清华王京：面向5G的开放系统架构

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一.未来发展的需求

1）从ITU的5G愿景我们解读出来什么？

ITU在描述3G和4G的时候基本是围绕人的需求确立了发展愿景，有了像“面包车”形状的指标需求，只包括移动速度和传输峰值速率。5G需求愿景是一个本质的变化，呈现三角形的需求，除了面向人的通信需求“增强移动宽带”外，还增加了面向物的“大规模机器通信（MMTC）”和“高可靠低时延通信（ULLC）”；而技术上则提出针对上述场景的8个指标需求；并且分别给出了三个场景的单独技术指标。

2）无线传输技术演进依照场景优化

无线传输技术在2G之前只应对话音业务，采取的是与场景和应用无关的“广种薄收”策略，采用单一的传输技术，技术指标设计是需要保证在小区边缘可以有效通信。

无线传输技术到了3G和4G阶段，为了提高频谱效率，更好的应对电磁环境，采用了“精耕细作”的策略；面对不同的电磁环境，采用优化的传输技术，包括：针对不同的信噪比，通过AMC技术引入了16QAM、64QAM等，针对不同的多径场景，通过多天线技术引入了智能天线和MIMO等。

到了5G以后，可能的趋势是定制的无线传输技术，针对应用场景（包括电磁环境和应用模式）提供优化技术，高速率、高密集、高移动、高可靠，低功耗、低速率、低延迟、大覆盖等等。面向如此复杂多变的应用场景，如果采用一种通用的技术实现优化是不可能的，只有“量身定做”才是最优。

3）多种类型的终端是未来5G产业增量的来源

4G之前的终端形态单一，因为主要是面向人的通信。人的信息交互形式来自于人类的感官；智能终端就是主要解决了人类处理最多的视觉、音频和触觉等的信息交互问题。尽管现有数十亿的终端，但是呈现形式是单一的，只是通过数十万种软件应用APPs来满足人类的不同需求，它们给系统和网络带来的挑战是传输速率和容量问题。

5G之后的终端，特别增量来源将是数以千万计的机器与物体。与之对应的数十亿甚至上百亿的终端是由数以千万种终端类型构成，而每种应用所呈现形式是数以千万的特定终端类型。也就是说，一种类型的终端不会像人类需求的终端那么多了、那么有规模。给我们带来的挑战是，如何像构建软件APP那样快速、低成本构建这些终端应用。

4）运营网络演进将走向开放

从运营网络上看，现在面临的压力是网络建设和运维成本的提升与运营收入之间逐渐在加大的差距，网络架构为了减少这种差距应该也在调整中。2G之前的系统与网络架构是单一服务于电话业务，如果需要数据业务则需要采用电路连接；2.5G之后逐渐在系统和网络中引入了GPRS和IMS等技术，试图适应部分数据业务的需求，但是远远不够；一方面是灵活性不够，不能满足各种数据业务需求，另一方面是网络架构造成的运维成本和代价高。5G之后的系统与网络如何面对“三角形”应用场景带来的各种需求，提供低成本、高质量的服务，这是最大的挑战。

应对上面各个层面的挑战，满足各个层面的需求，可能的解决方向是“开放”。

二.开放系统架构试图解决上述挑战

1）开放的概念

“开放”可以从多个角度来理解，我这里主要从信息系统构成的架构和软件的角度来说明。架构上分为“开放”和“封闭”。软件上可分为“开源”和“闭源”，无线移动通信系统，特别是无线接入网部分属于封闭和闭源这个象限。我们的开放目标是开放架构配上开源软件。

2）开放架构

构建一个开放的无线移动通信系统的关键是合理划分系统模块，开放模块间接口，灵活配置和构建模块。我们这里把移动通信系统划分为4个域和4个层，由此生成了许多相对独立的模块；每个模块可以有多种解决方案，我们可以通过选择、组合、新建各个模块来灵活地构成一个完整的通信系统。

在这张图中，蓝色的模块是罗列出可供我们选择的模块研究成果。由于是开放架构，可以允许任何人或单位贡献一些模块进来，并欢迎使用这些模块构建系统。下面简单介绍我们研究的一些模块功能与现有的一些技术的对应关系。

NaaS：网络基础设施作为服务开放，将组网和运营作为服务开放。通过虚拟运营商、虚拟专网、垂直行业应用等方式，降低网络运维成本，提高网络效率。除了技术层面的支持外，还要有好的政策支持。

HCA（Hyper Cellular Architecture—超蜂窝架构）。将C平面和U平面的覆盖分离，可以在统一的C平面下灵活构建多种无线接入技术系统，并且可以根据业务量任意开启和关闭U平面基站，用于节约网络能源。

覆盖子系统（Coverage subsystem）。比较理想的解决方案是NGFI，采用开放的Fronthaul，通过计算资源与覆盖资源的解耦，RRU可以灵活配置到任何一个BBU，实现软件可定义的用户数据流与天线之间的映射，可灵活实现分布和集中的MIMO波束赋形等。在该系统下，核心网和小区将会消失。

YaRAN开放基础设施。这里提供了一个YaRAN（Yet another RAN）解决方案，它包括了覆盖域和处理域。这是针对下一代RAN架构，提出的一个类似于NFV的解决方案。主要是基础设施虚拟化技术，包括基础设施设备、基础设施虚拟化和虚拟化网络功能等。

开放网络协议-NoStack（Not Only Stack）。在具有集中控制的网络架构下，构建基于分布式存储数据库构建全局网络视图，将对话、汇报和上下文从控制状态机中解耦，实现各个网元之间的信息同步，从而大大简化通信协议栈流程。基本特征是拥有开放的南向接口、北向接口、全局网络视图、插件式ANOS(C Plane)和M面APP。

开放终端。多形态终端是5G或未来移动通信发展的重要特征，构建一个开放的终端平台，是快速、低成本生产新型终端的基础。特别是在物联网、机器通信、垂直行业应用等方面，定制终端将成为普遍服务。

开放网络架构的安全问题可以通过一些实现方式解决；比如：移动网络内部是开放的，对外通过防火墙等机制防护；加入到内部网络的AAP审核机制也是非常重要的，即使开放了APP，还是要通过严格的审核方式保证安全。开放系统架构内部的QoS机制也是非常重要的，但是，在设计协议栈NoSTACK机制时，充分考虑对于数据传输可靠性的要求，具有容错能力。

另外，开放系统架构是一个硬软件兼有的架构，有开放的硬件GPP、GPU和FPGA，有专用的硬件加速器，甚至可以包涵ASIC等，通过虚拟方式为上层提供计算资源和服务功能；软件则是完成了全部的系统功能编排、调用和整合。

上面是我们针对未来无线移动通信发展的一些认识，有些发展趋势已经呈现，有些还需要我们继续观察。预测发展趋势，赶上并引领产业发展才是最重要的。“开放”的概念更多的是来自于信息技术领域，从发展趋势看，IT向CT的渗透已成定局。“开放”已经给信息技术领域带来了飞速发展，如果运用得当，同样也会给无线通信领域带来新的生机，带来新的机遇，带来新一轮产业的发展。