发布时间：2020-06-07所属分类：科技论文浏览：1次
摘 要： 摘要：4G 网络已进入深耕细作阶段，而 5G 网络规模建设已经到来。笔者从网络架构上比较 4G 网络和 5G 网络架设的不同理念， 从网元组成上指出两者不同的产生方式，介绍基于万物互联的5G新技术，以及现阶段 4G/5G 网络协同建设策略。在分析比较的基础上，进一
摘要：4G 网络已进入深耕细作阶段，而 5G 网络规模建设已经到来。笔者从网络架构上比较 4G 网络和 5G 网络架设的不同理念， 从网元组成上指出两者不同的产生方式，介绍基于万物互联的5G新技术，以及现阶段 4G/5G 网络协同建设策略。在分析比较的基础上，进一步提出从 4G 到 5G 的独立组网和非独立组网的的两种演进方式。
关键词：网络体系;功能单元;接口;演进;4G/5G 协同
引 言
依托大数据、云计算和人工智能等技术的发展，人类社会正从信息时代跨入智能时代，开始第四次工业革命，这一切将驱动人类社会迈向发展的新纪元。5G 已经成为全球移动通信新一轮信息技术变革的重点，不同于以往的移动通信系统，5G 超越了移动通信的范畴，带来的不仅仅是网速变快，还将连接万物，与物联网和人工智能结合，带动产业和社会变革。当前 4G 方兴未艾，而 5G 已经到来，我们需考虑二者的协同发展思路，在二者共存期间，既要利用 4G 网络的现有优势，又要发挥 5G 网络的全新能力，让两者发挥更大的合力，创
造更多价值。
一 4G网络整体结构
4G 网络系统采用扁平化的结构，E-UTRAN(无线接入网)部分仅包含类似 3G 接入网中的 NodeB(基站网元)，只是一个 eNodeB(演进的基站)。 整个4G 网络系统由 EPC(演进的分组核心网) 、eNB(演进的基站)和 4G UE(用户设备)三部分组成，而其中的 EPC 和 E-UTRAN 组成了 EPS (演进的分组系统)。 EPS 系统架构如图1所示。 图一 EPS系统架构
1.1 网络功能单元分析
4G 的 EPC，负责移动性管理，用户身份的验证，用户数据的传输管理等，它主要包括 MME(移动管理实体)、SGW(服务网关)和 PGM(分组数据网关)等网元。其主要网元功能如下：
a)MME 主要的功能就是移动性管理、承载管理、用户的鉴权认证。 作为控制面功能实体的MME，它管理和存储用户终端 UE相关信 息，并且还为用户分配临时标识，及时处理 MME 和UE之间的所有非接入层消息。
b)SGW 是一个负责用户面功能的实体，它与UE终端通过接口相连，完成用户面数据包的路由端转发。它还终结无线接口空闲状态时的下行数据，对网络的寻呼消息给予支持，管理和存储 UE 的承载信息。
c)PGW，它主要起到网关作用，通过它可以和多种不同的外部数据网进行互连。PGW 还负责为用户分配IP地址，UE也是通过它接入外部分组数据网 PDN 的。在 4G网络中，同一用户可以同时接入多个 PGW 而使用不同的服务。
d)HSS(归属用户服务器)，主要用来存储用户的鉴权信息、位置信息及漫游方面的信息等。
e)PCRF(策略和计费规则功能实体)，它能够进行策略控制决策，实现基于流计费控制的功能。它还能够根据用户签约信息和业务相关要求产生 QoS(服务质量)规则对用户数据传递进行更好控制。
4G 系统的无线部分，也就是 E-UTRAN，它主要包括 eNB，和之前 3G 系统的 NodeB 的功能以及部分核心网的功能。它主要负责无线接入、连接的移动性控制。它还对 UE 进行动态资源分配，对用户数据进行压缩加密， 为 UE 选择 MME 和 S-GW 进行信令和数据传输。
1.2 4G接口分析
接口是网络中不同的网元之间互相连接的通道。 4G-LTE 空中接口(Uu 接口)完成 UE与eN-odeB之间的无线数据的交换;X2接口则完 E-U-TRAN系统内eNB之间的信令交互。基站 eNB 与MME之间通过 S1-MME 进行SM(会话管理)和 MM(移动性管理)信息的传送;基站 eNB 与 SGW 之间传送用户数据包是通过 S1-U接口建立隧道来实现的。核心网元 MME-SGW之间通过 S11接口采用GTP(隧道协议)建立隧道，传送信令，搭建控制面与用户面的桥梁。而 MME与 HSS之间通过S6a接口，完成用户位置信息的交换和用户签约信息的管理。为了实现 4G 网络的漫游，在不同的 MME 之间通过 S10 接口采用 GTP 建立隧道，传送信令。在用户面 SGW 与 PGW 之间通过 S5 / S8接口传送数据包，采用的也是 GTP 协议。另外，PGW还通过 SGi 接口利用 TCP / IP 协议与外部应用服务器之间进行数据传送。
二 5G网络整体结构
(一)5G云架构
当前云技术、SDN技术得到快速发展，5G移动通信网络作为前沿性技术，其可对依赖于网络技术生存的企业等做出巨大贡献。在对5G网络进行构建时，将SDN技术融合到系统的组网过程中，可简化通信网络的传输流程，并可实现拓展型管理。此种模式下的网络组成一般为接入云、局域云、本地云。
接入云(AC)在网络系统中应用时，依托于AP接口、交换器、路由器、控制器等协调工作模式来完成数据信息的传输。数据在网络内进行传输时，通过AP接口将数据帧传输到交换器内，此时控制器利用集成化模块对交换器、AP等进行处理，并以此作为的网络策略点。当用户单元在网络系统内要完成漫游通信协议时，可利用系统内的业务处理模块实现数据的传输，此过程无须进行局域网络的传输。
局域云(D-EPC)是对数据流量进行分化管理，一般包括数据中心库、疏导模块、路由器等。其中路由器是针对局域网络内的三层信息传输而设立的，可实现网络区域内的数据转换与传输，在疏导模块的作用下， 使数信息的传输途径与用户单元通信通道进行精准对接， 同时可保证数据信息传输的时效性。
本地云(C-EPC)一般以数据信息的存储于运算为主，在集中模块、控制模块、功能模块、服务模块的作用下，对5G通信网络内用户单元的数据传输与接入量进行精准监控。同时可对跨网络节点、目标动态切换的用户进行集成化管控
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(二)控制器架构
5G移动通信网络具有融合性、多网性、覆盖性等优势，在SDN技术支持下，可使网络系统内的数据信息实现效率传输。 当前5G网络架构一般以双层架构、分层架构、控制架构、无线架构为主。双层式是指我网络架构以网络云、无线网为主，在两者的作用下，将通信网络系统内的蜂窝节点传输模式进行融合，以提升数据帧的传输数量和异构融合度。在双层式网络架构中，可对数据信息的传输进行动态展示，以降低数据传输层中的冗余能力，进而使系统得到简化型协议栈。分层架构则是以用户控制模块、基层控制模块、 网络控制模块组成。在用户控制模块的作用下，可使无线接入设备、D2D调制、协议访问等。网络控制模块是对网络系统进行综合控制，并对各控制模块发送相应的指令，以保证数据管理、通信协议、费率计算等进行精准运算。控制架构是以5G异构网络为基准构建起来的，其包括基层控制层、中间监管层、高层控制层为主。基层控制层主要是以5G网络覆盖区域内的用户单元为主，对用户的数据信息初始状态进行控制;中间监管层则是对网络覆盖区域内的虚拟环境进行监管，确保数据信息传输信道可在监管范围内，其建构的虚拟网络传输信息还可为高层控制层提供精准的信息服务;高层控制层主要控制局域区图， 针对网络协议的传输路径进行算法控制，以精准分辨出网络覆盖区域内的信息对接模式。此种关联性监管的方式，可对数据信息在各阶层内的传输模式进行研究，以保证数据传输的时效性和精准性。
三 4G/5G 网络协同建设思路
目前，中国三大运营商均将2020年设为5G正式商用元年。由于 5G 网络部署在高频段，需要建设大量的基站和投入大量的资金，因此 5G 网络的完善将是一个较漫长的过程。此外5G终端的普及5G 业务的培育也需要一定的周期，可以预见今后 2~3 年内,4G/5G/Wi-Fi 等多种网络将长期共存。因此着手5G网络部署的同时，需要考虑 4G 网络的协同建设问题。从 5G 应用成熟度来看，增强移动宽带(Enhance Mobile Broadband，eMBB)业务成熟度高，将是5G初期的聚焦业务，包括高清视频 / 游戏、高清监控、AR/VR(Augmented Reality，增强现实技术 /Virtual Reality，虚拟现实技术)等。因此 5G 建网初期主要考虑 eMBB 业务的部署。
(1)5G 技术 4G 化，发掘 4G 基站潜力
在高流量或高价值区域，通过在 4G 基站应用 Massive MIMO、高阶调制、宏微协同、超密集组网等 5G 技术， 利用 5G 技术 4G 化在不增加站址、频率的情况下，大幅提升4G 基站的网络容量，有效对高流量区域实施分流。
(2)5G 初期覆盖区域的选择
由于 5G 建网初期主要针对 eMBB 业务，建议优先考虑在现有 4G 网络高流量、高价值区域和品牌影响区域部署 5G网络，优先提升高流量、高价值区域的用户使用感知，打造5G 品牌效应。
(3)4G/5G 站址、机房、天面、传输等配套资源协同
为充分利用现有网络资源，加快网络部署进度和提升投资收益，建议优先在现有的 4G 宏基站站址上新建 5G 基站。由于现网站址均为多家运营商共享天面，5G 对天面的要求和方式发生较大变化，而铁塔天面资源紧张，新增可用天面资源有限，因此需对天面资源进行整合，尽可能将 2G/3G/4G都整合到一副天线里面，腾出空间独立部署 5G AAU，减少5G 部署难度，提高工程可行性。在机房、传输等配套资源方面，需启动资源整合储备工作，综合考虑 4G/5G 需求，降
低重复建设节省投资。
(4)5G 无线网 CU/DU 架构与现网结构的协同
与现有 4G 网络结构有效协同，5G 无线网的 CU/DU 优先安装在 4G 网络原 BBU 局址机房，资源紧缺及改造难度大时，可考虑在光交箱侧新建室外一体化机柜设置 CU/DU 汇聚光交附近基站。
四 4G 网络架构到 5G 的演进
从以上的分析，可以看到4G网络的不足，所有设备都连接到具有相似网络参数(例如延迟，容量，吞吐量等)的核心网络。所谓的网络优化也是针对特定的部署场景进行优化，而不是针对不同的用例。
而5G网络的特征是通过 NFV、SDN、网络切片等技术实现转发分离化、网络虚拟化、部署分布化动态配置资源，网络功能软件模块化，从网元接口转变为软件功能模块接口，网络可编程。控制面与用户面分离，支持控制面和用户面的独立演进和部署。针对不同业务场景，网络功能可裁剪，实现以业务为导向的网络设计和部署。4G网络演进到5G网络有两种路径，一种是保留 4G 网络逐步过渡，另外一种是建设全新5G网络，其实也就是5G的SA(独立组网)模式和 NSA(非独立组网)模式。5G的SA(独立组网模式)：新建5G网络，包括新基站、回传网络和核心网。SA 引入全新网元与接口，将大规模采用网络虚拟化、软件定义网络等新技术，实现全面的 5G 服务。
优点：SA将是主流部署方式，SA 基站单站价格更有优势，SA可满足5G高可靠、低时延要求。NSA(非独立组网)模式： 利用现有的4G基础设施，架设新的5G 基站做补充，进行 5G网络的部署，5G无线网仅承载用户数据，其控制信令仍通过4G 网络传输。
优点：NSA 有4G网络基础，无需建设新的核心网，能快速扩大5G覆盖范围。通过以上对NSA与SA 网络架构技术差异的分析，可以看到虽然NSA组网可以充分利用4G网络基础，部署速度更快。但是，只有SA才可以充分发挥5G网络低时延、大连接的特点，有能力引入网络切片、边缘计算等一系列新技术，可以为各行业的应用打开空间。
五、结束语
尽管5G的脚步越来越近，但 4G网络在今后较长的一段时间内仍是中国电信当前移动业务的主要承载网络，只有建设5G网络的同时进一步提升4G网络质量，充分考虑网络向5G顺利演进，推进网络智能化转型，创建网络优势，才能更利于移动业务的持续快速增长，在激烈的市场竞争中实现企业既定的发展目标。
SCISSCIAHCI
