5G 架构

前几代移动网络的主要目标是为网络用户提供快速、可靠的移动数据服务。5G 扩展了这一范围,为最终用户提供了跨多个接入平台和多层网络的广泛的无线服务。

5G 实际上是一个动态、连贯和灵活的框架,包含多种先进技术,支持多种应用。5G 采用了更智能的架构,其无线接入网络 (RAN) 不再受基站邻近性或复杂基础设施的限制。5G 引领着向分散、灵活和虚拟 RAN 发展的方向,新接口创造了额外的数据接入点。

4G & 5G Network Architecture
 

5G 架构 3GPP 

第三代合作伙伴项目 (3GPP) 涉及电信技术,包括 RAN、核心传输网络和服务能力。3GPP 为 5G 网络架构提供了完整的系统规范,比前几代更加注重面向服务
3GPP

它通过公共框架将服务提供给允许使用这些服务的网络功能。网络功能的模块化、可重用性和自包容是 3GPP 规范描述的 5G 网络架构的额外设计考虑因素。

5G 频谱和频率
现在,有多个频率范围专用于 5G New Radio (NR)。频率在 30 GHz 到 300 GHz 之间的那部分无线电频谱被称为毫米波,因为它的波长从 1-10 毫米不等。目前,全球多个地区分配给 5G 的频率介于 24 GHz 到 100 GHz 之间。 

除了毫米波之外,300 MHz 和 3 GHz 之间未充分利用的 UHF 频率也被重新用于 5G。所采用的频率的多样性可以根据特定的应用进行调整,因为较高的频率对应较高的带宽(尽管范围较短)。毫米波的频率对于人口密集的地区很理想,但对于远距离通信的效果差。在这些专用于 5G 的高频段和低频段中,每个运营商都开始在 5G 频谱中开辟自己的独立部分。

MEC
多接入边缘计算 (MEC) 是 5G 架构的重要组成部分。MEC 是云计算的一种发展,它将应用从集中式数据中心带到网络边缘,从而更接近最终用户及其设备。这实际上在用户和主机以及曾经将它们分隔开的很长的网络路径之间创建了一个内容交付的快捷方式。 

这项技术并不专属于 5G,但肯定是其效率不可或缺的一部分。MEC 的特点包括低延迟、高带宽和对 RAN 信息的实时访问,这使 5G 架构有别于前几代移动网络。RAN 和核心网络的这种融合将要求运营商利用新的方法来进行网络测试和验证。

基于 3GPP 5G 规范的 5G 网络是部署 MEC 的理想环境。5G 规范定义了边缘计算的推动因素,允许 MEC 和 5G 协同路由流量。除了 MEC 架构的延迟和带宽优势外,计算能力的分布还将更好地支持 5G 部署所固有的大量互连设备,以及物联网 (IoT) 的兴起。 

NFV 和 5G
网络功能虚拟化 (NFV) 通过将防火墙、负载平衡器和路由器等各种网络功能替换为以软件方式运行的虚拟实例,将软件与硬件分离开来。这样就无需投资购买许多昂贵的硬件元素,还可以加快安装时间,从而更快地为客户提供创收服务。 

NFV 通过对 5G 网络内的设备进行虚拟化来支持 5G 基础设施。这包括允许多个虚拟网络同时运行的网络切片技术。NFV 可以通过虚拟计算、存储和网络资源来解决其他 5G 难题,这些资源是基于应用和客户细分定制的。 

5G RAN 架构
举例来说,NFV 的概念通过诸如 O-RAN 之类的联盟促进的网络分集扩展到 RAN。这带来了灵活性,并为竞争创造了新的机会,提供了开放接口和开源开发,最终简化了新功能和技术的规模部署。O-RAN 联盟的目标是允许使用现成的硬件进行多供应商部署,以实现更轻松、更快的互操作。网络分集还允许对网络组件进行虚拟化,从而提供了一种随容量增长而扩展和改进用户体验的方法。 从硬件和软件的角度来看,虚拟化 RAN 组件的好处提供了一种更经济的方法,特别是对于设备数量数以百万计的 IoT 应用更是如此。

eCPRI
使用功能划分的网络分集还带来了其他成本优势,特别是,随着 eCPRI 等新接口的引入,情况更是如此。当测试大量 5G 载波时,射频接口并不经济高效,因为射频成本会迅速增加。eCPRI 接口的引入提供了一个更经济的解决方案,因为可以使用更少的接口来测试多个 5G 载波。eCPRI 的目标是成为用于诸如 DU 等 O-RAN 前传接口中的实例的 5G 标准化接口。与 eCPRI 相比,CPRI 是针对 4G 开发的,但在许多情况下是供应商特有的,这给运营商带来了问题。 

网络切片
可能使 5G 架构的全部潜力得以实现的关键因素是网络切片。此技术通过允许多个逻辑网络在共享的物理网络基础设施上同时运行,从而为 NFV 域增加了一个额外的维度。通过创建包括联网和存储功能的端到端虚拟网络,这成为了 5G 架构不可或缺的一部分。 

通过将网络资源划分给多个用户或“租户”,运营商可以有效地管理具有不同吞吐量、延迟和可用性需求的不同 5G 用例。

网络切片对于像 IoT 这样的应用非常有用,在这些应用中,用户数量可能非常高,但总体带宽需求很低。每个 5G 垂直领域都有自己的需求,所以网络切片成为 5G 网络架构的重要设计考虑因素。网络配置的成本、资源管理和灵活性现在都可以通过这种定制级别进行优化。此外,网络切片可以加快潜在的 5G 新服务的试验,并缩短投放市场的时间。 

波束成形
5G 取得成功不可或缺的另一项突破性技术是波束成形。传统的基站不考虑目标用户或设备的位置,向多个方向发送信号。通过使用数十个小天线组合成一个阵型的多输入、多输出  (MIMO) 阵列,信号处理算法可以用来确定发送给每个用户的最有效的传输路径,而单个数据包可以被发送到多个方向,然后编排成预定的顺序到达最终用户。 

5G Beamforming

5G 数据传输占据毫米波,自由空间传播损耗(与较小的天线尺寸成比例)和衍射损耗(由于频率较高和无法穿墙而固有)明显更大。另一方面,更小的天线尺寸也使得在相同的物理空间内能够放置更大的阵列。随着这些更小的天线每毫秒可能重新分配波束方向几次,通过大规模波束成形来解决 5G 带宽的挑战变得更加可行。相同的物理空间中具有更大的天线密度,可以通过大规模 MIMO 实现更窄的波束,从而为实现更高的吞吐量和更有效的用户跟踪提供了手段。

5G 核心架构

5G 核心网络架构是新的 5G 规范的关键,并可实现 5G 必须支持的更高吞吐量需求。3GPP 定义的新 5G 核心采用了支持云、基于服务的架构 (SBA),它跨越了所有 5G 功能和交互,包括身份验证、安全、会话管理和来自终端设备的流量聚合。5G 核心进一步强调 NFV 是一个完整的设计概念,具有能够使用 MEC 基础设施部署的虚拟软件功能,而 MEC 基础设施是 5G 架构原则的核心。

  5G_NR_Deploy_Architecture


与 4G 架构的不同之处
核心层面的变化是伴随 4G 向 5G 转变的无数架构变化之一,包括向毫米波、大规模 MIMO、网络切片,以及多样化的 5G 生态系统的所有其他离散元素的迁移。5G 核心与 4G 演进分组核心网 (EPC) 有着显著的不同,5G 核心以前所未有的水平利用虚拟化和云本地软件设计。 

5G 核心有别于 4G 核心的其他变化包括将分组网关控制和用户面功能解耦的用户面功能 (UPF),以及将会话管理功能与连接和移动管理任务分离的接入和移动管理功能 (AMF)。

5G 架构选项
弥补 4G 和 5G 之间的差距需要循序渐进的步骤和精心策划的策略。这种转变的象征将是从独立模式逐渐过渡到非独立模式 5G 架构选项。5G 非独立标准于 2017 年底最终制定完成,利用现有的 LTE 无线接入和核心网络作为基准,并增加了 5G 组件载波。尽管依赖于现有的架构,但非独立模式将通过利用毫米波频率来增加带宽。 

5G 独立模式本质上是包含新的核心架构和全面部署的所有 5G 硬件、特征和功能的全新 5G 部署。随着非独立模式逐渐让位于新的 5G 移动网络架构的部署,仔细的规划和实施将使这种过渡对于用户群而言是无缝的。

5G Deployment Architecture Options

各地理区域的 5G 架构采用

由于独立 5G 部署有固有的基础设施,将需要在全球范围内针对不同地理区域逐步实现 5G 集成。北美、亚洲和欧洲等技术领先地区已经开始有限部署,而全球其他国家/地区紧随其后。总共 55 个实时网络预计将在 2019 年底投入使用。周边国家/地区在位置上的邻近性,以及载波的大量涌现,将使 5G 在欧洲的部署面临特别大的挑战。为了应对这一挑战,欧洲委员会制定了一项 5G for Europe 行动计划,以加快部署进程,并制定 2020 年底前在所有欧盟国家/地区部署的路线图。

The State of 5G Deployments

中国、日本和印度等工业国家投入了大量资金来解决 5G 转换带来实际和财务影响。新的天线、基础设施硬件和软件技术为世界各地的电子、软件设计和制造业创造了巨大的财富,因此快速部署一直受到重视。印度最大的电信运营商之一已经升级了其整个网络以兼容 5G,中国移动预计到 2020 年将建成一万个 5G 基站。

5G 架构的安全性

5G Security

通过大量使用基于云的资源、虚拟化、网络切片等新兴技术,5G 的实现将带来巨大的性能优势和应用的多样性。随着这些变化,5G 安全架构中出现了新的安全风险和更多的“攻击面”。

5G 是在过去几代移动技术的安全实践基础上建立起来的,但随着更多的参与者参与到服务交付过程中,信任模式变得更加广泛。IoT 和用户传播创造了大量的端点,其中许多流量输入不再由人工监控。 

3GPP 标准中详细规定的改进 5G 安全特性包括用于将认证与接入点分离的统一认证、用于适应安全事务的可扩展身份验证协议、用于处理更多用例的灵活安全策略,以及用于在网络上确保隐私的用户永久标识符 (SUPI)。 

随着 5G 部署的继续和关键性能节点日益虚拟化,运营商将需要持续监控和评估安全性能。遵循最佳实践意味着整个系统架构、设备和应用的端到端网络安全监控。

毫无疑问,就像用户已经习惯的每次移动网络换代一样,5G 将带来指数级的速度提升,但速度只是开始。从个人交通到制造业和农业等行业的预期变化将是如此之大,以致于许多人将 5G 称为下一场工业革命。这一范式转变的核心是多方面的 5G 架构(包含 MEC、NFV 大规模 MIMO),以及支持云、基于服务的核心架构,这些架构协同工作以交付新一轮的服务。为适应这种架构种子变化而设计的 5G 测试解决方案将成为即将到来的 5G 转型的真正推动者。 
 

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