5G網絡通信技術及核心網架構研究

朱文雄

（廣東南方電信規劃咨詢設計院有限公司，廣東 深圳 518038）

0 引 言

互聯網時代的發展迅速，5G 通信技術在我國多個行業領域中應用的深度和廣度不斷加深，應用范圍也逐漸擴大，推動了我國網絡科技領域的技術更新和發展。為進一步保障5G 通信技術的應用質量，需要全面建立和完善移動互聯網絡，其中核心網結構始終占據重要地位，在技術標準和框架構建等方面需保持更高水平，文章針對5G 網絡通信技術及核心網架構進行專題研究和分析具有重要意義。

1 5G 網絡通信技術概述及主要發展背景

1.1 5G 網絡通信技術

當前，我國的5G 網絡通信技術仍處于發展和研究階段，與2G、3G、4G 等多種類型網絡技術相比，5G網絡通信技術的信息傳播速度更快、通信效率水平更高、網絡通信傳播、覆蓋區域更廣泛。但是，應用5G 網絡通信技術進行信息傳播和溝通，需要損耗更多資源和能源，為保障5G全覆蓋，需要投入更多建設資金和成本。多入多出技術（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）和波束聚合技術是5G 網絡通信技術的運行基礎。

當前，世界上將近20 個國家已經獲得了5G 移動通信商用牌照。從5G 通信技術的應用方面看，該技術的傳輸波為毫米波，且體現為連續性頻譜，雖然運行穩定性和通信質量水平高，但是技術衍射和繞射能力相對較弱，因此很多專業研究人員將5G 網絡通信技術和波束聚合技術緊密聯系，以實現5G 技術覆蓋范圍的擴大和信號覆蓋廣度的加深，全面推進5G網絡通信技術的全方位發展和進步[1]。

1.2 5G 網絡通信技術的發展背景

近年來，5G 技術成為了我國通信領域和學術領域廣泛關注并討論的熱點話題之一。不論是商業應用還是家庭應用，4G 網絡通信技術的運行越發穩定，但是該技術逐漸與社會發展和通信需求之間出現了不匹配情況，對此5G 以其更高水平的網絡通信技術，成為了眾多研究人員的工作重點研究對象。當前，時代社會飛速發展，移動網絡設備的應用越發普遍，移動數據的通信需求也大幅度增加。為了保障現有通信系統的平穩高效運轉，需要積極應用更高水平的移動通信技術，提升信號覆蓋率，加速通信網絡架構的建設。5G 網絡通信技術大幅度提高了通信效率，與全面增長的網絡通信容量更加匹配，避免網絡能耗增加，導致通信工程企業無力負擔。與此同時，當網絡通信流量大幅度增長，其原有頻譜也會發生必要的變化，因此為保障通信網絡的穩定性，可以應用5G 網絡通信技術優化網絡使用流程，改善用戶體驗效果。

2 5G 網絡通信技術主要類型

2.1 超密集異構結構

隨著現代互聯網及物聯網的飛速發展，移動通信和網絡通信數據流量大幅度提升，不僅需要增加頻譜帶寬和頻譜利用率，更應該擴增無線系統容量。如果直接以傳統類型小區分裂形式減小小區半徑，實現加密部署和空間復用度提升，那么其整體效率相對較低，且在一定程度上無法真正實現小區分裂，對此可以直接應用超密集組網形式設置熱點區域，部署低功率小基站。此類超密集組網和超密集異構結構，更加符合5G 網絡通信技術的應用特點。超密集異構結構發揮了低功率密度節點優勢價值，既保障了5G 網絡的覆蓋率，又提高了無線技術的傳輸水平，實現了更加個性化且多功能的服務類型。構建超密度異構體結構網絡，能夠大幅度打破以往4G 網絡通信技術應用過程中的局限性，大幅度縮短了通信終端與通信節點之間的距離，全面提高通信質量水平[2]。

2.2 MIMO 技術

將MIMO 技術應用于移動通信領域可以有效提升系統容量，拓展系統和移動信號覆蓋范圍。MIMO技術如圖1 所示，可以實現多個天線的接收及發送信號，并且針對不同空間方位和傳輸路徑的信號能夠進行區分，在不占用帶寬的前提下可以有效提升系統容量和信噪比水平。但是值得注意的是，MIMO 技術復雜程度高，如果信號接收或發送過程中出現問題，則很容易導致實際應用和通信效果受到影響，對此如何開發與應用MIMO 技術成為了5G 網絡通信技術領域的核心要點之一。

圖1 MIMO 技術

2.3 全雙工無線通信技術

全雙工無線通信技術區別于單工通信技術，二者主要差距在于信號傳輸方向，雙工無線通信技術中信號可以實現雙向傳輸。當前，我國5G 網絡通信技術研究領域中將全雙工通信技術作為研究熱點之一，該技術在理論層面中能夠提升頻譜利用效率，同時可以進一步緩解信息技術應用過程中出現的頻譜資源短缺問題。例如，以往傳統無線通信網絡中應用的半雙工通信技術，其自身通信渠道容量相對較小，此類缺陷難以有效解決，而應用全雙工通信技術再加上其自干擾消除技術，可以有效提升網絡通信信號的接收效率和信息傳輸水平。

2.4 毫米波頻段通信技術

當前5G頻段主要可以分為SUB-6 GHz和毫米波，前者多頻段相對于擁擠且不同電子設備容易造成相互之間的干擾，而后者頻段信號帶寬更強、信道容量更大、通信效率更高，同時能夠提供遠超全球定位系統（Global Positioning System，GPS）精度的定位服務。毫米波頻段通信技術在應用過程中也存在諸多缺陷，例如毫米波的露損和雨衰，毫米波信號在空間范圍內的傳播頻率與衰減成正比，甚至其衰減效果更高。因此，如何提高毫米波信號傳輸效率是5G 網絡通信技術中的重大挑戰之一[3]。

3 5G 網絡通信技術核心網架構分析

3.1 核心網架構設計原則

為了進一步適應5G 網絡通信技術在各行業領域和不同使用功能需求基礎上的全方位拓展，需要打破以往4G 時代中網絡設備和核心網架構方面的固化問題，重新搭建5G 網絡通信技術的核心網架構，提高網絡資源傳播效率。因此，開展核心網架構設計需要遵從適應性、高效性、拓展性以及簡化性4 大原則。

適應性原則需要不斷提升5G 網絡通信技術在不同通信場合和不同應用區間中的應用效果，可以結合軟件系統實現去中心化，以適應不同通信場合的特點。高效性原則需要發揮5G 網絡通信技術和核心網絡結構的綜合優勢，提高資源利用效率，避免發生高額信令費用數據傳輸時延等多方面問題。拓展性原則可以將5G 網絡通信技術核心網結構引入軟件中，進行功能拓展，確保能夠提供更全面靈活和高效便捷的服務類型，既滿足了5G 網絡升級需要，也更好地滿足了功能應用需求。簡化性原則搭建5G 網絡通信技術的核心網構架需要實現去中心化結構，對此能夠將已有網絡系統功能進行簡單化分解，避免造成網絡系統功能冗余、處理難度大等多方面問題[4]。

3.2 核心網架構關鍵技術

當前我國5G 網絡通信技術的網絡體系主要涵蓋了服務架構等多種類型，其中服務架構模式是最為常見且應用效率最高的架構模式，需要在原有互聯網技術（Internet Technology，IT）服務架構的基礎上，結合5G 網絡通信技術的應用特點進行重新構建。服務化架構模式如圖2 所示，此類服務化架構模式需要對不同信號連接端口和網絡功能重新定義，以輕量級接口協議為架構基礎，充分考慮不同行業領域在實際工作過程中應用5G 網絡通信技術的特點和需求。構建5G 核心網架構模式時，如果直接應用傳統類型的思維方法，則難以適應多元化、多樣化的核心網需求，因此基于服務化架構，全面優化5G 網絡通信技術的核心網架構。

圖2 服務化架構模式

在原有網絡功能的基礎上，增加鑒權服務器功能，支持第三代合作伙伴計劃（Third Generation Partnership Project，3GPP）接入和不信任的非3GPP接入認證，增加接入和移動性管理功能，實現對接入網的有效規劃和控制管理。會話管理功能主要對標用戶面功能，是外部分組數據單元，可以成為SGW-U和PGW-U 功能的集合化。以往的4G 網絡通信技術核心網需要應用安全控制設備，并結合擴容設備擴大網絡業務覆蓋范圍，但5G 網絡通信技術的覆蓋面和應用效率大幅度提升，因此可以直接應用用戶平面開展架構控制，實現控制與轉發之間的分離。網絡切片技術的應用能夠滿足不同功能場景和需求類型的技術應用特點，結合網絡切片模式，實現不同類型硬件平臺和網絡功能需求之間的同時解耦[5]。

3.3 5G 核心網架構模型實現

應用5G 網絡通信技術進行核心網設計和架構模型具體步驟如下。首先，需要立足于專業技術和網絡平臺，具體落實時，需要在核心網構建和設計前，提前明確5G 網絡通信技術的實際業務能力，統籌安排5G 網絡通信技術的部署情況，既提出了專項網絡架構的需求，也要立足于后續網絡架構的特點，保障核心網架構的可應用性和運行穩定化效果。其次，需要結合網絡功能虛擬化要素，對現有核心網體系進行全面完善和升級，充分考慮廣大5G 用戶的實際需求，將5G 技術和網絡功能虛擬化基礎設施進行緊密聯系和融合，進一步降低信息傳輸過程中的共享難度，提高客戶使用效率水平。從3 個層次角度入手，合理分配5G 網絡通信技術的架構模型，如圖3 所示。應用層為各類商業應用特點及需求，控制層體現為軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）和網絡服務，網絡基礎設施層體現為各類網絡硬件[6,7]。

圖3 5G 網絡技術軟件應用架構

開展設計優化時，除了常規類型的5G 網絡通信技術和核心網架構要素之外，需要增加安全監測預警架構。立足于現有業務模型和用戶需求，在應用層各類商業應用內容中增加安全監測應用層內容，在控制層中增加監測單元、預警單元以及擴展單元，實現對控制軟件網絡服務的實時合理監測[8]。針對網絡基礎設施，如網絡硬件監測，需要結合安全監測設備，保障安全監測效果。通過單獨運行的網絡監測預警機制和結構模式，打破以往通信技術網絡運行過程中系統應用的局限性和弊端性，保障了5G 網絡通信技術和網絡架構的可應用性效果[9]。

3.4 5G 核心網組網結構演進方向

在未來5G 時代發展和5G 網絡通信技術應用過程，其組網結構演進方向主要可以分為網絡功能虛擬性結構和網絡切片部署2 個維度。一方面，在網絡技術功能虛擬建構中，應用虛擬化的軟件手段和媒介，讓不同軟件系統直接實現虛擬軟件的運行操作，打破了硬件設施對功能的影響和限制，同時進一步減少運營商總體投入。另一方面，在網絡切片部署策略中，可以將原有切片服務類型增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）服務逐漸發展至超高可靠超低時延通信（ultra-Reliable Low-Latency Communications，uRLLC）/大規模物聯網（massive Internet of Things，mIoT）模式，既拓展了網絡信息應用需求，也能優化完原有切片系統設計，確保運營商能夠實現自主化產品設計[10]。

4 結 論

文章論述了5G 網絡通信技術的概念、發展背景以及主要類型，重點圍繞5G 網絡通信技術的核心網架構開展專項分析，分別探討核心網架構設計原則、核心網架構關鍵技術、5G 核心網架構模型實現以及5G 核心網組網結構演進方向，以期對我國5G 技術的普及化應用和專項研究水平的提升提供參考。