基于垂直行業的5G核心網技術研究

劉明亮，梁煜鋒

（廣州珠江數碼集團股份有限公司，廣東 廣州 510010）

0 引 言

4G改變生活，5G改變社會。5G核心網借鑒IT領域中“微服務”和服務化架構的成功經驗，通過模塊化實現了網絡功能之間的解耦。它將網元功能分解為多個可相對獨立、可被靈活調用的功能模塊。基于全新的架構設計，5G網絡具備10 Gb/s的峰值速率、低于1 ms的傳輸時延以及每平方公里百萬級別的連接能力，為自動駕駛和虛擬現實等技術的發展奠定了堅實基礎，成為經濟社會數字化轉型的重要支撐。在推進5G發展的過程中，探索和促進5G在垂直行業中的普及，已成為5G發展成功的關鍵。

作為移動通信系統的關鍵建筑，核心網經歷了4代演進。新一代5G核心網從以點到點的信令控制為主、各種業務緊密耦合、封閉的獨立硬件設備體系，逐步演變成基于微服務架構的軟件化功能形態。5G核心網靈活部署在通用IT基礎設施上，使得運營商可以對5G核心網切片分配使用，為相關垂直行業部署小型化核心網提供了可能。5G核心網的控制面和用戶面徹底分離，使得用戶面功能下沉和分布式部署，可靈活滿足增強型移動寬帶（enhance Mobile Broadband，eMBB）、海量物聯網通信（massive Machine Type Communication，mMTC）和高可靠低時延通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）3大類使用場景的行業需求。

廣州珠江數碼集團股份有限公司（以下簡稱“珠江數碼”）在深耕廣播電視有線網絡業務的同時，積極研究5G網絡技術和應用，大力推進廣電網絡無線和有線的融合發展。面對垂直行業拓展，研究云化核心網切片和小型化核心網技術，有助于滿足不同業務在時延、帶寬及連接數等方面的差異化業務需求。

1 5G核心網整體架構

中國廣電是我國第4大電信運營商。由于沒有2G、3G、4G的歷史包袱，它可直接采用SA組網方式部署5G核心網。在5G核心網絡建設初期，運營商需要考慮覆蓋用戶數量、網絡冗余備份及網絡建設成本等多種因素，其中最大的挑戰是如何進行高效的架構設計，以建設既經濟又科學的5G核心網。

中國廣電5G核心網采用“中心-邊緣”兩級數據中心的組網方式，如圖1所示。控制信令網元在同一地域集中組網，將大范圍的跨區域信令交互轉化為數據中心內部流量，優化信令處理時延［1］。在虛擬化管理平面上對網元進行集中統一管理，可以對網絡進行靈活規劃和配置，并根據業務的變化快速增加和縮減硬件資源，從而提高網絡對業務的響應速度。

將用戶轉發網元和數據存儲服務器部署在各廣電分前端機房，可實現業務錨點下沉，縮短業務響應時間，降低承載網絡負載。通過非集中式的網元部署方式，可把功能網元池化，提高網絡服務能力的可靠性。此外，通過本地業務數據卸載，可以將數據策略路由至指定區域，從而滿足行業專網場景的安全性需求。

圖1 5G核心網組網架構

2 面向垂直行業的5G核心網關鍵技術

2.1 5G云化核心網切片技術

網絡切片技術本質上是將物理網絡劃分為多個虛擬網絡，每個虛擬網絡滿足不同的服務需求，如按時延、帶寬、安全性及可靠性等來劃分，以靈活應對不同的應用場景。網絡切片技術是在通用的物理基礎設施上提供具有不同彈性能力和特性的定制化網絡，通過在性能、功能、隔離及運維等多方面進行靈活設計，使得運營商能夠根據垂直行業的需求對專用網絡進行定制化創建。5G網絡端到端的切片能力需要從無線網、傳輸網及核心網3個方面實現，其中基于虛擬化技術的服務化架構5G核心網切片是最關鍵的環節［2］。

傳統的核心網基于專用硬件，無法滿足5G網絡切片在靈活性和服務等級協議（Service Level Agreement，SLA）方面的需求。而基于虛擬化技術的服務化架構5G核心網，能將網絡功能解耦為服務化組件。每個組件之間使用輕量級開放的接口進行通信，具備敏捷性、易拓展性、靈活性及開放性的高內聚低耦合結構，可以滿足按需構建網絡切片的高可靠性和動態部署彈縮要求。

網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）是切片的先決條件。NFV從傳統網元設備中分解出軟硬件部分。通用服務器統一部署硬件，不同的網絡功能承擔軟件部分，以滿足靈活組裝的業務需求。核心網切片工作可以從資源視圖和組網視圖兩個維度來劃分隔離方案。其中，資源視圖可劃分為硬件資源層、虛擬資源層及網元功能層的隔離分配；組網視圖主要針對的是核心網數據中心內的交換機/路由器等網絡設備的隔離分配。結合行業實際需求，可以選擇網元部分獨占或完全獨占的建設模式，在安全隔離需求和成本之間做到最佳平衡，從而滿足各種行業的網絡切片分級需求，如圖2所示。

2.2 5G小型化核心網技術

圖2 核心網切片網元建設模式

針對部分特需行業（如電力、公共安全及金融等）和企業對安全的極致需求，以及物理地域（如海上油田和野外勘測營地等場地）無法連接外網的特殊性，為了更加靈活地部署5G網絡，珠江數碼研究基于容器環境和虛擬機環境極簡部署5G小型化核心網。有別于傳統核心網，5G小型化核心網僅基于容器環境部署必要的核心網控制面網絡功能（Network Function，NF），包括接入和移動管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、會話管理功能（Session Management Function，SMF）、網絡存儲庫功能（NF Repository Function，NRF）及網絡切片選擇功能（Network Slice Selection Function，NSSF）。用戶面基于虛擬機環境部署用戶面管理功能（User Plane Function，UPF）和非3GPP互通功能（Non-3GPP InterWorking Function，N3IWF）。

5G小型化核心網解決方案基于云原生平臺的平臺即服務（Platform as a Service，PaaS）架構，其核心網絡功能由部署在云上的互連微服務實現。如圖3所示，這些網絡功能可分為5G核心網的控制面和用戶面，由一些通用服務支持。5G小型化核心網基于微服務架構開發，控制面NF可以部署在通用X86架構服務器的容器環境中（即虛擬機內的容器或裸機上的容器），用戶面NF建議部署在虛擬機環境。使用虛擬化技術，通過網絡功能虛擬化基礎設 施（Network Function Virtualization Infrastructure，NFVI）承載虛擬網絡功能（Virtualization Network Function，VNF）靈活部署，旨在實現云化部署、靈活部署及高吞吐量的目標，節省核心網建設成本。

圖3 核心網虛擬化平臺

3 5G行業核心網賦能傳媒行業的分析和實踐

依靠高帶寬和低延時的技術特性，5G賦予了媒體行業在高清視頻采集、傳輸及制作方面新的技術實現方式，甚至改變了行業傳統的制作架構。珠江數碼聯合廣州廣播電視臺建立媒體應用實驗室，立足5G網絡技術特點，面向傳統媒體制播領域，打造媒體領域5G創新技術方案，實現了5G+4K關鍵技術突破，形成了5G媒體行業應用。

3.1 基于5G云化核心網切片技術實現5G+4K/8K輕量級演播室

4G時代，直播背包已經開始在各地直播中應用。但是，面對4K/8K的直播場景，它在信源編碼和信道傳輸兩個層面遇到了難題。新型5G直播背包已經基本解決4K編碼難題，但在實際使用中信道傳輸問題依然存在。由于直播區域多位于熱點區域，信號回傳缺乏保障，經常出現背包傳輸速率不達標甚至無法接入網絡的問題。

珠江數碼在云化核心網和無線側實現端到端切片技術。在無線側，通過RB資源預留技術為5G直播背包提供專網級別的網絡接入能力；在核心網側，根據廣電系統播出平臺物理隔離的安全播出要求，網元功能層采用部分獨占模式，在安全隔離性需求和成本之間做到最佳平衡。

通過5G網絡切片賦能，珠江數碼為電視臺建立了一張行業專網，使新聞直播業務能夠獨享網絡資源。5G背包實現了4K/8K超高清信號的超低延時編碼和高帶寬傳輸功能。5G網絡作為安全、高速及穩定的傳輸方式，將信號傳輸至解碼服務器并輸出給臺內系統，替代了新聞直播車采用衛星回傳的方式，如圖4所示。同時，采編系統的實時音視頻信號被及時返送，使得前方記者與后方演播廳可以進行雙向視頻溝通。目前，該方案在部分場景中可以代替傳統的轉播車方案，使媒體直播生產方式實現了跨越式升級。

3.2 基于小型化核心網實現5G+4K演播車機位靈活漫游

目前，體育賽事等大型活動多采用固定機位進行高清直播，并使用光電復合線纜回傳到演播車的導播設備。這種有線的超高清視頻回傳方案存在敷設線纜耗時長、機位受限條件多以及移動性差的缺點。為了給觀眾帶來更好的視聽和互動體驗，多維度的超高清直播必將成為未來大型活動和演唱會的視頻直播標準。與高清標準相比，超高清技術在不同維度上都有質的改進和突破，同時對網絡環境有更高的要求。在分辨率方面，超高清視頻具有4K（3 840×2 160像素）分辨率，4K格式的像素是高清像素的4倍；在色域方面，超高清視頻符合Rec.2020標準，相比高清的Rec.709標準，色彩量為后者的2倍；在量化深度方面，由8 bit升級到10 bit，圖像的明暗層次擴大3倍；幀率提高至50 f/s以上。視頻編碼后，超高清攝像機的視頻比特率達到60 Mb/s以上，需要非常高的網絡上行帶寬。因此，5G技術的商業應用成為4K超高清視頻直播的重要驅動力［3］。

為了滿足演播車靈活部署機位的場景需求，珠江數碼設計了5G+演播車的組網方案，如圖5所示。

圖4 5G背包方案

圖5 5G+演播車組網方案

該方案在演播車內搭建小型核心網，與車載宏站和接入終端組成移動專網。外場直播和制作設備可通過5G-CPE接入設備以無線方式連接至有源天線處理單元（Active Antenna Unit，AAU）。信號和數據經基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）進入5G核心網。通過核心網，信號和數據可以進入直播車內各制播系統，如解碼系統、總控制臺、制作系統及編輯系統等，從而形成整套基于5G的媒體應用體系。該組網方案也可以把數據轉發面部署在直播車，相當于把核心網用戶面UPF下沉到直播車，然后針對攝像機視頻流量進行本地轉發。視頻流無需經過核心網即可實現接入終端與直播車之間的數據交互，為新業務和新場景提供端到端質量可保證的網絡通信連接。技術方案設計基于5G專網提供隔離、專用以及質量可保證的端到端網絡，以滿足實際應用場景的需求。

4 結 語

4G網絡時代，所有通信業務在同一個通信系統中運行。如果遇到網絡擁塞，業務無法獲得足夠資源，會導致業務質量下降。5G網絡時代，得益于端到端網絡切片和NFV技術的成熟應用，通信技術在安全、可保障QoS/SLA、可靠性以及獨立運維等方面的能力得到了革命性的提升，使通信網絡從“應用適配網絡”的4G時代演進到“應用定義網絡”的5G時代。