趙明，清華大學信息技術研究院無線與移動通信技術研究中心副主任、研究員。

王京，清華大學信息科學與技術國家實驗室副主任，清華大學信息技術研究院無線與移動通信技術研究中心主任，微波與數(shù)字通信國家重點實驗室副主任兼無線傳輸與個人通信研究室主任等。

田志剛，清華大學信息技術研究院無線與移動通信技術研究中心助理研究員。

提出一種開放網(wǎng)絡研究框架，及其開放網(wǎng)絡架構(gòu)解決方案。

認為5G 的3 種業(yè)務場景向3類關鍵技術指標的靈活映射需求，決定了基于公共資源池的網(wǎng)絡切片化是必然之選，網(wǎng)絡架構(gòu)的開放性是保障敏捷切片所必須的，網(wǎng)絡和技術指標的演進也決定了傳統(tǒng)垂直封閉網(wǎng)絡架構(gòu)不可持續(xù)。

在該開放研究框架中，各層、各域均給出了相應的技術模塊，傳統(tǒng)垂直封閉網(wǎng)絡協(xié)議架構(gòu)也分別進行了解耦和集中化重構(gòu)。該方案嘗試性地滿足性能、效率和業(yè)務需求，并與開源協(xié)作開發(fā)模式結(jié)合。

開放架構(gòu)；軟件定義網(wǎng)絡（SDN）；網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）；超密集組網(wǎng)（UDN）；開源

人類社會的網(wǎng)絡化和虛擬化浪潮已經(jīng)形成，這個進程的一個標志就是從2010 年開始移動通信終端數(shù)量超過了地球人口數(shù)量，而且有預測認為2020 年全球?qū)⒂?60 億移動通信連接設備。未來遠超人口總數(shù)的連接設備，這正是5G 移動通信技術發(fā)展的背景。ITU-R WP5D 第22 次會議上，已經(jīng)正式將5G 命名為IMT-2020，并發(fā)布了IMT-2020 愿景以及時間表。ITU 列舉了若干未來非常有潛力的業(yè)務，包括3D 視頻、超高清屏幕、云計算、虛擬現(xiàn)實等，并將這些業(yè)務歸納進3 個主要的應用場景：增強型移動寬帶、大規(guī)模機器通信和高可靠低時延通信。

面對豐富的業(yè)務場景需求，一方面我們認為不可能有一張網(wǎng)同時滿足所有需求，另一方面移動通信網(wǎng)絡作為整個國民經(jīng)濟的基礎設施，又必須是公共統(tǒng)一的。由此可以預期，對5G 移動通信系統(tǒng)的最大的需求將是其定制能力、演進能力和服務國民經(jīng)濟各行各業(yè)的能力；5G 移動通信技術，尤其是網(wǎng)絡架構(gòu)，也將與以往迥然不同。

近年來，IT 行業(yè)的發(fā)展可以給我們一些指引，即采用開放網(wǎng)絡架構(gòu)，包括基礎設施虛擬化、網(wǎng)絡處理平臺化和面向應用與業(yè)務的端到端網(wǎng)絡切片構(gòu)建。

文章中我們從技術角度分析5G采用開放網(wǎng)絡架構(gòu)的必然性，并給出一種開放網(wǎng)絡架構(gòu)解決方案。

與傳統(tǒng)移動通信網(wǎng)絡相比，5G 網(wǎng)絡面對的需求是全面而多元的，面臨很多技術挑戰(zhàn)，下面我們將詳細分析這些技術挑戰(zhàn)所導致的開放網(wǎng)絡架構(gòu)的技術必然性。

1.1 需求與指標的靈活映射以及網(wǎng)絡切片

5G 以前用“ 車”模型（VAN）來表達移動通信系統(tǒng)（包括IMT-2000 和IMT-Advanced）的性能指標需求，而此次ITU 通過雷達圖的方式全面體現(xiàn)了5G（IMT-2020）的技術指標需求。ITU 定義了8 個技術指標需求維度，包括峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、移動性、時延、連接密度、網(wǎng)絡能量效率和流量密度，并將3 個應用場景與8 個技術指標做了映射，如圖1 所示。對比以往的技術指標需求可以發(fā)現(xiàn)，IMT-2020 中明確提出了連接密度、網(wǎng)絡能量效率和流量密度等指標。

圖1  IMT-2020網(wǎng)絡關鍵技術指標

將ITU 的8 個技術指標分為3 類：

（1）蜂窩組網(wǎng)性能。

峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、移動性以及隱含的覆蓋保障是評價蜂窩組網(wǎng)性能的關鍵指標，與人的（話音或數(shù)據(jù)）通信需求比較貼近。

值得注意的是，空口頻譜資源的利用效率、空口網(wǎng)絡流程的有效性也屬于蜂窩組網(wǎng)性能的考量因素。

比如，eMBB 中即時通信（IM）類業(yè)務，甚至大部分OTT業(yè)務，都會有大量的狀態(tài)探測短包傳輸，這對于隨機接入和終端休眠機制有很大挑戰(zhàn)，因為傳統(tǒng)機制對這類消息的傳輸效率很低。

比如，進入5G 時代后，由于eMBB 業(yè)務流量的爆發(fā)式增長，導致空口蜂窩密度的增加，稱為超密集組網(wǎng)（UDN），這需要大量小區(qū)間協(xié)作以改善覆蓋性能和降低干擾，而傳統(tǒng)機制對于小區(qū)間協(xié)作所需的用戶面和控制面覆蓋方面效率都很低。

（2）網(wǎng)絡成本與效率。

網(wǎng)絡能量效率以及可支撐連接密度用來考量網(wǎng)絡的有效性，主要是為提供一定服務所需的成本，或以一定網(wǎng)絡基礎設施來支撐相應服務的效率，包含網(wǎng)絡的能量效率和控制管理效率等。

UDN 組網(wǎng)中，我們除了關注蜂窩組網(wǎng)效率外，還需要特別關注這種組網(wǎng)形態(tài)對應的網(wǎng)絡成本與效率。控制面（C）與用戶面（U）的覆蓋需求差異越來越大，以至于3GPP在高級長期演進（LTE-A）中標準化了一種C/U 覆蓋分離的異構(gòu)組網(wǎng)（HetNet）形態(tài)，超蜂窩網(wǎng)絡架構(gòu)也有大量相關研究。

因應這種無線組網(wǎng)的變化，接入網(wǎng)也分別用宏蜂窩基站與微蜂窩小站來負責C/U 面的覆蓋。在業(yè)務和人流潮汐效應下，量小站有時是空閑的，需要網(wǎng)絡及時控制其關閉和打開，以提高網(wǎng)絡的能量效率。

（3）端到端業(yè)務體驗質(zhì)量（QoE）保障。

時延和移動性是當前自動駕駛等URLLC 類業(yè)務提出的特殊需求，mMTC 類業(yè)務的終端低功耗低成本、網(wǎng)絡超強覆蓋也屬于其特殊的QoE需求。每個業(yè)務都有其業(yè)務模型，都有需要特別關注的指標和流程，最終體現(xiàn)為用戶或行業(yè)能直觀感受的獨特QoE。

3 種業(yè)務場景對這3 類技術指標的需求程度不同，甚至是矛盾的：

（1）一般eMBB 類業(yè)務。這類業(yè)務對蜂窩組網(wǎng)性能、網(wǎng)絡成本與效率這兩類技術指標有較強需求，由于蜂窩移動通信系統(tǒng)的性能指標是按照人類的通信需求設計的，所以一般來說并無特殊的QoE 需要保障。

（2）一般mMTC 和URLLC 類業(yè)務。這類業(yè)務對網(wǎng)絡成本與效率、業(yè)務QoE 保障這兩類技術指標有較強需求。對于mMTC，網(wǎng)絡防擁塞的需求屬于網(wǎng)絡成本與效率類技術指標，超強覆蓋以及設計特別機制保障終端超低成本、低功耗屬于業(yè)務特殊QoE 保障需求。對于URLLC，低時延屬于特殊QoE 保障需求，為此需要網(wǎng)絡架構(gòu)在很多節(jié)點提供業(yè)務卸載機制，以降低網(wǎng)絡處理帶來的時延，避免大量業(yè)務橫穿網(wǎng)絡影響其效率。

（3）虛擬現(xiàn)實（VR）& 現(xiàn)實增強（AR）、無人機、機器人等業(yè)務。這類業(yè)務兼具eMBB 與URLLC 的部分特點，對性能與QoE 保障這兩類指標有較強需求，但對網(wǎng)絡成本與效率的影響則并不突出。

基于以上討論可以看出，不同的業(yè)務場景不可能同時要求滿足3 類技術指標。為支撐這種靈活映射，避免不同業(yè)務場景之間矛盾的技術指標需求，一種解決辦法是：基于公共資源池，為不同業(yè)務與場景構(gòu)建不同網(wǎng)絡切片。切片之間有較好的隔離性，并可以很容易提供、遷移和編排管理。

本質(zhì)上這種切片化構(gòu)建方法需要一種開放網(wǎng)絡架構(gòu)，可以敏捷重構(gòu)，彈性擴展，并可持續(xù)演進。

1.2 移動通信網(wǎng)絡架構(gòu)面臨的技術挑戰(zhàn)

從2G 到4G 的網(wǎng)絡架構(gòu)和流程基本是穩(wěn)定的上，我們將其概括為“ 蜂窩模型”和“管道模型”。

（1）蜂窩模型在空口通過小區(qū)為單位對空口資源進行劃分和管理。在5G 以前，小區(qū)之間重疊覆蓋區(qū)域（如圖2 中的陰影部分）可通過網(wǎng)絡優(yōu)化而盡量減少，小區(qū)間協(xié)作較少，基站協(xié)議棧主要考慮空口承載的管理，彼此較為獨立，具有“垂直封閉”的特點。

圖2  蜂窩模型與管道模型

（2）管道模型基本遵從開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）的7 層協(xié)議參考模型，及經(jīng)過B-ISDN/ATM充實后的管理/C/U 面模型。移動通信網(wǎng)絡分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，由一些具有獨特功能的網(wǎng)元為主體，由點到點鏈路最終構(gòu)成端到端連接，為終端與Internet提供具有移動性的業(yè)務連接，這些網(wǎng)元的協(xié)議棧較為獨立，具有垂直封閉的特點。

蜂窩模型的特點如下：

地理上，通過基站對覆蓋進行劃分，并以小區(qū)為單位對頻譜資源進行復用；

小區(qū)內(nèi)，主要以雙工和多址等正交方式對空口資源（時間、頻率、空間和功率）進行劃分；

小區(qū)間，以功控和切換來管理干擾；

移動性和承載上，通過接入、切換、漫游和尋呼等手段保障連接在小區(qū)間的移動性，承載基本由一個小區(qū)負責，并隨著切換在小區(qū)間傳遞。

管道模型的特點如下：

接入網(wǎng)的基站和核心網(wǎng)的網(wǎng)關，都是具有獨立功能的網(wǎng)元，維護某段點到點承載，進而形成端到端連接，相互之間的依賴比較少；

每個網(wǎng)元的協(xié)議棧中不同協(xié)議層各有分工，自下而上提供服務，逐級封裝；

向業(yè)務提供若干種質(zhì)量等級的傳輸通道，以同一種網(wǎng)絡制式服務較長時間內(nèi)的業(yè)務。

面對5G 的新需求，傳統(tǒng)穩(wěn)定的蜂窩模型和管道模型都將面臨挑戰(zhàn)。從蜂窩模型來看，UDN 場景下，C/U 面覆蓋特性并不相同，C 面需要高可靠，U 面需要高性能，此時C/U 面覆蓋解耦對于各自的頻譜效率來說都是最合適的。在mMTC 海量連接場景下，小區(qū)內(nèi)空口資源正交式管理也變得效率低下，至少需要在隨機接入和多址機制設計上打破以往封閉的連接管理模式。

從管道模型方面來說，上述新的無線組網(wǎng)形態(tài)需要打破以基站為基本單元對空口資源進行管理，和以功能劃分網(wǎng)元的接入網(wǎng)架構(gòu)，使得追求效率的用戶面以及追求靈活性和可定制化的控制/管理面解耦；解耦后的相應處理可與不同類型基礎設施匹配，可由不同技術特征的平臺加以支持，也可支持為不同的上層業(yè)務與運營邏輯構(gòu)建單獨的切片。

此外，垂直封閉網(wǎng)元和協(xié)議棧不利于基于卸載的邊緣計算等業(yè)務部署模式，其逐段承載管理方式對于mMTC 存在效率低下的問題，自底向上逐層封裝無法滿足按照業(yè)務QoE 靈活重構(gòu)網(wǎng)絡的需求，所以需要打破垂直封閉網(wǎng)元的界限，將需要提高效率的環(huán)節(jié)解耦出來集中處理。

所以說，即使只從3 類技術指標中任意單項的滿足方面考慮，傳統(tǒng)蜂窩模型與管道模型也必須改變垂直封閉的特征，變遷到開放網(wǎng)絡架構(gòu)。

1.3 開放網(wǎng)絡架構(gòu)特點

針對上述兩部分對于開放網(wǎng)絡架構(gòu)技術必然性的分析，我們給出一種解決方案，比較形化的描述為：將圖2 中蜂窩模型以及管道模型中的垂直封閉網(wǎng)元“放倒”，形成如圖3 所示的架構(gòu)。

圖3  將垂直封閉網(wǎng)元與協(xié)議“放倒”的網(wǎng)絡架構(gòu)

所謂“放倒”的學術化描述為：

（1）改變自底向上逐級封裝的管道模型，將U 面的協(xié)議層平坦化，既可靈活重構(gòu)，又方便與上層業(yè)務的緊密結(jié)合；

（2）將垂直封閉網(wǎng)元的C 面處理，以“虛擬化”的方式形成邏輯集中的控制器，解決其不容易協(xié)調(diào)而效率底下的問題；

（3）將垂直封閉網(wǎng)元的M 面開放，通過控制器的北向接口營造開放的管理與業(yè)務面，解決“ 公共基礎設施與定制業(yè)務需求”之間的矛盾；

（4）將網(wǎng)絡協(xié)議棧的“數(shù)據(jù)部分”（D），以分布式實時數(shù)據(jù)庫的方式集中為全局網(wǎng)絡視圖（GNV），使得控制器處理幾乎與狀態(tài)無關，方便定制和重構(gòu)，增強網(wǎng)元之間溝通效率。

上述思路，可以解決5G 的性能、成本與效率以及QoE 保障這3 種需求之間的矛盾，滿足無線網(wǎng)絡架構(gòu)的演進需求。

針對傳統(tǒng)蜂窩模型以及管道模型，以放倒的方式對U、C、M 與D 加以解耦或虛擬化集中，這種解決方案稱為非棧式網(wǎng)絡架構(gòu)NoStack。這種架構(gòu)是整個5G 開放網(wǎng)絡架構(gòu)的核心部分，但還需要一個全面框架。

2.1 開放5G 網(wǎng)絡研究框架

我們首先給出包含多層多域的5G 開放網(wǎng)絡框架，如圖4 所示。縱向分為4 個域：終端域、空口域、覆蓋域和處理域；橫向分為3 層：基礎設施虛擬化層、網(wǎng)絡層、運營/業(yè)務層，每個層與域的交叉點，都存在一個研究模塊。

圖4  開放5G 網(wǎng)絡研究框架

將覆蓋域從接入域分出來是因為未來5G 的天線與基帶處理單元不再一一對應，即前傳網(wǎng)不再是簡單的一對一連接，而是存在復雜的組網(wǎng)映射關系。設立基礎設施虛擬化層，是因為未來的5G 網(wǎng)絡基礎設施需要盡可能利用商用現(xiàn)成設備，比如通用服務器和交換機等，所以也需要虛擬化層屏蔽基礎設施的具體細節(jié)。

開放網(wǎng)絡架構(gòu)中的網(wǎng)絡協(xié)議層主要有3 個模塊：NoStack、覆蓋子系統(tǒng)和超蜂窩網(wǎng)絡HCA。

其中HCA是對此前所說蜂窩模型的突破，而NoStack 與覆蓋子系統(tǒng)則是對傳統(tǒng)管道模型的顛覆。HCA與NoStack/覆蓋子系統(tǒng)是鏡像關系，HCA 所描述的新無線組網(wǎng)蜂窩模型有賴于NoStack 覆蓋子系統(tǒng)在接入網(wǎng)去實現(xiàn)。在上述框架中，還包括基礎設施虛擬化模塊YaRAN、終端域的虛擬化架構(gòu)YaRAN4UE 以及網(wǎng)絡協(xié)議架構(gòu)NoStack4UE。YaRAN 是一種適用于5G 的網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）解決方案，其使命是為5G 開放網(wǎng)絡協(xié)議架構(gòu)營造合適的運行時環(huán)境，包括高效的用戶面處理環(huán)境，靈活可重構(gòu)的控制面狀態(tài)機環(huán)境，以及向業(yè)務開放和可敏捷定制的管理和業(yè)務面環(huán)境。按照NFV 的理念，開放網(wǎng)絡協(xié)議架構(gòu)例化的虛擬網(wǎng)絡功能（VNF）模塊，需要被YaRAN 所調(diào)度并投射在適當?shù)幕A設施資源上。終端側(cè)的YaRAN4UE 和NoStack4UE 是接入網(wǎng)側(cè)YaRAN 以及NoStack 覆蓋子系統(tǒng)的對偶模塊。網(wǎng)絡即服務模塊主要是針對業(yè)務與行業(yè)的定制化服務，并且依賴于開放網(wǎng)絡協(xié)議架構(gòu)的支持。

2.2 一種開放5G 網(wǎng)絡架構(gòu)解決方案

基于開放網(wǎng)絡研究框架，我們給出一種5G 開放網(wǎng)絡協(xié)議架構(gòu)的較詳細設計，如圖5 所示。開放網(wǎng)絡協(xié)議架構(gòu)層，包括前述的放倒接入網(wǎng)架構(gòu)NoStack、覆蓋子系統(tǒng)和HCA。

圖5  以NoStack為核心的5G 開放網(wǎng)絡協(xié)議架構(gòu)

HCA 的特點如下：

（1）打破獨立封閉小區(qū)的垂直封閉協(xié)議棧，構(gòu)建多天線協(xié)作控制架構(gòu)，以此來實現(xiàn)跨小區(qū)的空口資源管理；形成橫跨多個小區(qū)的魯棒控制覆蓋，對所覆蓋區(qū)域內(nèi)的空口資源進行統(tǒng)一管理。

（2）區(qū)別與以往的小區(qū)內(nèi)靠雙工和多址、小區(qū)間靠頻率復用、功控和切換的模式，小區(qū)業(yè)務覆蓋淡化傳統(tǒng)以時間和頻率為主的正交多址模式，主要是采用空間復用類非正交多址模式。

（3）蜂窩模型的工作流程發(fā)生較大變化，不再是終端主動與某個基站進行同步，接收廣播信息，然后進行隨機接入，而是由網(wǎng)絡采用新型檢測算法，從空口多天線信號中感知終端的存在及其定時，如圖5 中的用戶感知覆蓋。這樣做的好處是：對mMTC類業(yè)務的海量連接和高連接密度，可以提高管理效率。

（4）3 種覆蓋相解耦，通過不同的組合，可以為不同業(yè)務場景需求有針對性的定制其空口制式。

覆蓋子系統(tǒng)的作用是兩重的：

（1）一端以天線為提供覆蓋服務的主體，并不從屬于某個小區(qū)，將小區(qū)級業(yè)務/控制流和用戶級業(yè)務流向空口資源映射，包括時間和頻率的劃分，空間的預編碼和功率的分配。覆蓋子系統(tǒng)主要關注用戶面，其控制放在NoStack 的控制器中進行，上述劃分、分配和配置都由控制器主導，天線只需要被動接受。

（2）另一端以小區(qū)控制流或用戶業(yè)務流為輸入，滿足其對空口資源的請求，業(yè)務流之間也不需要協(xié)調(diào)，業(yè)務流在天線上只是線性疊加；當天線覆蓋能力不足時，比如功率受限，由控制器確定分配方式。

通過上述設計，天線與小區(qū)控制流和用戶業(yè)務流是解耦的，沒有任何兩個流的覆蓋必須采用相同的天線集，滿足HCA 的靈活天線協(xié)作、面向用戶的覆蓋形成和空口無線組網(wǎng)體制可定制等需求，滿足NoStack 的以業(yè)務流為單位的處理體系，提高對海量連接的承載管理效率等。

對于NoStack 來說，主要需要突破傳統(tǒng)的管道模型的垂直封閉網(wǎng)絡協(xié)議架構(gòu)：

（1）淡化用戶面協(xié)議層之間的耦合關系，制造“平坦化”的靈活處理的模式。

（2）將C 面處理從U 面解耦出來，提高U 面的處理效率。

（3）解耦出來的C 面，以邏輯集中的方式設計為控制器，減少傳統(tǒng)架構(gòu)中獨立網(wǎng)元間復雜的信令流程，提高管理效率。

（4）將U 面的緩存、C 面的會話、向M 面的報告，以及相應的半靜態(tài)上下文，解耦出來存放在全局網(wǎng)絡視圖中，并且降低C 面的狀態(tài)相關處理，提高其可重構(gòu)能力，以及向業(yè)務的開放程度。

（5）控制器通過北向接口向M 面提供高級控制服務，既提供面向業(yè)務的定制能力，又可以屏蔽底層處理的細節(jié)。

在開放網(wǎng)絡研究框架中，開放網(wǎng)絡架構(gòu)的核心問題就是開放網(wǎng)絡協(xié)議模型，我們分別對3 個模塊進行了闡述，探討了這種設計在性能、效率和定制化方面的優(yōu)勢。

電信行業(yè)采用開放網(wǎng)絡架構(gòu)有其行業(yè)生態(tài)與運營經(jīng)濟發(fā)展的必然性，主要是移動互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的OTT 服務提供商的異軍突起，以及由此帶給電信行業(yè)的收入增速日益平坦與業(yè)務成本快速增加之間的剪刀差效應：行業(yè)源頭的運營商遭遇了互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的價值碾壓，其提供的服務無法獲得滿意的利潤分配，隨之轉(zhuǎn)移給行業(yè)下游的收入就更少。雖然收入增長不快，迫于Wi-Fi 等替代連接方案的競爭，行業(yè)卻必須承擔OTT 類業(yè)務大幅增長帶來的成本壓力，行業(yè)長時間積累的供給能力也在經(jīng)歷痛苦的消化。在這種狀況下，有必要嘗試開放與開源的組織模式，打破傳統(tǒng)的價值分配模型，向其他行業(yè)滲透開放以挖掘價值，行業(yè)內(nèi)部通過開源協(xié)作減少競爭成本。

移動通信行業(yè)正在經(jīng)歷廣泛的分化整合，與上下游行業(yè)的關系也發(fā)生了深刻變化。行業(yè)生態(tài)中屬于基礎設施的部分，日益整合集中；與上下游重合的部分，正日益脫離并滲入各行各業(yè)。近年來影響巨大的NFV也屬于這種趨勢，基礎設施必須進一步標準化和公共化，從而有利于上層業(yè)務的開發(fā)，這就必須“開放”和“開源”。開放是基礎設施的必備屬性，否則無以快速構(gòu)建上層生態(tài)；開源是行業(yè)博弈導致的一種減少無效競爭的快速整合手段，通過開源協(xié)作形成周邊生態(tài)是這種先進競爭手段的特征。在變革期，原先的科研、標準化和產(chǎn)品研發(fā)次序已經(jīng)不明顯，可以先從科研開始，為標準化和商用產(chǎn)品研發(fā)探索一條開放和開源的新道路。

文章中，我們嘗試從技術層面推導開放網(wǎng)絡架構(gòu)的必要性，給出一種研究框架及開放網(wǎng)絡架構(gòu)解決方案，并初步探討了開源協(xié)作研發(fā)模式對于電信行業(yè)所能提供的益處；但對于開放網(wǎng)絡架構(gòu)的探討還需要細致的學理性分析，對于開源協(xié)作研發(fā)模式也需要在實踐中進一步摸索。