5G融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)分析與研究

譚文欣

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司哈爾濱軟件研究院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)成為廣大人們?nèi)罕娚钆c工作中的重要組成部分，滲透到人們生活中的方方面面。目前，移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到5G發(fā)展時(shí)代，逐步在各個(gè)行業(yè)進(jìn)行了示范應(yīng)用與推廣。相比于4G時(shí)代而言，5G技術(shù)在數(shù)據(jù)連接密度與移動(dòng)性方面有著良好的技術(shù)體驗(yàn)，總體的數(shù)據(jù)傳輸效率顯著提升，能夠?yàn)橛脩魩?lái)高品質(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸體驗(yàn)。縱覽各國(guó)5G技術(shù)的快速發(fā)展，中國(guó)處于第一層發(fā)展階段，在總體基站的部署數(shù)量、各個(gè)行業(yè)的示范應(yīng)用方面具有優(yōu)勢(shì)。隨著5G技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)能夠極大地降低通信相關(guān)成本，與各個(gè)行業(yè)進(jìn)行融合使用，有力保障各個(gè)行業(yè)的信息化與應(yīng)用水平，為民族復(fù)興提供堅(jiān)實(shí)的支撐力量[1]。

2020年，中國(guó)的發(fā)展表現(xiàn)成為全球經(jīng)濟(jì)陰霾下的一抹亮色。尤其是在信息通信產(chǎn)業(yè)中，中國(guó)已經(jīng)建設(shè)成為名副其實(shí)的5G網(wǎng)絡(luò)大國(guó)。在產(chǎn)業(yè)鏈的共同努力下，中國(guó)交出了一份沉甸甸的5G答卷，已建成全球最大的5G網(wǎng)絡(luò)。這一年我國(guó)的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，新增約5.8×105萬(wàn)個(gè)5G基站，建成共享5G基站3.3×105個(gè)，累計(jì)建成5G基站7.18×105個(gè)。中國(guó)的5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了5個(gè)“全球第一”：全球第一張且規(guī)模最大的共建共享5G網(wǎng)絡(luò)；全球第一個(gè)200 MHz大帶寬高性能5G網(wǎng)絡(luò)；全球第一張時(shí)分雙工（Time Division Duplexing，TDD）+頻分雙工（Frequency Division Duplexing，F(xiàn)DD）混合組網(wǎng)的5G網(wǎng)絡(luò)；全球第一個(gè)規(guī)模最大規(guī)模5G獨(dú)立組網(wǎng)（Standalone，SA）網(wǎng)絡(luò)；全球第一個(gè)5G SA共享網(wǎng)絡(luò)。

1 5G網(wǎng)絡(luò)及其技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.1 5G網(wǎng)絡(luò)

目前，整個(gè)移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入到第五代，簡(jiǎn)稱5G網(wǎng)絡(luò)。與前四代移動(dòng)通信技術(shù)相比，此網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要特點(diǎn)在于傳輸效率更快、功能更強(qiáng)大。整個(gè)數(shù)據(jù)信息的傳輸效率理論上每秒能夠達(dá)到近數(shù)十GB，相比于4G網(wǎng)絡(luò)的最高傳輸速度而言，其能夠達(dá)到近幾十倍的效果，因此在許多需要大數(shù)據(jù)量的處理場(chǎng)景中，總體優(yōu)勢(shì)更為明顯。

在整個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過(guò)程中，雖然國(guó)內(nèi)主要的大城市已經(jīng)完成了5G獨(dú)立組網(wǎng)，但是相比于4G通信技術(shù)，其總體普及率仍然較低，需要后期在業(yè)務(wù)推廣時(shí)結(jié)合業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行分析。在行業(yè)應(yīng)用中，需要加強(qiáng)5G網(wǎng)絡(luò)的安全性，針對(duì)不同行業(yè)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供安全保護(hù)策略，推動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用[2]。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

相比于前四代通信技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要特點(diǎn)包括時(shí)延性低、傳輸效率快以及容量大等。通過(guò)高效率的傳輸，使得日常業(yè)務(wù)場(chǎng)景需要的文件傳輸需要的時(shí)間更短，能夠有效提升工作效率。5G傳輸技術(shù)的穩(wěn)定性使得其能夠應(yīng)用到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智慧城市等多種應(yīng)用場(chǎng)景，有效保障數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃?。此外，目前網(wǎng)絡(luò)通信過(guò)程中的低頻傳輸資源越來(lái)越緊張，而5G網(wǎng)絡(luò)的核心就是高頻傳輸技術(shù)，推動(dòng)5G技術(shù)打破不同類型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的界限，以此來(lái)提升大規(guī)模設(shè)備的連接。

2 5G網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)

在整個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，給用戶提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要靠軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）等技術(shù)來(lái)進(jìn)行。核心的業(yè)務(wù)功能模塊主要包括3種，第一個(gè)是會(huì)話管理功能（Session Management Function，SMF）模塊，第二個(gè)是用戶平面功能（User Plane Function，UPF）模塊，第三個(gè)是接入和移動(dòng)性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）模塊，其中UPF業(yè)務(wù)功能屬于用戶面，主要采用傳統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)與接口，另外兩個(gè)屬于控制面，主要采用服務(wù)化的架構(gòu)方式來(lái)進(jìn)行。在用戶面與控制面中采用的接口為N4，控制面與終端、無(wú)線網(wǎng)之間采用的接口為N1與N2。

在整個(gè)5G融合架構(gòu)中，用戶面主要承載的內(nèi)容是會(huì)話管理，通過(guò)控制轉(zhuǎn)發(fā)分離架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)各類移動(dòng)性設(shè)備的管理，在同一時(shí)間通過(guò)各類用戶面中的網(wǎng)元來(lái)完成各類會(huì)話的管理。通過(guò)本地分流及遠(yuǎn)端流量的管理操作，完成相關(guān)業(yè)務(wù)管理。目前，核心的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有兩類，第一類呈現(xiàn)的方式是通過(guò)參考點(diǎn)方法進(jìn)行，第二類通過(guò)服務(wù)化架構(gòu)方法來(lái)進(jìn)行，信令的傳輸通過(guò)控制面的應(yīng)用平面接口（Application Program Interface，API）來(lái)進(jìn)行[3]。

3 5G融合網(wǎng)絡(luò)組成

3.1 網(wǎng)元與功能

5G接入網(wǎng)（Access Network，AN）有無(wú)線側(cè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和固定側(cè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。無(wú)線側(cè)，手機(jī)或者集團(tuán)客戶通過(guò)基站接入到無(wú)線接入網(wǎng)，將信號(hào)傳遞給平衡計(jì)分卡（Balanced Score Card，BSC）或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器（Radio Network Controller，RNC），然后再將信號(hào)傳遞給核心網(wǎng)，其中內(nèi)部的網(wǎng)元通過(guò)IP承載網(wǎng)來(lái)承載。固網(wǎng)側(cè)，家客和集客通過(guò)接入網(wǎng)接入，接入網(wǎng)主要是無(wú)源光接入系統(tǒng)（Gigabit-Capable PON，GPON），包括光網(wǎng)絡(luò)終端（Optical Network Terminal，ONT）、光分配網(wǎng)絡(luò)（Optical Distribution Network，ODN）以及光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）。信號(hào)從接入網(wǎng)出來(lái)后進(jìn)入城域網(wǎng)，城域網(wǎng)又可以分為接入層、匯聚層以及核心層。寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器（Broadband Remote Access Server，BRAS）為城域網(wǎng)的入口，主要作用是認(rèn)證、鑒定、計(jì)費(fèi)。信號(hào)從城域網(wǎng)走出來(lái)后到達(dá)骨干網(wǎng)，在骨干網(wǎng)處又可以分為接入層和核心層。

在整個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)之中，主要的網(wǎng)元包括AMF、網(wǎng)絡(luò)倉(cāng)儲(chǔ)功 能（Network Repository Function，NRF）、UPF、策略控制（Policy Control Function，PCF）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能（Unified Data Management，UDM）等，這些網(wǎng)元的作用不同。其中AMF網(wǎng)元的主要作用是完成安全上下文、接入與移動(dòng)等方面的管理；UPF網(wǎng)元的主要作用是對(duì)用戶面上的業(yè)務(wù)進(jìn)行處理；NRF網(wǎng)元的主要作用是網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)，發(fā)現(xiàn)、選擇與注冊(cè)管理各類網(wǎng)絡(luò)功能；PCF網(wǎng)元的主要作用是策略控制，包括會(huì)話策略與移動(dòng)性策略等方面；UDM網(wǎng)元的主要作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，以此來(lái)完成存儲(chǔ)簽約等事務(wù)的管理[4]。

3.2 網(wǎng)絡(luò)切片功能

在整個(gè)5G融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)切片是重要的應(yīng)用技術(shù)，根據(jù)不同業(yè)務(wù)處理場(chǎng)景的需要，將各類物理網(wǎng)絡(luò)分為虛擬網(wǎng)絡(luò)，以此實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)對(duì)可靠性、安全性以及移動(dòng)性等方面的需要。這些分割的虛擬網(wǎng)絡(luò)之間的物理邏輯是獨(dú)立的，此技術(shù)通過(guò)分布云架構(gòu)、云計(jì)算、SDN與NFV等進(jìn)行協(xié)同管理。

在5G網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)能夠支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）等應(yīng)用，這些場(chǎng)景對(duì)可靠、實(shí)驗(yàn)、安全、計(jì)費(fèi)方式等要求有所不同。若采用之前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，則需要完成多種物理網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)才可以滿足業(yè)務(wù)處理要求，而采用此切片技術(shù)僅需將單一的物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分割就能夠滿足應(yīng)用場(chǎng)景的處理需求，以此來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)的投資與建設(shè)復(fù)雜度。

通過(guò)此網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的應(yīng)用，使得運(yùn)營(yíng)商能夠快速了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源的利用情況。在5G的無(wú)線側(cè)基站中，網(wǎng)絡(luò)切片功能主要依靠集中單元（Centralized Unit，CU）與分布單元（Distributed Unit，DU）兩個(gè)部分實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)單元都是來(lái)源于基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）的拆分管理。通過(guò)業(yè)務(wù)單元的解耦，實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的處理由DU單元來(lái)進(jìn)行，集中承載非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)由CU來(lái)進(jìn)行處理。因此，在5G應(yīng)用的管理中，CU單元主要處理時(shí)延相關(guān)性不大的功能；而DU單元主要處理時(shí)延性強(qiáng)的業(yè)務(wù)，以此滿足不同類型5G業(yè)務(wù)場(chǎng)景的處理需要。

3.3 處理技術(shù)

在整個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)中，處理技術(shù)主要包括SDN與NFV。SDN技術(shù)能夠?qū)?shù)據(jù)與控制業(yè)務(wù)進(jìn)行分離，以此降低業(yè)務(wù)程序之間的耦合度。目前，借助通用化、商用化的交換機(jī)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)控制面的編程管理，核心云之中的網(wǎng)元與邊緣元通過(guò)SDN進(jìn)行連接處理。NFV處理技術(shù)能夠?qū)⒄麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能進(jìn)行解耦操作，使其能夠脫離硬件設(shè)備。通過(guò)NFV與SDN處理技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)生了革命性的變化，有效提升了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的靈活性，使得整個(gè)網(wǎng)元設(shè)備的商用化與通用化不再通過(guò)以往的專用設(shè)備來(lái)進(jìn)行，能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度[5]。

NFV技術(shù)具備安全性高、性價(jià)比高、敏捷以及可維護(hù)等特點(diǎn)，能夠快速完成5G網(wǎng)絡(luò)的配置與部署，以此來(lái)完成整個(gè)不同行業(yè)中的業(yè)務(wù)處理需求，適應(yīng)客戶提出的新需求。同時(shí)在NFV技術(shù)中能夠?qū)⒎阑饓εc虛擬空間管理進(jìn)行有效結(jié)合，滿足5G業(yè)務(wù)應(yīng)用的安全性要求。

4 結(jié) 論

在整個(gè)4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，其網(wǎng)絡(luò)信息主要依靠各個(gè)終端設(shè)備。但是進(jìn)入到5G發(fā)展時(shí)代，其網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的對(duì)象變得更為寬泛，在移動(dòng)終端設(shè)備的基礎(chǔ)上，添加了各類型的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。目前，總體5G的應(yīng)用場(chǎng)景主要分為3種，第一種是需要海量大連接應(yīng)用的場(chǎng)景，第二種是需要低時(shí)延、高可靠性的業(yè)務(wù)需要場(chǎng)景，第三種是需要增強(qiáng)移動(dòng)寬帶的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

5G技術(shù)相比4G技術(shù)更為復(fù)雜，在整個(gè)通信技術(shù)的延時(shí)、安全性以及用戶策略控制等方面的技術(shù)指標(biāo)要求更高，具體表現(xiàn)在時(shí)延、用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度等。5G場(chǎng)景中的用戶體驗(yàn)速率涵蓋低速到高速，滿足不同行業(yè)的業(yè)務(wù)處理需要。隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展，萬(wàn)物互聯(lián)成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，通過(guò)5G傳輸技術(shù)將行業(yè)業(yè)務(wù)與通信技術(shù)進(jìn)行深度融合處理，以此滿足不同類型的業(yè)務(wù)場(chǎng)景處理需要，提升各個(gè)行業(yè)信息化的水平。