5G 網絡通信技術及核心網絡架構的探索

周振賢，黃華興

（廣州市信息技術職業學校，廣東 廣州 510000）

0 引言

5G 網絡通信技術發展不斷提速使得網絡架構進一步扁平化，網絡規模日新月異正改變著人們的生活，在經濟發展新時期為商業、工業和消費電子行業提供了巨大的機會，可應對多種場景需求。5G 技術憑借其自身優勢，在具體應用實踐中實現了人與人、人與物之前的高效溝通，隨著該技術手段不斷在網絡通信領域攻關，未來會實現多場景廣泛應用。

1 5G 移動通信網絡關鍵技術分析

1.1 大規模MIMO 技術

MIMO 技術具體指的是將天線放置在發東端和接收端兩個端口組成一個良好的通信鏈路。隨著社會用網需求不斷增大，在兩個端口添加天線可大大提升通信質量，而且促使通信方式變得更加靈活，自由程度更高，容納信息數量更大。4G 網絡部署時主要以8 端口多用戶MIMO 為主，5G 移動通信網絡技術的布局需要圍繞大規模MIMO，設置多個天線階段，從而為架構應用提供支持[1]。

1.2 基于服務的架構

SBA（基于服務的架構）在5G 移動通信技術支撐下對核心網功能重新進行劃分，優化了應用場景需求。基于5G 技術的核心網服務化架構如圖1 所示。所有在網絡架構支撐下的各項服務單元相互獨立，系統更新升級或是故障維護互不影響，如果應用場景變化可以根據具體需要對服務項目進行拓展。同時分散化的模塊網絡單元在功能上也可以進行組合，可以滿足第三運營商對多種組網方式達成的需求。

圖1 基于5G 技術的核心網服務化架構

1.3 D2D 通信技術

D2D 通信技術與5G 移動通信技術的耦合，不僅可以強化通信信號，還能夠有效延長無線數據流量，在一定程度上能夠讓通信之前的距離縮短，作為一種新型技術手段可大大節省資源，有利于保證通信穩定。

1.4 控制與用戶面分離

CUPS（控制與用戶面分離）實現了提高網絡運行速度提高，最大限度縮短了信息交互時間，打破了時間、空間局限，即便是物理層面距離較遠也能將傳輸速度控制在毫秒級延遲范圍之內。

1.5 邊緣計算技術

云端計算功能是保證5G 移動通信核心網運行穩定和功能多樣的前提。5G 核心網的控制面和用戶面是相互分離的，使得UPF 部署的位置更接近用戶端網絡，進一步擴大了網絡的帶寬，實現了組網運行提速，可滿足當下激增的數據交互需要，確保網絡運行與服務質量。

1.6 網絡切片技術

如果我們要想降低網絡延遲影響，就必須保證各個網絡模塊的獨立，在不同應用場景下可以實現數據資源共享，但是運行互不干擾，網絡切片技術就是實現這一部署的關鍵技術。在整個網絡框架設備功能統一布局的前提下，使用虛擬化技術提供多種服務類型，以滿足用戶多元化的用網需求。

1.7 綠色通信技術

綠色通信技術是智能化網絡建設中的重要組成部分，重點集中在實現異構網絡的部署，達到良好的節能效果。需要處理的主要問題在于基于網絡調度的角度，解決單個基站的能耗問題，根據使用需要加大調整，使得資源得到最大化的利用。

2 5G 移動通信網絡架構

2.1 接入網

5G 移動網絡系統當中接入網是由多種技術組合成的，將4G 網絡作為基礎，根據應用場景不同進行設備和功能上的布局。利用C-RAN 技術、單一無線控制器以及基站來進行數據的集成和資源的分配，由于資源利用效率更高，因此經濟性更好。5G 通信網絡的接入網將4G 網絡下的BBU 等設備部署成三個功能實體，分別為CU、DU 和AAU，進一步細化了應用場景需求[2]。

2.2 核心網

基于5G 移動通信的核心網以X86 平臺通用服務器為基礎硬件，在此基礎上開發專用的虛擬化平臺，將所需要的數據信息進行收集、傳輸和調度，使用SBA 架構以“微服務”和云原生架構展開設計，生成的多個虛擬平臺是獨立的系統，其具備多種功能。在5G 技術支撐下核心網在應用中呈現狀態更加靈活多變，且容易控制，每個單元獨立運行，實現了資源的最大化利用。

2.3 承載網

基于5G 移動通信技術的承載網架構主要是為滿足當下數據高速傳輸的需求，為用戶帶來更好的網絡體驗。目前以4G 技術為主的承載網在運行過程中存在著嚴重的延遲，而且接入終端的設備數量相對有限。5G技術彌補了4G 承載網存在的不足，實現了更高效的數據傳輸，根據應用場景具體需求，可以選擇光纖直連、無源WDN/OTN 等幾種方式進行承載網布局。

3 5G 移動通信網絡的實踐應用

廣東全省目前擁有1600 多家5G 相關企業，約占全國的1/3，華為、中興的5G 必要專利數量超過5000件，占全球比例超過1/4，建成并開通約11 萬個5G 基站，規模為全國第一。產業鏈上游包括規劃、器件、芯片、材料等領域；中游包括設備、網絡、運營商等環節；下游包括終端、應用場景等，以5G 為核心的商業產業鏈已經相對完善，具有很大發展潛力。本節就廣東省5G 移動通信網絡在城市軌道交通、醫療工程、人工智能和電力系統中的應用實踐展開了探討[3]。

3.1 城市軌道交通

伴隨城市人口增長和交通需求不斷擴大，軌道交通系統面臨著更高的運行壓力，基于4G 網絡通信支撐下的軌道交通系統在數據傳輸和通信方面存在的限制影響著城市軌道交通發展。目前廣東地區建成并開通5G 移動基站數量在11 萬左右，城市軌道智慧交通系統的建設，運用了物聯網、虛擬現實和云計算等多種新興技術手段，很大程度上提升了數據傳輸效率，具有更低的延遲，而且交通系統運行更加穩定，可以滿足當下城市交通軌道不斷增長的移動通信需求。廣東省城市軌道交通建設集中解決的問題在網絡容量不足、延遲性高等方面，5G 移動通信網絡技術是在MIMO 和OFDAMA 基礎技術上采用了一系列新的技術和架構，包括網絡切片技術、多天線技術以及邊緣計算等多種技術，實現了對軌道交通的實時監控，可進一步優化人們的出行體驗，5G 技術支撐下擬建的智慧交通場景，如圖2 所示。

3.2 醫療工程

5G 移動通信技術的運行頻率在30GHz～300GHz，能夠實現高速傳輸的數據效果，由非獨立組網、獨立組網組成，通過大量使用LSAS 技術可以提升空間自由度。以5G 移動通信技術在廣東某醫療工程領域中的應用為例，由5G 通信網絡連接行業終端，包括攝像頭、醫療設備、顯示器，為醫療專家提供服務器、數據中心支撐，可以實現海量醫療信息的儲存和利用，傳輸效率較高，為醫療工作的展開提供了方便，甚至可以實現遠程醫療診斷，5G+遠程診斷總體業務場景如圖3 所示。

圖3 5G+遠程診斷總體業務場景

為保障5G 移動通信運行運行的高效率，需要在醫院周圍附近建立足夠數量的基站，并優化醫院切換策略設施，設置MEC 本地路由，要求網絡性能達到標準?；?G 技術的醫療工程網絡性能要求如表1 所示。

表1 基于5G 技術的醫療工程網絡性能要求

醫療工程領域對5G 移動通信技術的應用在開發系統的過程中涉及嵌入式開發較多，由應用層軟件、中間層、操作系統、驅動和硬件設備5 個系統組成，在功能上包括3 個部分，第①是數據采集及數據傳輸系統、第②是醫療數據處理系統、第③是網絡安全管理系統。

數據采集及傳輸系統。采用5G 數據采集直接連接醫療設備，設備接口不同，與醫療工程的應用場景有關，應結合具體診療需要或者醫療業務處理需要進行針對性設計。為做好醫療設備數據的采集與管理，需要在網絡架構中設施網絡參數，包括共享數據模塊、端口、廣播地址等信息，系統采用TCP 進行數據傳輸管理，有效彌補了當前網絡傳輸延遲高、帶寬低的缺陷。

醫療數據處理系統。需要處理大量的圖像信息，基于TensorFlow 模塊進行數據整合與處理，之后會得到RGB，醫療處理數據流程，如圖4 所示。具體執行操作流程為從醫療設備中獲取醫療數據，包括患者信息、用藥、手術等相關信息，使用5G 終端完成數據的采集記錄和傳輸；使用圖像處理的方法對數據進行清洗，并利用神經網絡算法展開數據分析，可全面掌握當前設備運行狀況；遠程專家結合神經網絡算法預測可構建數據中心。

圖4 醫療數據處理流程

網絡安全管理。使用5G 移動通信網絡技術將整個網絡數據存儲到服務器端，醫護工作者通過終端顯示設備可以查看到所需要的醫療信息，能夠支撐醫生遠程工作。為全面保證整個系統運行安全，避免不法分子攻擊醫療網絡，在網絡核心架構布局時建立了攻擊模型，通過判斷各個網絡節點流量，是否超過正常運行閾值確定存在風險與否，若是超出設定范圍，系統會自動加強網絡安全防護[4]。

3.3 人工智能

從人工智能角度分析5G 通信技術優勢，最突出的優點在于提高了信號傳輸質量，能實時感知周圍環境變化特點，通過利用零散式移動設備云可實現超高清視頻傳輸，傳輸效率實現了翻倍提升，可以滿足當下用戶對高清視頻的實際使用需求，而且VR/AR 設備的更新，還引入了語音系統與觸摸功能，增強了用戶身臨其境的現實體驗感。隨著5G 網絡通信技術和智能化技術進一步發展，未來還將用于地理測繪、森林防火等多個領域。基于5G 的森林防火無線監控如圖5 所示。

圖5 基于5G 的森林防火無線監控

3.4 電力系統

5G 技術在電力系統中的應用可大大降低電力系統運行成本，提高系統運行穩定以及安全。以物聯網技術在電力系統建設中的應用為例，可以打造出一個雙向互動的通信網絡，實現動態化的信息互換，能夠進一步緩解云端計算機的壓力，推動云計算技術與物聯網技術深度融合，為不同電力系統提供了專有網絡通道，既確保了業務之間安全隔離，也能夠顯著降低電力系統運行成本[5]。

4 結語

總而言之，在科學技術不斷發展的背景下，移動通信技術將保持著當前快速發展的狀態，5G 網絡通信技術將會重塑現有市場，并開拓新的市場。在當前階段對5G 通信技術以及核心網絡架構積極地展開研究具有重要意義，提升網絡運行速度與質量，有利于推動我國多個行業發展，為數字強國的建設及中國影響力的提升奠定了強有力基礎。