网络技术的未来

如下图所示，不同地区的5G构架指标如下所示：欧盟的5G PPP，美国的5G America，中国的IMT-2020 (5G)PG，韩国的5G Forum，日本的 5G MF，以及METIS-II。

与未来相比，目前的3GPPP，SA2，SA5以及群组无线接入网络（TSG-RAN）就是硬币的另一面。事实上，这些倡议中有很多都被5G标签所包含，使人们对5G是什么，以及那些技术将真正符合5G网络会感到困惑。我们将详细地从技术，提高底层的无线接口的其他定义的进一步的范围内，通过持续的“云化”趋势，提高运输技术和采用的软件范例。

基于上表所提到的这些KPIs，我们可以观察到除了传统网络中要求到的峰值数据传输率、平均值和小区边缘用户吞吐量及整个小区吞吐量，这些指标在5G网络中依然重要，此外还要定义一些其他指标：

未来网络需要的不仅是更高的数据率，也需要提高极低的延迟，同时支持大量设备连接。为了解决这个问题，需要采用新的陷阱频谱频率机制（如载波聚合技术）并与新频带（如60GHz和毫米波）的使用相结合。未授权频谱与授权频谱组合（关键控制指令和移动性处理）以提高能力。通过授权共享访问以获得更多的频谱资源。高频频段的使用也使得海量MIMO技术，通过与数百个天线同时利用天线阵列，可以同频服务数万终端，增加容量10倍以上，并显著降低空口延迟。在实际的长期演进（LTE）网络范例中，因为它不允许使用不同技术的多个连接，这些新的接入技术将单独实现，这样它不可能完全发挥效益。

Software-defined Networking

目前，要表达运营商的高层网络策略极其复杂，因为需要分别使用低级别且通常是供应商特定的命令单独配置每个网络设备。此外，网络的垂直整合。控制平面和数据平面被捆绑在网络设备内部，降低了灵活性，阻碍了网络基础设施的创新和发展。软件定义网络（SDN）范式分离控制和数据转发平面。这种分离允许更快的配置和网络连接配置。有了SDN，网络管理员可以集中地管理流量和网络的行为，而不需要独立地访问和配置每一个网络硬件设备。这种方法分离的系统，决定在交通发送（即控制平面）从底层系统流量转发到选定的目标（即，数据平面）。其它的优势，包括简化了网络和新的协议和应用程序的部署。此外，通过在流量和设备上启用可编程性，SDN网络可能比传统的网络更加灵活和高效。

在今天的网络中，每次需要部署新的服务时，运营商不得不购买专有设备，这些设备往往需要大量的时间才能生产。此外，该设备需要安装和能源运行的物理空间。最后，需要一个训练有素的人员完成安装、配置和操作。对于高数据速率的多样化和新的（短命的）服务，5G的新要求使得运营商更不愿意继续沿用当前网络的运作模式。他们当然希望通过网络虚拟化技术（NFV）的实现。NFV的核心就是从物理网络设备系统解耦（即智能地脱离原容量）。例如（负载平衡器）等产品，现在通过软件实现。因为它们可能运行在通用硬件，虚拟网络功能（VNFs）提供的网络服务可以灵活地实现搬迁到不同的网络位置，从而提出了新的服务更快、更便宜。此外，与SDN相结合，它支持多租户和切片网络，其中多个服务提供者共享物理资源，从而减少部署新服务的时间和成本。

集中式无线接入网络（C-RAN）是有效集中的计算资源的一种方式，通过连接多个站点到所有基带信号处理的中心处理器。无线电信号（称为“前向回传”）远程无线电头和数据中心之间交换的专用传输线。只有光纤链路能够支持5G高性能前向回传链路所需的数据速率（例如，关于今天的10 Gb / s的时分LTE与一个20 MHz的带宽和8个接收天线）所以这也算是缺点之一。集中处理需要大容量的前向回程链路和分散的处理，使用传统回程传输用户和控制数据到无线接入点之间的权衡触发了云RAN方法的设计。它使得云计算机的潜力巨大，允许灵活和适应性的软件部署。在灵活的“云运行环境”中，可以在无线接入点和部署在网络中的数据中心之间，甚至在核心之间优化和动态地分配和移动不同的RAN功能。集中无线接入网络是一个关键的5G技术。因为它允许网络上的灵活移动功能，促使更低的延迟和更有效的流动性机制的使用（例如，根据交通、自然流动锚可能接近最终用户的设备部署）。

预计5G网络将共享资源以应对来自异构用户/应用程序的不同流量需求（例如，物联网和4K高清视频流）。此外，一些服务可能受益于网络边缘的本地处理能力，然而其他服务可能需要集中处理。

在这种异质环境中，需要灵活的使用局部卸载策略。（1）允许利用用户设备的极高的相似度实现极高的比特率，低延迟和低功耗；（2）降低网络负载，提高利用设备间直接传输的频谱效率。对于移动网络，更有前景的技术是网络辅助物联网，附近的设备可以在有限的基站参与下相互通信。除了所有的优势，对于服务提供商和用户来说，物联网通信带来了新的挑战，如安全和干扰管理，还需要新的定价模型。欧洲电信标准协会认识到局部卸载战略的重要作用，已经标准化了一项名为“移动边缘计算”的新技术，旨在提高其效率。移动边缘计算在RAN内提供信息技术服务环境和“云计算”能力，从而达到在移动用户附近的效果。通过这种方式，可以减少延迟，确保高效的网络运行和服务交付，并在计算卸载过程中演示计算灵活性。最后，在这种异构环境中，需要灵活和概率地允许本地将选择的业务更接近边缘（即，卸载网络核心），并利用不同网关满足不同链接新和移动性要求的流量使用。

众所周知，与新的物理层技术相比，增加的空间重用（即，更密集的网络和更小的小区）一直是增加蜂窝网络的系统吞吐量的主要因素。因此，使用非常密集、低功耗的小型网络是应对未来数据率需求的刚需。超密集部署有两个好处：（1）无线接入点与用户之间的距离减小，以实现更高可实现的数据率。（2）由于跨多个小区的时间-频率资源重用，频谱被更有效地利用。小基站不能替代现有的宏蜂窝部署，而这些部署仍然需要覆盖快速移动的用户和用户密度低的地区。网络越密集，个人接入点仅携带很小负载的概率越高。因此，需要智能的协调和管理机制，以更有效地利用频谱和能源资源。起码在今天看来，小基站、载波聚合技术、毫米波/新频谱以及MIMO都是5G启动的关键技术。

实现未来5G网络所需灵活性的一个基本要素就是自适应能力。 通常，网络服务建立在几个明确定义的功能（例如防火墙和负载平衡器）之上。在传统网络概念中，这些功能与底层网络拓扑结构紧密耦合，然而，SDN和NFV概念的发展大大改变了规则，运行的网络功能在数据中心（通用服务器硬件）的几乎任何地方可能性解耦需要物理设备支持的一系列的物理拓扑服务。因此，网络功能不会根据其功能部署（例如，将负载平衡器放置在靠近服务器的位置），而是以抽象的方式定义和链接。这种方法提供的主要优点是灵活性。链不仅在网络中实例化，还能根据用户的服务质量（QoS）要求进行修改。例如，如果当前网络条件需要，视频优化器或内容分发网络中间件可以轻松地将其放在链内。因此，服务功能链接允许新服务的快速发展：可以按需部署新的功能链，而不是强制修改网络拓扑以插入目标服务所需的新功能。

不得不面对当前移动数据消费趋势，新服务（例如，大型机对机通信）的要求以及连接设备数量的不断增加，目前基于蜂窝的网络架构清楚地表明其缺点。即使使用非常有效的调制和编码方案，甚至使用相同的基础设施提供非常异构的服务也不会在不久的将来实现。因此，未来的5G网络将基于延展性访问架构，也可以在小单元上使用，并在可能的情况下实现智能流卸载。这种细粒度很高的无线接入结构需要在网络的所有元素之间进行非常精准的协调：传统架构不太可能实现，但可能通过使用新的5G概念作为灵活的移动网络控制器（FMNC）。相比之下，优化的频谱利用率将从能源角度提高效率，从而提高性能（在可用带宽和容量方面）。此外，具有小型高容量小区肯定会改善用户设备接收到的信号质量，有助于达到设想的目标，以降低能耗和系统的整体可靠性。下图展示了未来5G网络如何为各种5G业务异构接入技术的管理和控制提供统一接口。

在4G网络中，可用的无线电接入技术在某种程度上局限于蜂窝式无线接入技术：LTE Advanced（LTE-A）和全球微波接入互操作性。在5G网络中，所提出的架构的内在灵活性允许部署更多异构的无线电接入技术。物理和媒体访问控制层的新型通信技术的兴起促进了对新空中接口的研究。更多和更快的通信渠道的可用性使得5G的预期目标中的降低延迟，更高的数据速率和降低的能量消耗可以实现。LTE-A目前结构被设计为增强第三代网络，它的KPI与来自移动终端使用情况的语音和数据通信（即，通话期间的吞吐量，容量和阻塞概率）相关。随着时间的推移，新服务的需求出现：其中一些需要非常多样化的特征，这些特性根本不是最初设想的KPI的目标。虽然LTE-A目前正在提供对增强业务的支持，但是需要对接入网络进行重点修改（即第二代和第三代的演进）。因此，5G网络提出了一个完整的范式转换：不仅可以为用户带来更多的带宽，而且还可以通过6到100 GHz范围内的新频段（使用mMIMO部署提供）的无缝集成，实现高级频谱效率 管理方法（特别是在传统的6GHz频带），以及它们的集成。在考虑的创新之中，将会有演变的波形，但是在定义新的5G空中接口时，无线网络编码将会发挥主要作用。这也解决了介质访问控制层，应该具有允许非常多样化的流量类型的集成框架结构的问题。关键是不仅要实现新的接入技术，而且还要利用它们，允许多连接，从而同时使用不同的接入技术（如5G，Wi-Fi，LTE，6 GHz，毫米波， 或可见光通信）。目前的共识是，5G能够提供非常高的数据速率和极低的延迟，需要结合使用新的频带（较高频率）、传统频带中的先进的频谱效率增强方法和无缝集成非授权频带。

如今，相同的通信基础设施上承载着非常不同的应用共享。随着异质性增加的趋势，从一开始就必须考虑到网络切片。此外，5G的最终目标不仅支持异构的服务而且还可以降低成本（运营费用和资本支出）。理论上，这个目标可以通过部署多个物理网络来实现，每个服务（每几个业务甚至是一个业务）部署一个物理网络。因此，隔离服务可以以最佳方式使用其资源避免硬件和网络实体的重新配置困难。显然，这种方法不能应用于真正的网络，并且需要一种能够有效地资源共享（即多租户）和利用的解决方案。

无源的方法已经被许多运营商标准化并应用于目前共享蜂窝站点。然而，设备仍然属于使用者所以限制了成本。5G网络将进一步推进，推动不同租户之间的资源有源共享，使那些非运营商也可能使用网络，允许所谓的垂直业务。由于将来的5G网络可编程性能，将大量基于NFV和SDN范例，可以实现这种方法。因此，不同租户可以共相相同的通用硬件，以便为最终用户提供所有所需的功能。NGMN提出了这种意义上的第一中方法，介绍了网络切片的概念。软件化技术为网络资源的虚拟化铺平了道路；因此，完全分离的网络可以建立在铺设在共享物理基建的虚拟基础设施之上。网络切片可以被定义为专用与特定租户的虚拟网络基础构架资源的子集。不同切片和物理基础设施之间的虚拟化层确保了规模经济，这表明了网络切片方法的可行性。网络切片主要以业务目的创建：遵循5G垂直的精神，基础架构提供商将为每个服务或多个服务（例如，车辆网络切片，未来切片的工厂，健康网络切片）分配一个或多个切片网络。这些所需的关键指标可以在任意时间、任意地点提供，从而提高网络利用率，降低运行成本。

如果服务功能链接定义了必须由网络切片中的数据流量的网络功能集（或传统术语的中间件）以及如何链接它们（即，如何确保流量以正确的顺序满足不同的需求），这是另一个网络实例的问题。目前，通过硬件中间件及其在基础架构网络中的固定位置，流量使用通过静态配置的链路路由。这种方法显然缺乏灵活性，而且很容易出现配置错误。新兴的NFV技术使得从硬件到软件包处理的范式转换，可以在网络中的任何地方部署网络功能。NFV（和SDN）提供的灵活性是有代价的，而对于传统的中间件，通过过度配置网络来解决QoS问题; 使用NFV / SDN方法，可以以更高效（但复杂）的方式来实现QoS管理。

还可以在不同的网络位置灵活地分配和移动无线电功能。传统上，移动网络中的服务功能链只包括由于数字信号处理硬件不能与物理基站分离的，P-GW（例如，防火墙和TCP优化器）下行的元素。必须在网络切片内编排可能的VNF生态系统，每个VNF都需要满足不同的约束条件，需要QoS感知VNF协调器。QoS感知的VNF协调器应将VNF置于数据中心的正确物理机器中，以最小化所使用的资源，同时保证给定网络切片所达成的服务级别。

随着FMNC的推出，未来的5G网络将带来超越SDN的网络可编程性的概念。虽然SDN使用SDN控制器分离交换机中的路由和转发功能，但FMNC在网络中的任何网络功能之间对逻辑和代理之间进行分割。也就是说，SDN原则扩展到通常部署在移动无线网络中的所有控制，数据平面和管理功能，最终可以分为3类：（1）控制平面功能；（2）数据平面功能；（3）无线控制功能。以前的观点是，FMNC是对SDN应用的一个自然的扩展，而后者则捕捉到FMNC关键的部分：无线控制功能将不再使用专门的硬件（例如，LTE演进的节点B）中实现，而是通过一个软件。因此，将使用软件定义的方法来提供诸如频道选择、调度、调制和编码方案选择以及功率控制等许多功能。所有这些功能由（虚拟化）可编程中央控制执行，这为移动网络的运行提供了显著的优势。优点是多方面的。第一个问题涉及网络灵活性的提高，网络运营商目前在无线设备中面临的一个问题（除了较高的关联成本）。通过利用FMNC方法的可编程性，运营商将能够通过简单的重新编程控制器来满足他们的需求，从而降低成本。这种方法还允许扩展上下虚拟功能，增强可靠性。灵活性不仅体现在给网络运营商，而且体现在可以获取满足预定义服务级别协议的网络资源的第三方。可编程性还允许定制网络，增强用户感受到的体验质量。FMNC方法意味着为网络提供一个独特的管理点：统一不同网络技术的逻辑集中式控制器。通过控制FMNC数量的减少，网络运营商降低了网络管理的复杂性。如5G所设想的，密集的无线网络特别受到FMNC方法的青睐：用户移动性方案和动态无线电特性的管理负责FMNC，FMNC可以根据部署的网络切片使用专门的算法。此外，如果需要，VNF可以部署在靠近用户（即汽车网络切片）的位置，从而减少其经验的延迟。因此，可以通过修改控制器功能来实现新服务：现在可以通过实施特定于服务的增强来引入运营商最初未包含在其架构设计中的服务。也可以修改FMNC行为以满足应用程序的特定需求或更好地适应特定场景。 基站调度器的管理就是一个很好的例子：由于FMNC具有网络切片的全局视图，因此可以优化调度算法和资源分配。这个概念可以扩展到跨网络切片的资源控制。 灵活的移动网络控制器允许优化网络利用率：网络基础架构提供商可以将未使用的资源分配给要求严格的网络切片，前提是所有托管网络片段都满足服务级别协议。

FMNC的另一个可能用途是移动性管理。 如上所述，FMNC是将SDN概念扩展到移动网络中的任何种类的网络功能。 因此，直接处理通用分组无线业务隧道协议隧道的SDN方言的直接修改可以用于直接控制业务网关（S-GW）和分组数据网络网关（P-GW）实体网络。然而，同样的想法可以用于直接控制其他低水平用户流，通过实现C-RAN架构的网络功能来引导流量。也就是说，一个集中的灵活应用逻辑可以通过专用接口来控制异构网络功能。因此，按照SDN原则，FMNC具有两种接口。一种是FNC应用程序与控制器交换高水平消息，FMNC将这些高级命令通过用于实际配置它们，基于SDN / NFV的网络应用。通过FMNC，服务提供商将能够通过简单的重新编程控制器来适应他们的需求。使用FMNC，服务提供商将能够通过简单地使用定义明确的应用程序编程接口重新编程控制器来满足其需求，从而在非常简化的实施，测试和部署足迹中实现新的服务。