主頁（http://www.130131.com）：清華王京：面向5G的開放系統(tǒng)架構(gòu)

一.未來發(fā)展的需求

1）從ITU的5G愿景我們解讀出來什么？

ITU在描述3G和4G的時候基本是圍繞人的需求確立了發(fā)展愿景，有了像“面包車”形狀的指標(biāo)需求，只包括移動速度和傳輸峰值速率。5G需求愿景是一個本質(zhì)的變化，呈現(xiàn)三角形的需求，除了面向人的通信需求“增強移動寬帶”外，還增加了面向物的“大規(guī)模機器通信（MMTC）”和“高可靠低時延通信（ULLC）”；而技術(shù)上則提出針對上述場景的8個指標(biāo)需求；并且分別給出了三個場景的單獨技術(shù)指標(biāo)。

2）無線傳輸技術(shù)演進依照場景優(yōu)化

無線傳輸技術(shù)在2G之前只應(yīng)對話音業(yè)務(wù)，采取的是與場景和應(yīng)用無關(guān)的“廣種薄收”策略，采用單一的傳輸技術(shù)，技術(shù)指標(biāo)設(shè)計是需要保證在小區(qū)邊緣可以有效通信。

無線傳輸技術(shù)到了3G和4G階段，為了提高頻譜效率，更好的應(yīng)對電磁環(huán)境，采用了“精耕細作”的策略；面對不同的電磁環(huán)境，采用優(yōu)化的傳輸技術(shù)，包括：針對不同的信噪比，通過AMC技術(shù)引入了16QAM、64QAM等，針對不同的多徑場景，通過多天線技術(shù)引入了智能天線和MIMO等。

到了5G以后，可能的趨勢是定制的無線傳輸技術(shù)，針對應(yīng)用場景（包括電磁環(huán)境和應(yīng)用模式）提供優(yōu)化技術(shù)，高速率、高密集、高移動、高可靠，低功耗、低速率、低延遲、大覆蓋等等。面向如此復(fù)雜多變的應(yīng)用場景，如果采用一種通用的技術(shù)實現(xiàn)優(yōu)化是不可能的，只有“量身定做”才是最優(yōu)。

3）多種類型的終端是未來5G產(chǎn)業(yè)增量的來源

4G之前的終端形態(tài)單一，因為主要是面向人的通信。人的信息交互形式來自于人類的感官；智能終端就是主要解決了人類處理最多的視覺、音頻和觸覺等的信息交互問題。盡管現(xiàn)有數(shù)十億的終端，但是呈現(xiàn)形式是單一的，只是通過數(shù)十萬種軟件應(yīng)用APPs來滿足人類的不同需求，它們給系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)帶來的挑戰(zhàn)是傳輸速率和容量問題。

5G之后的終端，特別增量來源將是數(shù)以千萬計的機器與物體。與之對應(yīng)的數(shù)十億甚至上百億的終端是由數(shù)以千萬種終端類型構(gòu)成，而每種應(yīng)用所呈現(xiàn)形式是數(shù)以千萬的特定終端類型。也就是說，一種類型的終端不會像人類需求的終端那么多了、那么有規(guī)模。給我們帶來的挑戰(zhàn)是，如何像構(gòu)建軟件APP那樣快速、低成本構(gòu)建這些終端應(yīng)用。

4）運營網(wǎng)絡(luò)演進將走向開放

從運營網(wǎng)絡(luò)上看，現(xiàn)在面臨的壓力是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運維成本的提升與運營收入之間逐漸在加大的差距，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為了減少這種差距應(yīng)該也在調(diào)整中。2G之前的系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是單一服務(wù)于電話業(yè)務(wù)，如果需要數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則需要采用電路連接；2.5G之后逐漸在系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中引入了GPRS和IMS等技術(shù)，試圖適應(yīng)部分數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，但是遠遠不夠；一方面是靈活性不夠，不能滿足各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，另一方面是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)造成的運維成本和代價高。5G之后的系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)如何面對“三角形”應(yīng)用場景帶來的各種需求，提供低成本、高質(zhì)量的服務(wù)，這是最大的挑戰(zhàn)。

應(yīng)對上面各個層面的挑戰(zhàn)，滿足各個層面的需求，可能的解決方向是“開放”。

二.開放系統(tǒng)架構(gòu)試圖解決上述挑戰(zhàn)

1）開放的概念

“開放”可以從多個角度來理解，我這里主要從信息系統(tǒng)構(gòu)成的架構(gòu)和軟件的角度來說明。架構(gòu)上分為“開放”和“封閉”。軟件上可分為“開源”和“閉源”，無線移動通信系統(tǒng)，特別是無線接入網(wǎng)部分屬于封閉和閉源這個象限。我們的開放目標(biāo)是開放架構(gòu)配上開源軟件。

2）開放架構(gòu)

構(gòu)建一個開放的無線移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵是合理劃分系統(tǒng)模塊，開放模塊間接口，靈活配置和構(gòu)建模塊。我們這里把移動通信系統(tǒng)劃分為4個域和4個層，由此生成了許多相對獨立的模塊；每個模塊可以有多種解決方案，我們可以通過選擇、組合、新建各個模塊來靈活地構(gòu)成一個完整的通信系統(tǒng)。

在這張圖中，藍色的模塊是羅列出可供我們選擇的模塊研究成果。由于是開放架構(gòu)，可以允許任何人或單位貢獻一些模塊進來，并歡迎使用這些模塊構(gòu)建系統(tǒng)。下面簡單介紹我們研究的一些模塊功能與現(xiàn)有的一些技術(shù)的對應(yīng)關(guān)系。

NaaS：網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施作為服務(wù)開放，將組網(wǎng)和運營作為服務(wù)開放。通過虛擬運營商、虛擬專網(wǎng)、垂直行業(yè)應(yīng)用等方式，降低網(wǎng)絡(luò)運維成本，提高網(wǎng)絡(luò)效率。除了技術(shù)層面的支持外，還要有好的政策支持。

HCA（Hyper Cellular Architecture—超蜂窩架構(gòu)）。將C平面和U平面的覆蓋分離，可以在統(tǒng)一的C平面下靈活構(gòu)建多種無線接入技術(shù)系統(tǒng)，并且可以根據(jù)業(yè)務(wù)量任意開啟和關(guān)閉U平面基站，用于節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能源。

覆蓋子系統(tǒng)（Coverage subsystem）。比較理想的解決方案是NGFI，采用開放的Fronthaul，通過計算資源與覆蓋資源的解耦，RRU可以靈活配置到任何一個BBU，實現(xiàn)軟件可定義的用戶數(shù)據(jù)流與天線之間的映射，可靈活實現(xiàn)分布和集中的MIMO波束賦形等。在該系統(tǒng)下，核心網(wǎng)和小區(qū)將會消失。

YaRAN開放基礎(chǔ)設(shè)施。這里提供了一個YaRAN（Yet another RAN）解決方案，它包括了覆蓋域和處理域。這是針對下一代RAN架構(gòu)，提出的一個類似于NFV的解決方案。主要是基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化技術(shù)，包括基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化和虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能等。

開放網(wǎng)絡(luò)協(xié)議-NoStack（Not Only Stack）。在具有集中控制的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，構(gòu)建基于分布式存儲數(shù)據(jù)庫構(gòu)建全局網(wǎng)絡(luò)視圖，將對話、匯報和上下文從控制狀態(tài)機中解耦，實現(xiàn)各個網(wǎng)元之間的信息同步，從而大大簡化通信協(xié)議棧流程。基本特征是擁有開放的南向接口、北向接口、全局網(wǎng)絡(luò)視圖、插件式ANOS(C Plane)和M面APP。

開放終端。多形態(tài)終端是5G或未來移動通信發(fā)展的重要特征，構(gòu)建一個開放的終端平臺，是快速、低成本生產(chǎn)新型終端的基礎(chǔ)。特別是在物聯(lián)網(wǎng)、機器通信、垂直行業(yè)應(yīng)用等方面，定制終端將成為普遍服務(wù)。

開放網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的安全問題可以通過一些實現(xiàn)方式解決；比如：移動網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部是開放的，對外通過防火墻等機制防護；加入到內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的AAP審核機制也是非常重要的，即使開放了APP，還是要通過嚴格的審核方式保證安全。開放系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)部的QoS機制也是非常重要的，但是，在設(shè)計協(xié)議棧NoSTACK機制時，充分考慮對于數(shù)據(jù)傳輸可靠性的要求，具有容錯能力。

另外，開放系統(tǒng)架構(gòu)是一個硬軟件兼有的架構(gòu)，有開放的硬件GPP、GPU和FPGA，有專用的硬件加速器，甚至可以包涵ASIC等，通過虛擬方式為上層提供計算資源和服務(wù)功能；軟件則是完成了全部的系統(tǒng)功能編排、調(diào)用和整合。

上面是我們針對未來無線移動通信發(fā)展的一些認識，有些發(fā)展趨勢已經(jīng)呈現(xiàn)，有些還需要我們繼續(xù)觀察。預(yù)測發(fā)展趨勢，趕上并引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展才是最重要的。“開放”的概念更多的是來自于信息技術(shù)領(lǐng)域，從發(fā)展趨勢看，IT向CT的滲透已成定局。“開放”已經(jīng)給信息技術(shù)領(lǐng)域帶來了飛速發(fā)展，如果運用得當(dāng)，同樣也會給無線通信領(lǐng)域帶來新的生機，帶來新的機遇，帶來新一輪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。