5G移動網(wǎng)絡通信關(guān)鍵技術(shù)探究

【摘要】移動通信對我們的生活產(chǎn)生了重大影響，面臨大眾提出“萬物互聯(lián)”愿景后， 5G 移動通信技術(shù)應運而生。2020年隨著5G逐步商用，本文簡要闡述了5G概述，重點論述了支撐 5G 移動通信架構(gòu)的三大關(guān)鍵技術(shù)，包括服務化的結(jié)構(gòu)SBA、多接入邊緣計算 MEC、網(wǎng)絡切片技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】5G;移動通信;SBA;邊緣計算;網(wǎng)絡切片

中圖分類號：TN94? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.07..005

隨著科技的進步越來越多的新業(yè)務新場景對移動通信能力提出了新要求，4G網(wǎng)絡已難以滿足移動通信的需求。因此，新一代移動通信系統(tǒng)5G誕生了。根據(jù)移動通信的發(fā)展規(guī)律，5G具有超高的頻譜利用率，廣闊的網(wǎng)絡覆蓋面，可靠的傳輸，超低的時延，極大的提高了用戶體驗。與4G網(wǎng)絡相比5G網(wǎng)絡具有超密集覆蓋，低時延傳輸?shù)奶攸c，滿足“信息隨心至，萬物觸手及”的總體愿景。因此，為了能夠發(fā)揮5G移動通信的應用價值，我們應積極響應國家號召，大力研究5G網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)，推動5G技術(shù)落地。

1.5G網(wǎng)絡概述

5G不是一種單純的網(wǎng)絡技術(shù)或簡單被定義為全新的空口接入技術(shù)，而是面向業(yè)務應用和用戶體驗的智能網(wǎng)絡。不同于以往的通信技術(shù)，5G網(wǎng)絡將成為面向2020年以后人類信息社會需求的無線移動通信系統(tǒng)，它是一個多業(yè)務多技術(shù)融合的網(wǎng)絡，通過技術(shù)的演進和創(chuàng)新，滿足未來包含廣泛數(shù)據(jù)和連接的各種業(yè)務的快速發(fā)展需要，提升用戶體驗。

目前5G應用分為三大類場景：第一類應用場景為eMBB 增強移動寬帶，即提升用戶寬帶網(wǎng)絡使用的體驗，讓用戶體驗低時延、高帶寬網(wǎng)絡。第二類應用場景是URLLC超低時延高可靠通信，應用于未來高科技控制技術(shù)，如無人駕駛汽車，遠程手術(shù)控制等。第三類應用場景為mMTC海量機器通信，即應用于我們美好的愿景----萬物相連。三類場景對應的網(wǎng)絡需求不盡相同，側(cè)重點也各自不同，因此5G網(wǎng)絡架構(gòu)需要滿足三類應用場景的需求。

根據(jù)3GPP定義，5G網(wǎng)絡架構(gòu)可分為非獨立組網(wǎng)（NSA）和獨立組網(wǎng)（SA）兩種模式。SA是指無線側(cè)采用5G基站，核心網(wǎng)采用5G核心網(wǎng)的組網(wǎng)架構(gòu)，該架構(gòu)是5G網(wǎng)絡演進的終極目標，但整個網(wǎng)絡架構(gòu)的重建勢必耗時耗財，于是NSA網(wǎng)絡架構(gòu)應運而生。NAS是4G網(wǎng)絡向5G網(wǎng)絡平滑過渡而誕生的網(wǎng)絡架構(gòu)，該架構(gòu)下4G基站和5G基站并存，采用4G網(wǎng)絡或5G網(wǎng)絡組網(wǎng)。NSA架構(gòu)一方面充分利用現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡資源，一方面加大建設5G網(wǎng)絡，逐步實現(xiàn)5G的平滑過渡和4G的順利隱退。

2. 5G網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)

2.1 服務化的結(jié)構(gòu)SBA

隨著社會的發(fā)展，不同領域?qū)?G提出了不同的需求，為了同時適應不同領域的應用，5G網(wǎng)絡架構(gòu)被寄予了非常高的期望。因此專家提出Cloud Native的理念，欲將5G網(wǎng)絡從以下兩方面進行變革：一方面用戶平面與控制平面功能分開，允許靈活部署，獨立擴展。一方面將控制功能模塊化，將控制面功能抽象成為多個獨立的網(wǎng)絡服務，使網(wǎng)絡服務模塊化，多樣化，獨立化，能快速構(gòu)建網(wǎng)絡。

因此，基于服務的架構(gòu)SBA（Service Based Architecture）應運而生，SBA借鑒IT網(wǎng)絡系統(tǒng)“服務”功能，采用將網(wǎng)絡功能（NF）模塊化，將網(wǎng)絡解耦成不同模塊，再通過模塊組合重新構(gòu)成核心網(wǎng)，實現(xiàn)了網(wǎng)絡功能的靈活組合、業(yè)務的敏捷提供。SBA顛覆了傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)，它是一種新的網(wǎng)絡架構(gòu)，它也是5G網(wǎng)絡的基礎。與傳統(tǒng)的拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)相比，SBA具有模塊便于定制，接口易于擴展，服務獨立部署、易于升級等特點。

5G的SBA架構(gòu)充分體現(xiàn)了網(wǎng)絡架構(gòu)的開放性，各NF相互解耦，類似一個獨立的模塊，它們采用統(tǒng)一的服務接口，便于調(diào)用。搭建應用業(yè)務時只需要選擇對應的NF，并且還可以根據(jù)業(yè)務需求對相應的NF進行修改，卻不會影響到其他的NF，使新業(yè)務能快速上線。因此服務化架構(gòu)是5G核心網(wǎng)絡演進的基礎，未來網(wǎng)絡將按照此線路持續(xù)演進。

2.2 多接入邊緣計算 MEC

隨著5G的到來，產(chǎn)生了如車聯(lián)網(wǎng)、智能家居無人機、智慧農(nóng)業(yè)、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實、工業(yè)控制等新場景。這些新應用領域?qū)σ苿泳W(wǎng)絡的服務能力提出新的要求，車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛需要更低的時延降低安全風險系數(shù);智能家居將家中的智能設備統(tǒng)一連接，為家庭自動化提供全方位的信息交互功能，甚至根據(jù)用戶所在位置進行具體業(yè)務優(yōu)化功能;而另一些應用可能要求業(yè)務在網(wǎng)絡邊緣具備移動能力。這種情況下，MEC的出世為滿足日益增長的業(yè)務需求提供了很好的技術(shù)和架構(gòu)支撐。

MEC（Multi-access Edge Computing）是ETSI標準組織提出的概念，即多接入邊緣計算，其基本思想是把云計算平臺從移動核心網(wǎng)絡內(nèi)部遷移到移動接入網(wǎng)邊緣，實現(xiàn)計算及存儲資源的彈性利用。這一概念將傳統(tǒng)電信蜂窩網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務進行了深度融合，旨在減少移動業(yè)務交付的端到端時延，發(fā)掘無線網(wǎng)絡的內(nèi)在能力，從而提升用戶體驗，給電信運營商的運作模式帶來全新變革，并建立新型的產(chǎn)業(yè)鏈及網(wǎng)絡生態(tài)圈。

移動邊緣計算它是一種網(wǎng)絡架構(gòu)，利用無線接入網(wǎng)絡為用戶就近提供需要的服務。移動邊緣計算采用就近原則創(chuàng)造出一個具備高性能、低延遲與高帶寬的網(wǎng)絡服務環(huán)境，讓用戶體驗高速、不間斷網(wǎng)絡服務，提升用戶體驗。據(jù)估計，將應用服務器部署于無線網(wǎng)絡邊緣，可在無線接入網(wǎng)絡與現(xiàn)有應用服務器之間的回程線路（Backhaul）上節(jié)省高達35%的帶寬使用。MEC就是為解決未來網(wǎng)絡擁塞和時延的網(wǎng)絡架構(gòu)，是5G網(wǎng)絡在物聯(lián)網(wǎng)應用的基礎技術(shù)之一。

2.3網(wǎng)絡切片

在5G網(wǎng)絡中，我們會面臨不同的業(yè)務場景和新的業(yè)務需求，而傳統(tǒng)的物理設備和物理設施無法根據(jù)這些業(yè)務進行靈活配置，網(wǎng)絡切片則是解決這些新需求的關(guān)鍵技術(shù)，亦是未來發(fā)展趨勢。根據(jù)3GPP對網(wǎng)絡切片的定義：網(wǎng)絡切片（Network slicing）是通過切片技術(shù)在計算機硬件上虛擬多個網(wǎng)絡，每個網(wǎng)絡具有不同的功能，每個網(wǎng)絡相互隔離，能獨立的提供不同的服務。根據(jù)移動通信5G網(wǎng)絡的三大應用場景，對應的網(wǎng)絡切片的類型分別是eMBB切片、mMTC切片、uRLLC切片。對應的5G網(wǎng)絡切片架構(gòu)示意圖如圖1所示。下面舉例說明網(wǎng)絡切片的應用場景：5G網(wǎng)絡硬件物理資源建設完成后，運營商按需購買物理資源，再根據(jù)大眾業(yè)務需求使用物理資源虛擬出一個eMBB切片網(wǎng)絡，之后再針對垂直行業(yè)中的智能抄表需求使用物理資源再虛擬出一個mMTC切片網(wǎng)絡，兩個切片網(wǎng)絡分別為不同業(yè)務場景提供服務。雖然垂直行業(yè)中各行業(yè)業(yè)務需求具有多樣化，但是這些業(yè)務需求都可以解析為時延、連接數(shù)、帶寬和可靠性等網(wǎng)絡功能的需求。

網(wǎng)絡切片最關(guān)鍵的特征是在統(tǒng)一的底層物理設施基礎上實現(xiàn)多種網(wǎng)絡服務，因此網(wǎng)絡切片形成多種獨立的網(wǎng)絡環(huán)境后，還需要將各個網(wǎng)絡環(huán)境統(tǒng)一管理起來，形成一個有機整體，才能提供正常服務。5G網(wǎng)絡是通過NFV（虛擬化）和SDN（軟件定義網(wǎng)絡）技術(shù)來實現(xiàn)各個虛擬網(wǎng)絡的統(tǒng)一管理和資源切分。NFV技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡資源統(tǒng)一管理，通過虛擬化技術(shù)根據(jù)用戶需求按需分配資源，實現(xiàn)資源的切分。SDN引入了控制器，它相當于人的大腦，用來統(tǒng)一指揮數(shù)據(jù)的發(fā)放，實現(xiàn)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、靈活調(diào)用和集中控制、增強業(yè)務編排的靈活性和可擴展性。

3. 結(jié)束語

面對未來新業(yè)務新場景對移動通信的挑戰(zhàn)，5G網(wǎng)絡以SBA架構(gòu)構(gòu)建核心網(wǎng)，顛覆傳統(tǒng)的拓撲網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，結(jié)合網(wǎng)絡切片實現(xiàn)按需分配，實現(xiàn)資源的最大利用，應用邊緣計算技術(shù)解決未來網(wǎng)絡時延、擁塞等問題。采用三大技術(shù)滿足未來5G網(wǎng)絡三大應用場景下的業(yè)務需求。因此5G的廣泛應用已成為必然發(fā)展的趨勢，我們一起來迎接5G移動通信大熱潮吧。

參考文獻：

[1]大唐.演進、融合與創(chuàng)新5G白皮書「R/OL」.大唐無線移動創(chuàng)新中心.2013

[2]中國通信協(xié)會.5G核心網(wǎng)前沿報告「R/OL」.中國通信協(xié)會，2019

[3]俞一帆，任春明，阮磊峰，SooJinTan.移動邊緣計算技術(shù)發(fā)展淺析[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2016（11）：59-62

[4]洪德堅.王雷.移動邊緣計算技術(shù)概述[J].網(wǎng)絡新媒體技術(shù).2019（05）：60-63

[5]網(wǎng)絡資源.5G通信技術(shù)網(wǎng)絡切片技術(shù)講解[J/OL].https：//max.book118.

[6]宋菲，侯樂青.SDN/NFV標準及開源項目發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].信息通信技術(shù)，2016（1）：63-67，76.

作者簡介：梁艷，漢族，湖南長沙人，碩士，助教，研究方向：通信技術(shù)。