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Network Architecture-A High Level View 5G Network Architecture-A High Level View 5G

5G 网络架构5G 网络架构顶层设计理念

2016

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Contents5G 原生云化架构 - 满足多样化商业需求的关键

5G将强化电信生态系统1.1 网络架构演进的需求

1.2 商业需求驱动5G架构变革

端到端网络切片 - 统一物理设施支撑多种垂直行业

利用云重构无线接入网络3.1 多连接技术是使能高速传输与高可靠性的关键

3.2 移动云引擎

原生云化新核心网架构4.1 用户面/控制面分离简化核心网络

4.2 灵活的组件化网络使能多业务需求

4.3 统一数据库管理

自服务敏捷运维

结论：原生云化架构是5G创新的基础

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Contents5G 原生云化架构 - 满足多样化商业需求的关键

5G将强化电信生态系统1.1 网络架构演进的需求

1.2 商业需求驱动5G架构变革


利用云重构无线接入网络3.1 多连接技术是使能高速传输与高可靠性的关键

3.2 移动云引擎

原生云化新核心网架构4.1 用户面/控制面分离简化核心网络

4.2 灵活的组件化网络使能多业务需求

4.3 统一数据库管理


结论：原生云化架构是5G创新的基础

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5G 原生云化架构 - 满足多样化商业需求的关键

为了更好的面向数字化的世界，服务数字化的社会，全球范围内的运营商都在进行

数字化转型。运营商数字化转型的目标在于为其企业客户、消费者提供 ROADS (Real-

time, On-Demand, All online, DIY, Social) 体验，这需要通过端到端协同整体架构才能

够实现，需要在各个环节都实现敏捷，自动化和智能化。运营商的网络、运营系统、业

务的全面云化是必要条件和实现手段。

ᵒ 在同一套物理基础设上基于不同的业务需求生成逻辑隔

离的独立运行的网络切片，通过基于数据中心的云化架

构支撑多种应用场景。

ᵒ 利用 CloudRAN 对无线接入网络进行重构，满足 5G

时代多技术连接以及 RAN 功能按需部署的需求。

ᵒ 通过控制面和用户面（CP/UP）分离，功能模块化以及

统一的数据库管理技术简化核心网络架构，实现网络功

能的按需配置。

ᵒ 基于应用驱动来自动的生成，维护，终止网络切片服务，

利用敏捷的网络运维降低运营商的运营成本。

“全面云化”将带来硬件资源池化、软件架构分布化、部

署自动化的系统优势。在全面云化的战略下，运营商网络将转

型为“以数据中心为中心”的架构，所有的网络功能和业务应

用都运行在云数据中心上，即原生云化（Cloud-Native）的架

构。

5G 时代将以一张物理的基础网络支撑多种不同的商业需

求，云化的端到端网络架构通过以下几个方面实现上述需求：

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5G 将强化电信生态系统

5G 时代新的通信需求对现有网络

提出了包括技术上的，商业模式上的种

种挑战，需要下一代移动网络来满足。

ITU 将 5G 时代的主要移动网络业务划

分为三类：eMBB（Enhanced Mobile

Broadband）, uRLLC(Ultra - reliable

and Low- latency Communications)

以及 mMTC（Massive Machine Type

Communications）。eMBB 聚焦对带

宽有极高需求的业务，例如高清视频，虚

拟现实 / 增强现实等等，满足人们对于数

字化生活的需求；uRLLC 聚焦对时延极

其敏感的业务，例如自动驾驶 / 辅助驾驶，

mMTCMassive Machine Type

Communications

uRLLCUltra-reliable and Low-latency

Communications

Future IMT

10Gbps

eMBBEnhanced Mobile

Broadband

3D Video, UHD Screen

Work and play in the cloud

Augmented reality

Industry automation

Mission critical

applications

Self driving car

Smart Home/Building

Smart City

ITU-R WP5D

1million/km2 1ms

远程控制等，满足人们对于数字化工业的

需求；mMTC 则覆盖对于联接密度要求

较高的场景，例如智慧城市，智能农业，

满足人们对于数字化社会的需求。

移动网络业务范畴的扩展，也将丰富

电信网络的生态环境。很多传统行业例如

汽车，医疗，能源，市政系统等等都将参

与到电信生态环境的建设中。5G 是人类

将数字化从个人娱乐为主，推向全联接社

会的奇点，是移动通信行业的机遇，也对

现有移动通信技术提出了挑战。

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A. 网络架构演进的需求

现有的移动网络架构是为语音通信以

及常规的 MBB 业务而设计，而且经历了

3GPP 各个版本的升级，网元众多，接口

复杂，其灵活性不足以支撑 5G 时代的多

业务场景。网络架构变革的驱动力如下：

·多业务，多制式，多站点形态的复杂组网

5G 网络需要能够承载 KPI 各不相同的多种不同业务，需要满足 5G，LTE，WiFi

共存的多制式接入，需要协同宏站，小站，微站不同站点形态。在架构设计中，

如何灵活的满足接入需求的差异化，是十分重要的挑战。

·多连接技术的协同

LTE 的长期演进也属于 5G 网络的一部分，同时 WiFi 作为移动网络的补充也会

长期存在，上述几种联接技术将与 5G 新空口一同接入到 5G 网络。根据用户设

备的流量需求，移动性需求等协同多联接技术，提供足够的传输吞吐量以及移动

的连续性。

·业务锚点的按需部署

5G 网络架构将基于接入站点以及三级数据中心的层次进行设计，根据不同的业务

需求，光纤资源以及网络资源的分布，RAN 的实时资源，非实时资源可以部署在

站点侧也可以部署在接入云侧，业务网关可以部署在接入云侧或者核心网侧。

·网络功能的灵活编排

不同业务对于网络功能的需求不同，eMBB 业务需要大吞吐率调度，uRLLC 需

要超低时延及超高可靠性保障，在业务上线时，网络需要能够根据业务特点，灵

活的编排网络能力，这将极大的简化网络功能，提高网络效率。

·更短的业务上线时间

丰富的业务拓展了移动网络的生态环境，但也带来了业务部署的复杂度，为了满

足新业务的快速部署需求，需要有新的网络设计，上线，运维等一整套生命周期

管理流程。

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B. 商业需求驱动 5G 架构变革

5G 的网络架构将是由业务驱动的，架构设计原则基于如何更灵活，高效的满足不

同业务对移动网络的需求。在底层物理设施的 SDN，NFV 技术支撑下，5G 网络实现了

接入网络，传输网络以及核心网络的全面云化，云化是 5G 网络架构更好的承载多种不

同业务的基础，是端到端网络切片，业务锚点的按需部署，网络功能模块化等关键特性

的使能技术。

接入网络侧由站点与移动云引擎构成，对实时性以及计算资源要求较高的 RAN 实

时资源与协同多业务，多制式，多站点形态复杂组网以及多连接技术的 RAN 非实时资

源根据业务需求，组网情况进行按需部署。核心网络侧的统一数据库包含动态的策略数

据，半静态的用户数据以及静态的网络数据，网络将根据这些数据进行相应的策略控制。

模块化的控制面及可编程的用户面使得网络功能的可编排成为可能，网络将根据业务的

不同需求选择相应的控制面 / 用户面功能。传输侧则由 SDN 控制器以及底层的转发节点

组成，SDN 控制器根据网络的拓扑以及具体的业务需求生成特定的数据转发路径。网络

能力使能面进行网络能力的抽象及分析，提供给网络进行优化或以 API 的形式开放给第

三方。在网络架构的顶层是端到端的切片管理，网络资源管理功能，基于这些功能进行

切片的自动化管理以及网络资源的自治。

Service Oriented Core (SOC)

Security Mgmt.Service Component

Service Ctrl

Composable Control Function （CP）

MMCtrl Plane Service

SM Service…

Policy Mgmt. Component…

eGTPProgrammable Data Forwarding (UP)

GW-U GW-U GW-U GW-U

Unified Database Policy Data

User Data

Enable Plane Network Service Enabler AnalyticsComplex Event Process

E2E Management Plane Slicing Management Resource Management

mMTCeMBB uRLLC

SDNController

5GRAN Real Time

WIFI

LTE

CloudRANMobile Cloud Engine (MCE)

RAN Non-Real Time

AC

Multi -RAT Access Mgmt. GW - U Application

cRRC cRRM

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端到端的网络切片是 5G 网络支撑多业务的基础，也是 5G 网络架构演进的关键技术。

得益于虚拟化技术以及 SDN 技术，未来的网络架构的底层物理设施将是站点加三层数据

中心的组网模式。站点将包含 5G，LTE，WiFi 等不同的接入制式以及宏站，小站及微

站等不同的接入形态，承载 RAN 的实时功能，由于对这部分功能对于计算能力以及实

时性要求较高，因此需要由专用硬件来承载。三层云化的数据中心由计算及存储资源组成，

最靠近基站侧的是中心机房数据中心，第二层为城域数据中心，最高层为大区数据中心，

每层数据中心之间由传输网络连接。

根据不同的业务需求，网络在统一的底层物理设施基础上通过虚拟化生成相应的网

络拓扑以及网络功能，为每一个特定业务类型生成的一系列网络功能的组合即为一个网

络切片，每一个网络切片在物理上是源自统一的网络基础设施上，这样大大降低了运营

商运营多个不同业务类型的建网成本；而在逻辑上又是隔离的，逻辑的独立性满足了每

一类业务功能定制，独立运维的需求。

eMBB Slicing

RAN-RT

MCE

RAN-NRTCache

AC CP UP

5G

WIFI

LTE

uRLLC Slicing

RAN-RTRAN-NRT

CP5G

LTE

mMTC Slicing

RAN-RT

MCE

RAN-NRTCPIOT Server UP

5G

WIFI

LTE

RAN-NRTCache

MCE

CP

Switch

Physical Infrastructure

Switch

RAN Central Office DC Local DC Regional DC

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以上图为例，eMBB, uRLLC 以及 mMTC

三个独立的切片承载于同一套底层物理设施之

上。在 eMBB 切片中，对带宽有很高的要求，

可以在城域机房的移动云引擎中部署缓存服务

器 Cache，使业务更贴近用户，降低骨干网的

带宽需求并提高用户体验。在 uRLLC 切片中，

自动驾驶 / 辅助驾驶，远程控制等场景对网络有

着极为苛刻的时延要求，因此需要将 RAN 的实

时处理及非实时处理功能单元部署在更靠近用

户的站点侧，并在 CO 机房的移动云引擎中部

利用云重构无线接入网络

在向 RAN2020 的演进过程中，在接入网侧引入 CloudRAN 架构，构建实时功能

与非实时资源的灵活部署，功能模块化，协同弹性化，RAN 切片化的能力。CloudRAN

可以通过移动云引擎 MCE(Mobile Cloud Engine) 将实时功能（RAN Real time）与非

实时功能（RAN Non-Real Time）根据不同的业务需求以及网络的传输资源配置进行

灵活的编排，实现 RAN 的系统性云化。

署相应的服务器（V2X Server）及业务网关，城域及区域数据中心中只部署控制面相关

的功能。在 mMTC 切片中，对于大多数 MTC 场景，网络中交互的数据量较小，信令交

互的频率也较低，因此可以将移动云引擎部署在城域数据中心，将其他功能以及应用服

务器部署在区域数据中心，释放 CO 机房的资源，降低运营商开销。

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RAN Real Time 功能主要包含接入网络的调度、链路适配、功率控制、干扰协同、

重传、调制编码等。这部分处理对于定时、处理实时性要求高，计算量大，当前硬件加

速器处理的规格和能效远高于通用处理器，因此仍需要采用专用硬件实现，并部署在靠

近业务的站点中。而 RAN Non- Real Time 功能主要包括小区间切换、小区选择与重选、

用户面加密、多连接汇聚等处理，这部分功能的实时要求低，时延可以宽松至数十毫秒，

适合进行集中化部署，并可以采用通用处理器进行处理，可以根据具体业务要求部署在

MCE 中或站点中。

MCE 的引入，将使能基于大区域的时间、频段、空间及协同各种处理能力的多维

度复杂管理。使 CloudRAN 能够支持 4G，4.5G，5G，WIFI 等多种不同制式，及宏站，

小站，微站等多种不同站点形态的协同与调度。云化的网络功能可以按需部署到无线汇

聚点、骨干汇聚点，甚至核心汇聚点等不同的节点上，实现网络的最大效率和最大能力。

RAN-Non Real Time

Mobile Cloud EngineCache

GW

RAN-Real Time RAN-Real Time

RAN-Real Time

Marco (5G&LTE)

IP IP IPIP

Small Cell

RRU RRU AAU

Cloud BB

WiFi AP

……

AC

Common Network Architecture across Different Technologies & Layers

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A. 多连接技术是使能高速传输与高可靠性的关键

多技术连接将成为新架构下的原

生能力，CloudRAN 的多连接能力在

统一架构下的无缝部署，是无线接入网

部署能力的巨大飞跃。在当前网络碎片

化，频谱、末端部署场景多样化的条件

下，提升速率并降低时延，最终增强用

户体验。高速率数据的可靠提供，不能

仅仅依赖一个频段一个制式的连接。

在网络异构的条件下下，基于 LTE 和

5G 的网络能力，充分利用高频的高带

宽和速率，低频的覆盖和可靠移动性，

以及可获取的 WiFi 资源，通过多连接

（Multi- Connectivity）技术给用户以

最佳的覆盖和网络速率。在某些需要大

带宽或者高连续性的场景下，一个用户

需要同时并发多个连接，例如同时接入

5G，LTE，WiFi 以获得多个数据流聚

合带来的高带宽；或者用户在接入 5G

高频小站的场景中，需要通过同时接

入 LTE 来保持移动中的连续性。

在多技术连接场景中，以

CloudRAN 为数据连接的锚点将会大

大降低传输迂回。在传统架构中，如

果以 BTS 作为数据流的连接锚点，

即 LTE，5G，WiFi 的数据都先汇聚

到其中一种连接制式的非实时处理功

能模块中，再分别流向各接入点。在

CloudRAN 架构中，根据场景的需求

可以将不同制式接入点的非实时功能

集中到 MCE 中，即以 MCE 作为锚点，

数据流直接通过 MCE 传输至各接入

点，避免了传输迂回，可以减少 15%

的传输投资以及 10ms 的时延。

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Mobile Cloud Engine（MCE）是 CloudRAN 的集中控制管理逻辑实体，包含了

RAN 的非实时功能，WiFi 的 AC，以及下移的 GW，与业务相关的应用分发实体（APP）

和 Cache。RAN 的非实时功能部分包含通用的控制面（cRRC），便于多连接和新技

术的快速引入；集中资源管理模块（cRRM），高效协同异构网下的资源；云化的集中

SON 功能（cSON）对网络容量，覆盖，和传输资源基于大区级优化，并实施切片的管理。

B. 移动云引擎

MCE 可以运行在专用平台和 COTS 通用平台上，承载于

Cloud OS 和 COTS 的云基础设施之上，具备电信级容灾能力，

具备原生云架构的按需部署（On-Demand Deployment），

灵活扩容（Scale-in and Scale-Out），特性独立升级

（Independent Feature Upgrade）等特点。

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原生云化新核心网架构

现有网络中网关集成了用户面以及控制面的部分功能，在 5G 时代，众多对时延要

求较高的业务需要网关下移到城域甚至是中心机房，也就是网关节点数量 20-30 倍的增

加，如果保持现有的网关架构，则必然会由于网关业务配置的复杂性，显著增加运营商

网络的 CAPEX 和 OPEX。同时如果控制面订阅了位置、RAT 信息的时间上报，则会

产生较多信令在站点、分布式网关、网络控制面功能之间迂回。数量众多的分布式网关，

会对集中化的控制面网元带来明显的接口链路负担和切换更新信令负荷。

A. 用户面 / 控制面分离简化核心网络

因此需要对网关的控制面及用户面进行分离，通过剥离网关复杂的控制逻辑，将控

制逻辑功能集成到融合的控制面。不仅可以有效降低分布式部署带来成本压力，也同时

化解信令路由迂回和接口负担问题。此外，控制面 / 用户面分离还能够支持转发面和控

制面独立伸缩，进一步提升了网络架构的弹性和灵活性，方便控制逻辑集中，更加容易

定制网络分片，服务多样化行业应用；控制转发演进解耦，避免控制面的演进带来转发

面频繁升级。控制面 / 用户面分离首先要做到功能轻量化，剥离复杂控制逻辑功能并集

中到模块化的控制面中；其次要对保留的核心基本转发面功能进行建模，定义出通用转

发面模型和对象化的接口，以实现转发面可编程，支持良好的扩展性。

控制面与用户面分离后，两者之间的接口可以采用 GTP 增强型协议，控制面基于

用户接入类型、签约信息等，决策出针对用户的业务对象和原子动作的编排内容，经

GTP 增强接口发送给转发面，转发面基于业务特性向控制面发送事件通知等消息。

TREE

SOC-CP

SOC-UP

SOC-UP

SOC-UP

SOC-UP …

MESH

GW-U GW-U GW-U GW-U …

MME PCRF AAA DHCP …

GW-C GW-C GW-C GW-C …

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B. 灵活的组件化网络使能多业务需求

在 5G 时代，移动网络将会承载多种不同的业务，

eMBB, uRLLC 以及 mMTC 中每一种主要场景对于网络的

控制功能要求都不相同，在现有的逻辑控制功能紧耦合的移动网

络中，无法做到为某一种特定的业务类型定制控制功能组合，因此

所有不同的业务将共用同一套逻辑控制功能，众多控制功能间的紧

耦合性以及复杂接口给业务的上线，网络的运维带来了极大的困难。

灵活，可定制的组件化控制功能将是下一代移动网络的必要特性。

在面向业务的 5G 网络架构中，可以将逻辑控制功能抽象成为

独立的网络功能组件，这些独立的网络功能组件可以根据业务需求

灵活的组合。网络功能组件和其他组件在逻辑功能上解耦，并且

网络功能支持中立化接口，可以通过相同的接口消息向其它网

络功能调用者提供服务，将多个耦合接口转变为单一接口从

而减少了接口数量。网络功能管理框架提供网络功能的注

册，发现，监控等管理功能，其相互独立的特性确保了

在新增或升级网络功能的过程中现有的网络服务不受

影响。

相比现有的紧耦合网络控制功能，组件化

的控制面架构通过网络功能的灵活编排及

即插即用大大简化了新业务的拓展及

上线，为 5G 网络端到端切片

的使能奠定了架构基础。

Composed CP Service

ExternalInterfaceFunction

MM Service

SM Service

Services(LCS…)

CP Service Controller

CP Component Service

DataService

Service-Oriented Control Function

User Data Mgmt.

SecurityMgmt.

Bearer Mgmt.

Policy Mgmt.

Compt.(…)

Service Mgmt. Framework

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C. 统一数据库管理

为了能够满足功能虚拟化后的网络可

靠性需求，需要实现跨数据中心的用户数

据，策略数据等网络数据状态信息的快速

故障恢复。传统的基于 N+1 备份的容灾

机制依靠私有的信令交互实现状态信息的

同步，这导致了系统的复杂和低效，也不

利于异厂家间产品的交互。

CP Nodes

CP Nodes

User Data

Policy data

Big DataAnalytics

IP network

CP NodesData Center Data Center

Micro-DC

Subscriber/policy DataContext/network Data

DB

DB DB

DB

在数据信息和控制逻辑分离的基础上，网络状态信息可以集中在统一的数据库中，

任何网络功能都可以通过标准接口与元数据模型进行访问，并将相关的动态用户数据信

息保存至本地。同时得益于分布式数据库的同步技术，网络状态信息能够实现跨数据中

心的实时备份。在服务管理框架的支持下，统一的数据库简化了组件化控制面功能获取

网络信息的流程，减少了同步数据所需要的信令开销。

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网络架构演进的重要目标和驱动力之一是为了能够通过移动网络更好的承

载多种不同的业务类型，而端到端的网络切片则是实现这一目标的基础使能技

术，在 5G 时代，同一张网络中将会同时存在若干个逻辑隔离的网络切片，每

一个网络切片都将拥有特定的拓扑结构，网络功能以及资源分配模型，如果向

当前的网络一样采用人工配置的方式对网络进行设计，部署，对运营商的运维

系统将带来极大的挑战。

5G 网络将提供自服务的敏捷运营能力，能够根据业务需求自动的生成，

维护，终止网络切片服务，降低运营商的运营成本。第三方垂直行业可以在运

营商的运营平台输入对移动网络切片的需求，运营商根据网络当前状态分析客

户的需求是否可以满足。

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Voice uMTC Slice mMTC Slice

Physical Infrastructure

eMBB Slice

Service Order

Network Slice Deployment NG EMS(NE Data Configure) NFVO（Virtual Resource Deploy）

SONAC

Service Request

Blueprint

Network Request

Function & Feature

MobilitySession

Access……

ChargingQOS

Slice 3

UP

CPCDNDRAN

CRAN APP Slice 2

UP

CPCDNDRAN

CRAN APP

Slice 1 UP

CPCDNDRAN

CRAN APP

CO LDC RDC

NFVO OSS SOC CRAN

Local DC Region DC

Central Office DC

RAN Switch

为生成网络切片，在 Service Order 流程完成后，运营商将不同的业务需求映射

为对网络的需求，并选择组件化的网络功能。再根据业务特性以及数据中心的部署情况

确定逻辑网络功能部署节点，并定义其连接关系，即软件定义逻辑拓扑（SDT）。网络

切片的拓扑定义完成后，端到端的协议亦可被定义，即实现软件定义协议（SDP）。

同时根据业务要求，对逻辑拓扑中的逻辑连接分配网络资源，即实现软件定义的资

源分配 (SDRA)。 SDT, SDP 以及 SDRA 是 Service Oriented Network Auto

Creation(SONAC) 的三个关键功能。

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结论：原生云化架构是 5G 创新的基础

现有网络中，运营商逐渐采用

SDN，NFV 技术实现了 ICT 网络设备

硬件的虚拟化，但在软件架构、运营模

式上，还是沿袭了传统方式。5G 网络

需要在虚拟化的积累和成果上，进行进

一步的革新，应用云化的理念，实现真

正意义的网络功能定制化，网络部署按

需化以及网络运维自动化。

构建以数据中心为基础的统一物理

网络，将硬件资源池化，包括部分接入

网络设备以及核心网络设备，从而实现

资源的最大共享，改变传统的一个应用

一个硬件的“烟囱”架构。并在统一的

物理网络基础上通过端到端的切片技术

为不同的业务提供逻辑隔离的虚拟专用

切片网络，使运营商能够大大降低支撑

专有业务的网络建设复杂度。

以 Mobile Cloud Engine 为核心构

建云化的接入网络 CloudRAN，通过多

技术连接汇聚不同制式，不同频段，不

同站点形态的接入能力，最大化网络效

率；通过网络功能的灵活部署实现基于

业务特点的定制化网络。使运营商能够

从容迎接未来的多样性和不确定性挑战。

基于 CU 分离，组件化控制面，可

编程用户面以及统一数据库的 5G 核心

网，能够简化信令交互，使能网关的分

布式与下移，并针对应用特点组合相应

的网络功能，支撑运营商构建灵活可定

制的网络切片。

面向服务的网络自创建（SONAC）

功能通过软件定义拓扑，软件定义协议

以及软件定义资源分配实现 5G 网络的

全自动化，即所有的业务部署、资源调

度以及故障处理均基于网络数据的分析

自动进行。

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