步来提高信噪比实现容量提升的方法已接近极限。而理论上，MIMO系统容量与天线数成正比，即增加天线数可以线性地增加系统容量。当基站侧天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交。此时，用户间干扰将趋于消失，而巨大的阵列增益将有效地提升每个用户的信噪比，从而能在相同的时域和频域资源共同调度更多用户。

随着关键技术的突破，特别是射频器件和天线等的进步，多达100个以上天线端口的大规模多天线技术在5G应用成为可能，是目前业界公认为应对5G在系统容量、数据速率等挑战的标志技术之一。在实际应用中，5G通过大规模多天线阵列，基站可以在三维空间形成具有更高空间分辨率的高增益窄细波束，实现更灵活的空间复用能力和改善接收端接收信号，并且更窄波束可以大幅度降低用户间的干扰，从而实现更高的系统容量和频谱利用效率 [32]。

大规模多天线技术在5G的潜在应用场景包括宏覆盖、高层建筑、异构网络、室内外热点以及无线回传链路等。在广域覆盖场景，大规模多天线技术可以利用现有频段。在热点覆盖或回传链路等场景中，则可以考虑使用更高频段。由此可见，大规模多天线技术是5G标志性技术之一，中国信科（大唐）国内各大通信厂商十分重视并投入了大量的人力、物力用于该项技术的研究，这使得我国在该项技术的标准化和产品研发等方面均处于国际领先地位。

据统计，在1950—2000年的50年间，相对于语音编码和调制等物理层技术进步带来不到10倍的频谱效率提升和采用更大的频谱带宽带来的传输速率几十倍的提升，通过缩小小区半径（频谱资源的空间复用）带来的频谱效率提升达到2700倍以上 [33]。可见，网络密集化是5G应对移动数据业务大流量和剧增系统容量需求的重要手段之一。网络密集程度可以用单位面积内部署的天线数量来定义，有两种手段可以实现：多天线系统（大规模多天线或分布式天线系统等）、小小区的密集部署。后者就是超密集组网，即通过更加“密集化”的基站等部署，单个小区的覆盖范围大大缩小，以获得更高的频率复用效率，从而在局部热点区域提升系统容量到达百倍量级。典型应用场景主要包括办公室、密集住宅、密集街区、校园、大型集会、体育场、地铁、公寓等。

随着小区部署密度的增加，超密集组网将面临许多新的技术挑战，如回传链路、干扰、移动性、站址、传输资源和部署成本等。为了实现易部署、易维护、用户体验佳，超密集组网技术方向的研究内容包括以用户为中心的组网技术、小区虚拟化、自组织自优化、动态TDD、先进的干扰管理、先进的联合传输等。

多址接入技术是解决多用户信道复用的技术手段，是移动通信系统的基础性传输方式，关系到系统容量、小区构成、频谱和信道利用效率以及系统复杂性和部署成本，也关系到设备基带处理能力、射频性能和成本等工程问题。多址接入技术可以将信号维度按照时间、频率或码字分割为正交或者非正交的信道，分配给用户使用。历代移动通信系统都有其标志性的多址接入技术，即作为其革新换代的标志。例如，1G的模拟频分多址（FDMA,Frequency Division Multiple Access）技术、2G 的时分多址（TDMA,Time Division Multiple Access）和频分多址（FDMA）技术、3G的码分多址（CDMA,Code Division Multiple Access）技术、4G的正交频分复用（OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术。1G到4G采用的都是正交多址接入。对于正交多址接入，用户在发送端占用正交的无线资源，接收端易于使用线性接收机来进行多用户检测，复杂度较低，但系统容量会受限于可分割的正交资源数目。从单用户信息论角度，4G LTE的单链路性能已接近点对点信道容量极限，提升空间十分有限；若从多用户信息论角度，非正交多址技术还能进一步提高频谱效率，也是逼近多用户信道容量界的有效手段。

因此，若继续采用传统的用户占用正交的无线资源难以实现5G需要支持的大容量和海量连接数。理论上，非正交多址接入将突破正交多址接入的容量极限，能够依据多用户复用倍数来成倍地提升系统容量。非正交多址接入需要在接收端引入非线性检测来区分用户，这得益于器件和集成电路的进步，目前非正交已经从理论研究走向实际应用。

图样分割多址接入（PDMA,Pattern Division Multiple Access）技术 [34]，是大唐电信在早期SIC Amenable Multiple Access（SAMA）[35]研究基础上提出的一种新型非正交多址接入技术。该技术采用发送端与接收端联合优化设计的思想，将多个用户的信号通过PDMA编码图样映射到相同的时域、频域和空域资源进行复用叠加传输，这样可以大幅度地提升用户接入数量。接收端利用广义串行干扰删除算法实现准最优多用户检测，逼近多用户信道容量界，实现通信系统的整体性能最优。PDMA技术可以应用于通信系统的上行链路和下行链路，能够提升移动宽带应用的频谱效率和系统容量，支持5G的海量物联网终端接入数量。根据大唐电信对PDMA仿真评估，PDMA能够使得系统下行频谱效率提升50%以上，上行频谱效率提升100%以上。采用PDMA与正交频分复用技术（OFDM）结合的接入方式时，能支持的终端接入数量相对于4G提升5倍以上。2014年，PDMA技术被写入ITU的新技术报告IMT.Trend[36]。

此外，华为公司提出的稀疏码分多址技术（SCMA,Sparse Code Multiple Access）和中兴公司提出的多用户共享接入技术（MUSA,Multi-User Shared Access）也都受到了业界的广泛关注。

编码和调制是移动通信中利用无线资源的主要技术手段之一。由于未来5G应用场景和业务类型的巨大差异，单一的波形很难满足所有需求，多种波形技术共存，在不同的场景下发挥各自的作用。新型多载波从场景和业务的根本需求出发，以最适合的波形和参数，为特定业务达到最佳性能发挥基础性的作用。

5G高速数据业务对编译码的复杂度和处理时延提出了挑战，低密度奇偶校验码（LDPC,Low Density Parity Check Code）在大数据包和高码率方面具有性能优势并且译码复杂度低，但编码复杂度相对较高 [37]。对于低速数据和短包业务，极化码（Polar码）是逼近信道容量的新型编码 [38]，在小数据包方面有更好的表现，适用于对顽健性要求较高的控制信道，因此成为5G控制信道编码方案。

目前，5G三大应用场景都分别采用适宜的编码方式，其中，LDPC成为5G数据信道编码方案，中国公司主推的Polar码成为5G控制信道编码方式。

目前蜂窝移动通信系统工作频段主要在3 GHz以下，用户数的增加和更高通信速率的需求，使得频谱资源十分拥挤。业界预测到2020年移动通信频率需求总量为1390～1960 MHz，我国预测结果为1490～1810 MHz，频率缺口达到1 GHz。频率短缺矛盾凸显，而在6 GHz以上高频段具有连续的大带宽频谱资源。目前业界研究6～100 GHz的频段（称为毫米波通信，mmWave）来满足5G对更大容量和更高速率的需求，传送高达10 Gbit/s甚至更高的数据业务。

高频通信已应用在军事通信和无线局域网，应用在蜂窝通信领域的研究尚处于起步阶段。频段越高，信道传播路损越大，小区覆盖半径将大大缩小。因此， 5G毫米波的主要应用场景是室内场馆、办公区覆盖及室外热点覆盖、无线宽带接入等，可以与6 GHz以下网络协同组成双连接异构网络，实现大容量和广覆盖的有机结合。在一定区域内基站数量将大大增加，即形成超密集组网（UDN）。高频信道与传统蜂窝频段信道有着明显差异，存在传播损耗大、穿透能力有限、信道变化快、绕射能力差、移动性支持能力受限等问题，需要深入研究高频信道的测量与建模、高频新空口和组网技术。另外，研制大带宽、低噪声、高效率、高可靠性、多功能、低成本的高频器件，仍是产业化的瓶颈，而我国产业在这方面差距更大。

双工模式是指如何实现信号的双向传输。时分双工（TDD,Time-Division Duplex）是通过时间分隔实现传送及接收信号。频分双工（FDD,FrequencyDivision Duplex）是利用频率分隔实现传送及接收信号。从1G到4G,GSM、CDMA、WCDMA和FDD LTE都是FDD系统，以大唐电信为代表的我国企业主导的3G TD-SCDMA和4G TD-LTE都是TDD系统。最新的研究方向是全双工。

全双工是指同时、同频进行双向通信，即无线通信设备使用相同的时间、相同的频率，同时发射和接收无线信号，理论上可使无线通信链路的频谱效率提高一倍。由于收发同时同频，全双工发射机的发射信号会对本地接收机产生干扰。根据典型蜂窝移动通信系统不同的覆盖半径，天线接头处收发信号功率差通常在100～150 dB，如何简单有效地消除如此大的自干扰是个难题，还有邻近小区的同频干扰问题，以及工程实现上的电路小型化问题。目前自干扰抑制主要有空域、射频域、数字域联合等技术路线，研究以高校的理论分析和技术试验为主，还没有成熟的产品样机和应用。另外，全双工在解决无线网络中某些特殊问题有优势，如隐藏终端问题、多跳无线网络端到端时延问题。

灵活双工能够根据上下行业务变化情况，灵活地分配上下行的时间和频率资源，更好地适应非均匀、动态变化或突发性的业务分布，有效提高系统资源的利用率。灵活双工可以通过时域、频域的方案实现。若在时域实现，就是同一频段上下行时隙可灵活配比，也就是TDD方案。若在频域实现，则是存在多于两个频段时，可以灵活配比上下行频段。若在传统FDD上下行的两个频段中，将上行频段的时隙配置可灵活上下行时隙配比，则是TDD与FDD融合方案，可应用于低功率节点。这种方案需要调研各国频率政策，分析现有政策是否允许此方式。

目前产业界公认在LTE演进上主要定位TDD+,5G低频段将采用FDD和TDD，在高频段更宜采用TDD,TDD模式能更好地支持5G关键技术（如大规模多天线、高频通信等）。有研究认为：全双工在5G中应用还不成熟，TDD和FDD都会得到应用且融合发展，但TDD在5G解决大容量和高频段中会起到主导应用，而且5G新空口极可能采用TDD模式 [8]。

车联网直通技术是指基于无线通信技术实现车联网中车辆与车辆之间的直接通信。具体到5G系统中，是指基于蜂窝移动通信系统的C-V2X（Cellular Vehicle to Everything）技术在5G中的演进。

目前，国际上用于V2X通信的主流技术包括IEEE 802.11p[39]和基于蜂窝移动通信系统的C-V2X技术。前者由IEEE进行标准化，后者由3GPP主导推动。基于4G、5G蜂窝网络技术演进形成C-V2X技术，根据所基于的移动通信系统技术，C-V2X又包括LTE-V2X和NR（New Radio）-V2X[40-41]。5GAA（5G Automotive Association）对IEEE 802.11p和LTE-V2X进行了技术对比，从物理层设计、MAC层调度等角度进行对比分析 [42]，福特也在5GAA发布了与大唐电信、高通联合开展的实际道路性能测试 [43]，表明LTE-V2X在资源利用率、可靠性和稳定性等方面具有优势。

LTE-V2X主要面向辅助驾驶和半自动驾驶的基本道路安全类业务，为了提供车辆直通通信技术，针对道路安全业务的低时延高可靠传输要求、节点高速运动、隐藏终端等挑战，进行了物理层子帧结构增强设计、资源复用、资源分配机制和同步机制等技术增强 [44-47]。NR-V2X将面向车辆编队行驶、车载传感器数据共享、自动驾驶和远程驾驶等场景，面临低时延、高可靠、高速率、高载频的应用需求。3GPP已于2018年6月启动NR-V2X的研究，预计2020年完成标准制定。其中，将从无线接入角度研究面向5G新空口的物理层帧结构增强、资源分配、同步机制、QoS管理，以及NR-V2X与LTE-V2X的共存机制；将从系统架构角度研究与MEC/SDN/NFV结合的核心网架构 [48-51]。

1.3.2 5G网络关键技术

在目前研究和定义的各项5G网络技术中，影响到5G网络架构的关键技术主要有两种：网络切片技术和移动边缘计算技术。网络切片技术是SDN/NFV技术与移动通信网结合的产物，能够让5G网络按需提供定制化的网络服务。移动边缘计算技术则赋予5G网络更强的性能和更优质的服务能力。

软件定义网络（SDN）始于学术研究和数据中心，是一种网络设计理念和新型开放网络架构，具有控制与转发分离、控制逻辑集中和网络可编程三大特征。控制器具有全局网络信息、负责调度网络资源和制定转发规则等，网络设备仅提供简单的数据转发功能。层间采用开放的统一接口（如OpenFlow等）进行交互，这样有利于实现网络连接的可编程。

网络功能虚拟化（NFV）由电信运营商联盟提出，是一种软件与硬件分离的架构。NFV通过在业界标准的服务器、存储设备和交换机等硬件基础设施上采用IT虚拟化技术实现软件的动态加载，从而实现网络功能重构和网络智能编排，降低了设备成本、加快网络和业务的部署速度，改变过去由专用硬件设备来部署的被动局面。

由此可见，SDN和NFV具有很强的互补性，但是并不相互依赖，两个概念和解决方案可以融合应用。SDN控制网络的动态连接，NFV实现灵活的网络功能部署，SDN和NFV可以互为使能。

5G需要支持多种不同类型的业务和多样化的通信场景，这些多样化业务和场景对5G网络的性能需求差异很大，如mMTC的海量连接物联网，URLLC的低时延、高可靠的车联网和工业互联网应用等对5G网络中的数据传输时延、可靠性等方面存在差异化需求。显然，5G网络无法通过统一的网络架构来满足这些差异化需求。因此，5G将基于SDN和功能重构的技术设计新型网络架构，提高网络面向5G复杂场景下的整体接入性能；基于NFV按需编排网络资源，实现网络切片和灵活部署，满足端到端的业务体验和高效的网络运营需求。5G的NFV技术还将从核心网向无线接入网推进，但如何有效实现无线资源虚拟化还需深入研究。

软件定义与可编程的优点是能感知环境与业务、提供基于场景的业务和应用、方便网络能力开放。但同时，SDN和NFV带来了5G网络和业务运维的新问题。5G采用通用硬件平台，带来了相比于传统专用通信硬件的低可靠性问题，且与5G服务工业互联网、车联网等的高可靠性矛盾。

传统的网络使用“one-size-fits-all”的网络结构来支持各种类型的业务，例如，IoT业务、移动银行业务、视频流业务和移动社交网络业务，这种集成的网络结构扩展性较弱，在适应用户需求时面临诸多的问题。云计算、SDN和NFV技术的发展使得这种集成系统可以被分解成相互独立的网络功能组件，然后以可编程和虚拟化的方式串联成一个个具有特定服务能力的水平网络去服务不同需求的业务场景。这种提供特定服务和网络能力的一组网络功能以及运行这些网络功能的资源的集合被3GPP和NGMN定义为一个网络切片 [9, 52]。

从物理上看，网络切片将物理网络通过虚拟化技术分割为多个相互独立的虚拟网络。从逻辑上看，每个网络切片中的网络功能可以在定制化的裁剪后，通过动态的网络功能编排形成一个完整的实例化的网络架构。当一个网络切片包括了接入网和核心网的网络功能时，该网络切片实际上已经构成了一个独立的移动通信网络来服务于特定的业务场景。由于5G网络中存在多种业务场景， 5G网络需具备虚拟化切片的能力，因此每个网络切片能够适配不同的业务和通信场景，以提供合理的网络控制和高效的资源利用。通过为不同的业务和通信场景创建不同的网络切片，使得网络可以根据不同的业务特征采用不同的网络架构和管理机制，包括合理的资源分配方式、控制管理机制和运营商策略，能够满足不同通信场景中的差异化需求，提高用户体验以及网络资源的利用效率。在创建新的网络切片时，运营商的运维系统可以通过编排集中管理的网络资源来实现网络功能的自动化部署。图1-4给出了5G系统中网络切片技术的逻辑框架。

在图1-4中，网络切片管理器功能连接了商务运营、虚拟化资源平台和网管系统，能够为不同的切片需求方（如垂直行业用户、虚拟运营商和企业用户等）提供安全隔离、高度自控的专用逻辑网络切片。切片选择功能能够基于终端请求、业务签约等多种因素，为用户终端提供合适的网络切片，实现用户终端与网络切片间的接入映射。在多个网络切片之间，允许部分控制面网络功能共享，这是为了在终端用户同时连接到多个不同切片时，能够使用统一的移动性管理、接入鉴权和安全控制等功能来为终端提供服务。

移动边缘计算（MEC）技术通过将计算存储能力与业务服务能力向网络边缘迁移，实现应用、服务和内容的本地化、近距离、分布式部署。一方面在一定程度解决了5G网络热点高容量、低功耗大连接，以及低时延高可靠等技术场景的业务需求；另一方面也可以减少无线和移动回传资源的消耗，缓解运营商进行承载网络建设和运维的成本压力，有利于运营商开拓新的商业机会。随着大数据分析和数据挖掘技术的发展，MEC还能够挖掘移动网络中的数据和信息，实现移动网络上下文信息的感知和分析。通过将数据分析结果开放给第三方业务应用，可以有效提升移动网络的智能化水平，促进网络和业务的深度融合。因此，MEC成为未来5G网络的关键技术之一。

移动边缘计算提供了一种新的生态系统和价值链，允许运营商向授权的第三方开放网络能力，从而灵活、迅速地向移动用户、企业和垂直市场部署创新的应用和服务。根据欧洲电信标准化协会（ETSI,European Telecommunications Standards Institute）关于MEC项目的研究 [53]，移动边缘计算的应用案例主要包括七大类：智能化视频加速、视频流分析、增强现实、密集计算辅助、园区业务、车联网、物联网。MEC带来的新应用场景可能催生新的商业模式，如边缘网络的运营、边缘内容的运营等，由此给5G网络带来新的价值增长。

MEC所实现的核心功能如下。

（1）优化网络服务：通过与网关功能联合部署，构建灵活的服务体系和优化的服务运行环境。

（2）动态业务链功能：随着计算节点与转发节点的融合，MEC在控制面功能的集中调度下，实现了动态业务链技术，灵活控制业务数据流在应用网络间路由。

（3）控制平面辅助功能：MEC可以和移动性管理、会话管理等控制功能结合，进一步优化服务能力，例如，获取网络负荷、应用SLA和用户等级等参数灵活、优化地控制本地服务等。

在具体实现上，MEC使用虚拟化移动边缘平台为第三方应用提供服务。移动边缘平台提供一组基本预先定义的中间件服务，允许第三方应用与底层网络进行丰富的互动，包括对无线网络状态的感知，从而使得应用层能够动态适应底层网络环境的变化。基于虚拟化技术，目前MEC还需要考虑的问题主要包括移动性支持、统一可编程接口、流量路由、应用与业务的生命周期管理以及MEC平台服务管理等。

|1.4 5G网络架构|

在5G网络架构研究阶段，产业界和学术界进行过大量技术研究和探讨，提出过如文献[8-25]中所介绍的多种网络架构。最终在3GPP组织落地的5G网络架构则是取众家之所长，其定义的标准化的5G网络架构，包括非漫游态架构和漫游态架构 [38]。与传统网络架构相比，5G网络架构的突出特点是支持网络功能的虚拟化和网络功能间接口的服务化，这保证了未来5G移动通信网络能够向性能更优质、功能更灵活、运营更智能和生态更友好的方向发展。

1.4.1 5G网络架构的需求和设计原则

在5G网络架构设计之初，3GPP就针对5G业务场景的需求和挑战总结了运维的新挑战，然后基于需求和挑战提出5G网络架构的总的设计原则。

从无线接入架构上看，5G系统需支持多种接入技术，包括新一代无线空口（NR）、演进的LTE无线接入和non-3GPP接入。其中，作为non-3GPP接入类型的一部分，5G系统支持WLAN接入（包括非可信WLAN）和固定接入。而从通信系统的演进和商业进程看，5G系统已经不需要支持2G和3G的无线接入网络，但是可能需要增加卫星接入支持。

从核心网架构上看，5G系统需支持不同接入系统的统一鉴权框架。支持网络的控制平面（CP,Control Plane）与用户平面（UP,User Plane）分离。利用SDN/NFV等技术减少系统的总开销，改善运营效率、能耗，提高业务创新的灵活性；支持网络切片，并支持针对垂直行业应用增强系统体系架构；支持网络的动态扩缩容；支持灵活的信息模型，该模型体现用户相关的被管理数据之间的关系，并具有协议无关特性；支持数据和数据库位置在（接入/核心）网络中的优化分布，以便网络实体能够高效地管理用户相关数据。

从网络的服务能力上看，5G系统需高效支持多样化的终端移动性和业务连续性。支持具有低时延需求的应用，包括第三方应用，这些应用可以被部署在运营商可信域中靠近接入网络的位置。

基于以上架构需求和运营挑战的考虑，以及对架构备选方案的分析与比较， 3GPP定义了5G网络架构设计需遵循的一般原则，具体如下。

（1） UP与CP分离，允许二者独立地进行拓展、演进和灵活部署，例如，集中式部署或分布式（远端）部署。

（2）功能设计模块化，例如，使能灵活高效的网络切片。

（3）尽可能将流程，即网络功能（NF,Network Function）间的接口逻辑，定义为服务，以便使其可重用。

（4）使每个NF在需要时能直接与其他NF交互。架构不排除使用中间功能来协助完成控制面消息路由的可能，如使用类似路由代理的功能。

（5）使接入网（AN,Access Network）与核心网（CN,Core Network）之间的耦合最小化。架构应支持使用统一的核心网以及统一的AN-CN间接口来服务不同的接入技术类型，如3GPP接入和non-3GPP接入。

（6）支持统一的鉴权框架。

（7）支持无状态网络功能，其计算资源与存储资源是解耦的。

（8）支持能力开放。

（9）支持对本地部署和集中部署业务的并发访问。为了支持低时延业务和对本地数据网络的访问，UP功能可以部署在靠近接入网的位置。

（10）支持归属地路由和本地疏导两种漫游场景。

1.4.2 5G网络的逻辑架构

从逻辑上看，基本的5G网络架构主要由接入和移动性管理功能（AMF，Access and Mobility Management Function）、会话管理功能（SMF,Session Management Function）、统一数据管理功能（UDM,Unified Data Management）、鉴权服务器功能（AUSF,Authentication Server Function）、用户面功能（UPF, User Plane Function）、网络切片选择功能（NSSF,Network Slice Selection Function）、策略控制功能（PCF,Policy Control Function）等网络功能构成 [52]。根据应用场景的不同，5G网络架构分为非漫游态架构、本地疏导方式的漫游架构和归属地路由方式的漫游架构。由于5G系统统一采用了服务化接口，因此本节首先展示网络架构的服务化接口表述，然后通过网络架构介绍各网络功能之间的接口关系。

基于服务化接口的非漫游态5G网络架构如图1-5所示。图中核心网内的所有网络功能都向外提供标准化的服务化接口（SBI,Service Based Interface），供其他NF调用其服务。所有NF在需要时都可以与非结构化数据存储功能、统一数据仓库（UDR,Unified Data Repository）、网络能力开放功能以及网络存储库功能（NRF,Network Repository Function）进行交互。

通过参考点来描述的非漫游态5G网络架构如图1-6所示，从该图中可以看出主要网络功能之间的接口关系。

基于服务接口的本地疏导方式漫游态5G网络架构如图1-7所示。在该架构中，终端的会话连接完全由拜访网络的会话管理功能和用户面功能进行控制和提供服务，但拜访网络需要与归属地网络中的策略控制功能进行交互，获取网络控制和计费策略。

基于服务接口的归属地路由方式漫游态5G网络架构如图1-8所示。在该架构中，漫游态的终端仍然通过归属网络中的会话管理功能/用户面功能连接到数据网络（DN），因此终端的用户面数据需要经过拜访地网络中的用户面功能路由到归属地网络中。

图1-9所示为采用本地疏导方式漫游态5G网络架构的参考点表述，图1-10所示为采用归属地路由方式漫游态5G网络架构的参考点表述。

1.4.3 5G的主要网络功能

在构成5G网络的主要网络功能中，与移动性管理相关的网络功能主要包括接入和移动性管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）和用户面功能（UPF），因此本节主要介绍这3种网络功能的主要功能与作用。

AMF的主要功能：信令终结和路由功能，包括终结RAN控制平面接口（N2接口）和终结NAS（N1）信令，提供NAS信令消息的加密和完整性保护；提供接入控制和移动性管理，包括签约控制、接入鉴权和授权，进行注册管理、连接管理和可达性管理等；安全管理，提供安全锚点功能（SEAF,Security Anchor Functionality），根据SEAF发出的用于生成接入网络相关的特定密钥，管理安全上下文；提供终端与会话管理功能之间的会话管理（SM）消息传输，是路由SM消息的透明代理；进行合法监听（接入和移动性管理功能相关的事件及与合法监听系统的接口）。除了上述功能，AMF还可能支持non-3GPP接入相关功能，包括支持与非3GPP互操作功能的N2接口、终结终端在非3GPP互操作功能上传输的NAS信令等。

SMF的主要功能：终结会话管理相关的NAS消息；进行会话管理，如会话建立、修改和删除，包括用户面功能与接入网络间的隧道维护；确定会话的业务连续性模式；进行终端IP地址分配和管理；用户面功能的选择和控制；策略执行和QoS控制；计费控制（用户面功能上的计费数据收集的控制与协调）、计费数据收集和支持计费接口；下行数据通知；支持漫游；合法监听（包括归属网络和漫游网络中SM相关的事件及与LI系统的接口）。另外，为了支持与外部数据网络的交互，会话管理功能还支持与外部数据网络间的会话鉴权/授权相关信令的传输。

UPF的主要功能：移动性管理锚点功能，包括接入技术内或接入技术间的移动性；数据网络互连；数据报文的路由和转发；报文检测和用户面的策略执行；流量路由（包括对上行分类器和多路径分支路由的支持）；用户面的QoS处理，如报文过滤、门控、上下行速率控制等；上下行传输层报文的标记；上行流量校验（业务数据流到QoS流的映射）；下行数据缓存和下行数据通知；合法监听（用户面数据采集）。

在实际网络中，对于一个网络功能的具体实例，可以进行功能裁剪，即仅实例化其部分功能，这样可以实现网络能力的定制化，提高网络的服务效率和降低能耗。

|1.5 小结|

传统移动通信网络主要服务于语音业务和普通数据业务，然而随着智能终端、移动互联网和物联网的发展，移动通信网络中逐渐引入了许多新业务，如社交网络、移动云计算、垂直行业应用等，这些新业务对传统的移动通信网络提出了新的挑战。因此需要研究新一代的移动通信网络，即5G网络。

本章首先分析了5G网络面临的新场景和新需求，指出5G网络除了服务于传统的语音和数据业务外，还将服务于各种新型的移动互联网应用和垂直行业应用。因此5G网络在数据速率、时延、可靠性、流量密度、连接密度、移动性等多个技术指标上均面临更高的性能要求。为了应对5G性能指标和挑战，世界各研究组织机构进行了大量的研究。本章介绍了学术界和工业界在5G技术研究上取得的进展和成果，进而总结提炼出用于支持5G更高性能指标的关键技术方向，包括接入技术和网络技术。最后基于国际标准化组织3GPP的5G技术标准，给出了5G网络的设计原则、总体架构和主要网络功能的构成。

目前，针对5G的第一阶段研究已经基本完成，输出的5G网络架构主要还是用于满足移动互联网的需求。下一阶段的研究重点在于对垂直行业的支持和网络智能化的实现，为工业控制、远程医疗、智能交通等各种行业应用提供各种支撑和服务。

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