基于垂直行業(yè)的5G核心網(wǎng)技術(shù)研究

劉明亮，梁煜鋒

（廣州珠江數(shù)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(wǎng)借鑒IT領(lǐng)域中“微服務(wù)”和服務(wù)化架構(gòu)的成功經(jīng)驗，通過模塊化實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)功能之間的解耦。它將網(wǎng)元功能分解為多個可相對獨立、可被靈活調(diào)用的功能模塊。基于全新的架構(gòu)設(shè)計，5G網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)實等技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)，成為經(jīng)濟社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要支撐。在推進5G發(fā)展的過程中，探索和促進5G在垂直行業(yè)中的普及，已成為5G發(fā)展成功的關(guān)鍵。

作為移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵建筑，核心網(wǎng)經(jīng)歷了4代演進。新一代5G核心網(wǎng)從以點到點的信令控制為主、各種業(yè)務(wù)緊密耦合、封閉的獨立硬件設(shè)備體系，逐步演變成基于微服務(wù)架構(gòu)的軟件化功能形態(tài)。5G核心網(wǎng)靈活部署在通用IT基礎(chǔ)設(shè)施上，使得運營商可以對5G核心網(wǎng)切片分配使用，為相關(guān)垂直行業(yè)部署小型化核心網(wǎng)提供了可能。5G核心網(wǎng)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(lián)網(wǎng)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(yè)需求。

廣州珠江數(shù)碼集團股份有限公司（以下簡稱“珠江數(shù)碼”）在深耕廣播電視有線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的同時，積極研究5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用，大力推進廣電網(wǎng)絡(luò)無線和有線的融合發(fā)展。面對垂直行業(yè)拓展，研究云化核心網(wǎng)切片和小型化核心網(wǎng)技術(shù)，有助于滿足不同業(yè)務(wù)在時延、帶寬及連接數(shù)等方面的差異化業(yè)務(wù)需求。

1 5G核心網(wǎng)整體架構(gòu)

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(wǎng)方式部署5G核心網(wǎng)。在5G核心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，運營商需要考慮覆蓋用戶數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)冗余備份及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本等多種因素，其中最大的挑戰(zhàn)是如何進行高效的架構(gòu)設(shè)計，以建設(shè)既經(jīng)濟又科學(xué)的5G核心網(wǎng)。

中國廣電5G核心網(wǎng)采用“中心-邊緣”兩級數(shù)據(jù)中心的組網(wǎng)方式，如圖1所示。控制信令網(wǎng)元在同一地域集中組網(wǎng)，將大范圍的跨區(qū)域信令交互轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)中心內(nèi)部流量，優(yōu)化信令處理時延［1］。在虛擬化管理平面上對網(wǎng)元進行集中統(tǒng)一管理，可以對網(wǎng)絡(luò)進行靈活規(guī)劃和配置，并根據(jù)業(yè)務(wù)的變化快速增加和縮減硬件資源，從而提高網(wǎng)絡(luò)對業(yè)務(wù)的響應(yīng)速度。

將用戶轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元和數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器部署在各廣電分前端機房，可實現(xiàn)業(yè)務(wù)錨點下沉，縮短業(yè)務(wù)響應(yīng)時間，降低承載網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。通過非集中式的網(wǎng)元部署方式，可把功能網(wǎng)元池化，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的可靠性。此外，通過本地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)卸載，可以將數(shù)據(jù)策略路由至指定區(qū)域，從而滿足行業(yè)專網(wǎng)場景的安全性需求。

圖1 5G核心網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)

2 面向垂直行業(yè)的5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 5G云化核心網(wǎng)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)本質(zhì)上是將物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個虛擬網(wǎng)絡(luò)，每個虛擬網(wǎng)絡(luò)滿足不同的服務(wù)需求，如按時延、帶寬、安全性及可靠性等來劃分，以靈活應(yīng)對不同的應(yīng)用場景。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是在通用的物理基礎(chǔ)設(shè)施上提供具有不同彈性能力和特性的定制化網(wǎng)絡(luò)，通過在性能、功能、隔離及運維等多方面進行靈活設(shè)計，使得運營商能夠根據(jù)垂直行業(yè)的需求對專用網(wǎng)絡(luò)進行定制化創(chuàng)建。5G網(wǎng)絡(luò)端到端的切片能力需要從無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)及核心網(wǎng)3個方面實現(xiàn)，其中基于虛擬化技術(shù)的服務(wù)化架構(gòu)5G核心網(wǎng)切片是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)［2］。

傳統(tǒng)的核心網(wǎng)基于專用硬件，無法滿足5G網(wǎng)絡(luò)切片在靈活性和服務(wù)等級協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）方面的需求。而基于虛擬化技術(shù)的服務(wù)化架構(gòu)5G核心網(wǎng)，能將網(wǎng)絡(luò)功能解耦為服務(wù)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(nèi)聚低耦合結(jié)構(gòu)，可以滿足按需構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片的高可靠性和動態(tài)部署彈縮要求。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）是切片的先決條件。NFV從傳統(tǒng)網(wǎng)元設(shè)備中分解出軟硬件部分。通用服務(wù)器統(tǒng)一部署硬件，不同的網(wǎng)絡(luò)功能承擔(dān)軟件部分，以滿足靈活組裝的業(yè)務(wù)需求。核心網(wǎng)切片工作可以從資源視圖和組網(wǎng)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(wǎng)元功能層的隔離分配；組網(wǎng)視圖主要針對的是核心網(wǎng)數(shù)據(jù)中心內(nèi)的交換機/路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的隔離分配。結(jié)合行業(yè)實際需求，可以選擇網(wǎng)元部分獨占或完全獨占的建設(shè)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(yè)的網(wǎng)絡(luò)切片分級需求，如圖2所示。

2.2 5G小型化核心網(wǎng)技術(shù)

圖2 核心網(wǎng)切片網(wǎng)元建設(shè)模式

針對部分特需行業(yè)（如電力、公共安全及金融等）和企業(yè)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(wǎng)的特殊性，為了更加靈活地部署5G網(wǎng)絡(luò)，珠江數(shù)碼研究基于容器環(huán)境和虛擬機環(huán)境極簡部署5G小型化核心網(wǎng)。有別于傳統(tǒng)核心網(wǎng)，5G小型化核心網(wǎng)僅基于容器環(huán)境部署必要的核心網(wǎng)控制面網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)存儲庫功能（NF Repository Function，NRF）及網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能（Network Slice Selection Function，NSSF）。用戶面基于虛擬機環(huán)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(wǎng)解決方案基于云原生平臺的平臺即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS）架構(gòu)，其核心網(wǎng)絡(luò)功能由部署在云上的互連微服務(wù)實現(xiàn)。如圖3所示，這些網(wǎng)絡(luò)功能可分為5G核心網(wǎng)的控制面和用戶面，由一些通用服務(wù)支持。5G小型化核心網(wǎng)基于微服務(wù)架構(gòu)開發(fā)，控制面NF可以部署在通用X86架構(gòu)服務(wù)器的容器環(huán)境中（即虛擬機內(nèi)的容器或裸機上的容器），用戶面NF建議部署在虛擬機環(huán)境。使用虛擬化技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè) 施（Network Function Virtualization Infrastructure，NFVI）承載虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（Virtualization Network Function，VNF）靈活部署，旨在實現(xiàn)云化部署、靈活部署及高吞吐量的目標(biāo)，節(jié)省核心網(wǎng)建設(shè)成本。

圖3 核心網(wǎng)虛擬化平臺

3 5G行業(yè)核心網(wǎng)賦能傳媒行業(yè)的分析和實踐

依靠高帶寬和低延時的技術(shù)特性，5G賦予了媒體行業(yè)在高清視頻采集、傳輸及制作方面新的技術(shù)實現(xiàn)方式，甚至改變了行業(yè)傳統(tǒng)的制作架構(gòu)。珠江數(shù)碼聯(lián)合廣州廣播電視臺建立媒體應(yīng)用實驗室，立足5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點，面向傳統(tǒng)媒體制播領(lǐng)域，打造媒體領(lǐng)域5G創(chuàng)新技術(shù)方案，實現(xiàn)了5G+4K關(guān)鍵技術(shù)突破，形成了5G媒體行業(yè)應(yīng)用。

3.1 基于5G云化核心網(wǎng)切片技術(shù)實現(xiàn)5G+4K/8K輕量級演播室

4G時代，直播背包已經(jīng)開始在各地直播中應(yīng)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(jīng)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(qū)域多位于熱點區(qū)域，信號回傳缺乏保障，經(jīng)常出現(xiàn)背包傳輸速率不達標(biāo)甚至無法接入網(wǎng)絡(luò)的問題。

珠江數(shù)碼在云化核心網(wǎng)和無線側(cè)實現(xiàn)端到端切片技術(shù)。在無線側(cè)，通過RB資源預(yù)留技術(shù)為5G直播背包提供專網(wǎng)級別的網(wǎng)絡(luò)接入能力；在核心網(wǎng)側(cè)，根據(jù)廣電系統(tǒng)播出平臺物理隔離的安全播出要求，網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)切片賦能，珠江數(shù)碼為電視臺建立了一張行業(yè)專網(wǎng)，使新聞直播業(yè)務(wù)能夠獨享網(wǎng)絡(luò)資源。5G背包實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)作為安全、高速及穩(wěn)定的傳輸方式，將信號傳輸至解碼服務(wù)器并輸出給臺內(nèi)系統(tǒng)，替代了新聞直播車采用衛(wèi)星回傳的方式，如圖4所示。同時，采編系統(tǒng)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?zhèn)鹘y(tǒng)的轉(zhuǎn)播車方案，使媒體直播生產(chǎn)方式實現(xiàn)了跨越式升級。

3.2 基于小型化核心網(wǎng)實現(xiàn)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(fù)合線纜回傳到演播車的導(dǎo)播設(shè)備。這種有線的超高清視頻回傳方案存在敷設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。與高清標(biāo)準(zhǔn)相比，超高清技術(shù)在不同維度上都有質(zhì)的改進和突破，同時對網(wǎng)絡(luò)環(huán)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(biāo)準(zhǔn)，相比高清的Rec.709標(biāo)準(zhǔn)，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(wǎng)絡(luò)上行帶寬。因此，5G技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用成為4K超高清視頻直播的重要驅(qū)動力［3］。

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

圖4 5G背包方案

圖5 5G+演播車組網(wǎng)方案

該方案在演播車內(nèi)搭建小型核心網(wǎng)，與車載宏站和接入終端組成移動專網(wǎng)。外場直播和制作設(shè)備可通過5G-CPE接入設(shè)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(shù)據(jù)經(jīng)基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）進入5G核心網(wǎng)。通過核心網(wǎng)，信號和數(shù)據(jù)可以進入直播車內(nèi)各制播系統(tǒng)，如解碼系統(tǒng)、總控制臺、制作系統(tǒng)及編輯系統(tǒng)等，從而形成整套基于5G的媒體應(yīng)用體系。該組網(wǎng)方案也可以把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面部署在直播車，相當(dāng)于把核心網(wǎng)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(zhuǎn)發(fā)。視頻流無需經(jīng)過核心網(wǎng)即可實現(xiàn)接入終端與直播車之間的數(shù)據(jù)交互，為新業(yè)務(wù)和新場景提供端到端質(zhì)量可保證的網(wǎng)絡(luò)通信連接。技術(shù)方案設(shè)計基于5G專網(wǎng)提供隔離、專用以及質(zhì)量可保證的端到端網(wǎng)絡(luò)，以滿足實際應(yīng)用場景的需求。

4 結(jié) 語

4G網(wǎng)絡(luò)時代，所有通信業(yè)務(wù)在同一個通信系統(tǒng)中運行。如果遇到網(wǎng)絡(luò)擁塞，業(yè)務(wù)無法獲得足夠資源，會導(dǎo)致業(yè)務(wù)質(zhì)量下降。5G網(wǎng)絡(luò)時代，得益于端到端網(wǎng)絡(luò)切片和NFV技術(shù)的成熟應(yīng)用，通信技術(shù)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(wǎng)絡(luò)從“應(yīng)用適配網(wǎng)絡(luò)”的4G時代演進到“應(yīng)用定義網(wǎng)絡(luò)”的5G時代。