基于5G移動通信技術的核心網架構研究

袁文學

（廣西通信規劃設計咨詢有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引 言

21 世紀以來，網絡技術快速發展，促進移動網絡持續開發與應用進程，提升了移動網絡的服務品質，逐漸成為各大移動網絡公司業務持續發展的基礎。近年來，5G 核心網在互聯網行業內獲得了肯定與青睞。國際組織在召開相關會議時也明確提出把服務化架構（Service Based Architecture，SBA）作為5G 核心網標準基礎架構[1]。SBA 架構運作期間能夠輔助提升網絡的開放性，拓展新業務，提高資源利用率。

1 5G 移動通信技術

5G 移動通信技術是最新一代蜂窩移動通信技術，也是4G 移動通信技術的延伸，具備高速率、低時延以及大連接等特點。5G 移動通信作為移動設備之間先進的通信模式，能夠顯著改善用戶的主觀體驗，確保網絡傳輸的高速性，在很大程度上也體現出一個國家的科技實力[2]。

與4G 移動通信技術相比，5G 移動通信技術的網絡傳輸速度更快，5G 移動通信基站的峰值速率可以達到下行鏈路20 Gb/s 和上行鏈路10 Gb/s。伴隨高新技術的開發應用，5G 移動通信技術的峰值速度將會有更大的提升[3]。當前5G 移動通信網絡已經實現了廣泛覆蓋，未來需要進行更高品質的深度覆蓋。5G 移動通信技術支持物聯網應用，能夠為廣大用戶帶來良好的體驗，提高其主觀滿意度，對物聯網產品的普及起到明顯的促進作用。現實生活中，140 ms 的時延能滿足大部分群體使用網絡的需求，但這個時延在無人駕駛、工業自動化領域內的適用性很差。5G 移動通信技術的極限時延為1 ms，較好地滿足了以上領域的發展需求[4]。

2 5G 核心網架構應用中面對的主要挑戰

2.1 三大場景及其需求有差別

5G 的主要應用場景有3 個，分別是增強型移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、海量機器類通信（massive Machine Type Communication，mMTC）、超可靠低時延通信（ultra Reliable and Low Latency Communications，uRLLC）。需求場景及各自的重要技術指標如表1 所示[5]。

表1 3 大應用場景的需求與重要技術指標

5G 移動通信網絡需求呈現出多樣化特征。eMBB、mMTC、uRLLC 這3 類應用場景的需求和重要指標存在著差異，甚至在一些場景下出現矛盾，此時創建單一網絡很難發揮良好的支撐作用。5G 核心網網絡架構建設與應用過程中會遇到諸多挑戰與阻礙。

2.2 用戶平面與控制平面分離不夠徹底

移動通信由過去的通用分組無線服務（General Packet Radio Service，GPRS）發展至演進的分組核心網（Evolved Packet Core，EPC），同時相應的網絡架構完善過程中形成的新體系架構表現出較高的相似度。在某個角度上，其依然表現出控制平面與轉發平面的分離狀態，但是二者的分離不夠徹底，如EPC 架構內的移動性管理實體（Mobility Management Entity，MME）、策略計費和規則功能（Policy and Charging Rule Function，PCRF）均是純控制平面內經典的網元類型，但服務網關（Serving Gate Way，S-GW）、PDN 網關（PDN Gate Way，P-GW）等主體網元在轉發數據時依然要兼顧局部控制平面功能的發揮情況。以上這種情況是造成網絡控制平面與轉發平面不能完全分離的主要原因，進而導致處理時延增加、網絡靈敏度降低等問題[6]。

以eMBB 場景為例進行分析，eMBB 場景下不同應用場景的需求與組網形式見表2。

表2 eMBB 下不同場景的組網形式及需求

2.3 軟件與硬件之間的緊密耦合

各大運營商基于大型專屬硬件設備持續升級移動通信服務，而新業務會使運營商在硬件建設、運營、維護及升級等方面遇到挑戰。例如，當投入一項新的網絡服務時，要將和其相配套的硬件設備接入既有的通信網絡，實現軟件與硬件之間的緊密耦合，不僅會增加設備的投資成本，還會提高后期維護的復雜度。

3 5G 時代核心網架構的設計與關鍵技術

3.1 架構設計

5G 系統架構（5G System Architecture，5GS）設計的核心部分主要集中在頂層、核心網、無線網3 大方面，其中頂層和核心網被公認為是網絡核心架構的標準化項目。架構與核心網設計同屬于網絡運營管理的范疇，也是通信產業鏈建設發展過程中關注的一大焦點。5G 通信實現標準化發展及應用的目標是一個相對漫長的過程，需要處理好系統架構、程序、接口、漫游及其和既有網絡的兼容關系。設計5G 網絡架構時要遵循以下原則[7]。

（1）剛性逐漸發展成為柔性，即從前期運用網元可靠固定連接的固定網絡順利轉變成由網元部署成的動態網。

（2）移動網絡互聯網化、IP 化，融合IT 網絡，運用互聯網技術重構、優化網絡。

（3）創建集中/分布的智能處理系統，集中優化并調度各項使用功能，進而為大客戶提供垂直的定制化增值服務項目，增加單位時間內用戶的網絡吞吐量。

3.2 關鍵技術

3.2.1 SDN

軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）從本質上講是一種創新型的網絡架構，能夠有效分離網絡內的控制平面和數據平面，進而運用集中控制器內的軟件平臺通過編程形式控制底層硬件，能按需靈活調配網絡資源。和傳統網絡架構相比，SDN 技術的主要特征集中在以下2 個方面：一是徹底分離控制平面和轉發平面，且二者之間的接口符合網絡在開放性與可編程性方面提出的要求；二是控制平面運作過程中實現集中化處理。SDN 組網原理如圖1 所示。

圖1 SDN 組網原理

3.2.2 NFV

當網絡軟件與硬件設備之間出現解耦狀況時，相互之間的依賴度隨之降低，利用網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）能夠實現軟硬件資源的解耦與軟件功能的抽象。云計算與虛擬化是NFV 技術發揮作用的基礎，虛擬化技術最大的功能是將通用型平臺上的運算、存儲、網絡等硬件設施細分成多樣化的虛擬資源，實現應用和硬件之間的成功解耦。云計算能使網絡資源應用時更具彈性，精準匹配資源和業務負荷，提升網絡資源利用率，保障系統的快速響應[8]。

3.2.3 SBA

為了增強對5G 移動通信應用場景的適應性，可以嘗試基于SBA 設計5G 核心網架構。SBA 技術最大的功能是將過去具備多種功能的網元拆分成數個具備專屬功能的網元，各網元均能提供相應的微服務項目[9]。運用SBA 對網元功能進行模塊化解耦，能顯著提高組網的靈活度。5G 核心網SBA 架構如圖2 所示。

圖2 5G 核心網SBA 架構

3.2.4 網絡切片

面對廣大網絡用戶在業務流量方面提出的差異化需求，核心網內的網絡切片能有效對接無線接入網。網絡切片技術的應用原理是在同個物理網絡上成功建設出多個邏輯網絡，依次對eMBB、mMTC 與uRLLC這3 個應用場景起到良好的支撐作用。通過在同張物理網上規劃多個虛擬的專用邏輯網架構，提供端到端、按需定制項目服務，可以更好地滿足大環境下多元化的通信需求[10]。

4 結 論

綜合分析5G 移動通信3 大應用場景的需求與重要技術指標差別，明確當前5G 核心網架構面對的主要挑戰，探討5G 核心網架構建設關鍵技術。合理應用SDN 與NFV 技術有助于增強5G 核心網架構的靈活性，在SBA 技術的協助下實現網絡重構、優化，從而更好地滿足5G 移動通信網絡在不同應用場景下可靠運作的現實需求，提高其社會效益與經濟效益。