5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司內(nèi)蒙古分公司 高春霞 劉博士 朱建飛

5G網(wǎng)絡(luò)可以滿(mǎn)足多樣化業(yè)務(wù)需求，應(yīng)用通用硬件，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能軟件化、差異化業(yè)務(wù)需求。對(duì)于業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的運(yùn)營(yíng)，數(shù)字平臺(tái)可以有效地連接業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)能力，降低傳輸網(wǎng)絡(luò)的壓力，避免數(shù)據(jù)下沉到本地。5G核心網(wǎng)絡(luò)可以提供網(wǎng)絡(luò)切片、實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算，是社會(huì)信息化的新表現(xiàn)?；诖?，本文在5G核心網(wǎng)架構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，探討了核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，研究了5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，以供參考。

0 引言

5G核心網(wǎng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)力，源于5G業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求、ICT使能技術(shù)，建立廣域網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，具備靈活性、高性能優(yōu)勢(shì)，提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)能力。5G時(shí)代下，形成分層化、虛擬化，屬于核心網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，圍繞網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)、業(yè)務(wù)服務(wù)，可以提供全新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。5G標(biāo)準(zhǔn)下，以商用部署為主，基于5G需求，準(zhǔn)確描述信息化社會(huì)。在社會(huì)化信息發(fā)展下，注重建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，強(qiáng)化賦能業(yè)務(wù)，將其作為重要應(yīng)用內(nèi)容。移動(dòng)核心網(wǎng)，處于5G階段，建立標(biāo)準(zhǔn)哈架構(gòu)，賦予平臺(tái)相關(guān)功能。相比于4G核心網(wǎng)，5G核心網(wǎng)通過(guò)應(yīng)用云平臺(tái)思路，優(yōu)化服務(wù)架構(gòu)，功能設(shè)計(jì)，提供多元化接入方式，實(shí)現(xiàn)靈活性化控制，不斷提升能力開(kāi)放價(jià)值。

1 5G時(shí)代概述

5G時(shí)代能夠滿(mǎn)足多樣化業(yè)務(wù)需求，使用NFV/SDN技術(shù)，通用硬件，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能軟件化，實(shí)現(xiàn)差異性業(yè)務(wù)編排。業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)運(yùn)營(yíng)，利用數(shù)字化平臺(tái)，有效對(duì)接業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)能力，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放能力，按照用戶(hù)面部署，降低業(yè)務(wù)時(shí)延。有效控制和緩解傳輸網(wǎng)壓力，消除傳統(tǒng)數(shù)據(jù)，使用戶(hù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)下沉至本地，實(shí)現(xiàn)高頻、低頻混合組網(wǎng)。5G核心網(wǎng)結(jié)合NFV基礎(chǔ)設(shè)施，屬于普通消費(fèi)者、應(yīng)用提供者、垂直行業(yè)需求方，提供網(wǎng)絡(luò)切片，邊緣計(jì)算能力。5G核心網(wǎng)，能夠從傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)接入管道，轉(zhuǎn)型為全社會(huì)信息化賦能者。

隨著5G標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，商用部署已經(jīng)納入到議程中。5G需求描繪的社會(huì)信息化生活，不再處于設(shè)想階段，而是落實(shí)到實(shí)際中，屬于萬(wàn)物互聯(lián)，賦能業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)節(jié)，移動(dòng)核心網(wǎng)，能夠全面重構(gòu)架構(gòu)、平臺(tái)與功能。相比于4G網(wǎng)絡(luò)，5G核心網(wǎng)以原聲方式，高度適配云平臺(tái)，確保控制、轉(zhuǎn)發(fā)靈活性，加強(qiáng)開(kāi)放效果。

2 核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 架構(gòu)呈現(xiàn)模式

5G核心網(wǎng)絡(luò)利用過(guò)控制轉(zhuǎn)發(fā)方式，實(shí)現(xiàn)架構(gòu)分離，保證會(huì)話(huà)管理、移動(dòng)性管理運(yùn)行獨(dú)立性。消除用戶(hù)面承載問(wèn)題?？茖W(xué)控制QOS參數(shù)，通過(guò)不同用戶(hù)面網(wǎng)元，建設(shè)若干個(gè)會(huì)話(huà)模式，統(tǒng)一管理控制面網(wǎng)。對(duì)于本地分流、遠(yuǎn)端流量，具備一體化操作效果。5G網(wǎng)絡(luò)體系下，包含服務(wù)架構(gòu)、參考點(diǎn)，最常見(jiàn)的是服務(wù)架構(gòu)模式。借助API技術(shù)，能夠向控制面板傳輸信令。通過(guò)常規(guī)信令過(guò)程，存儲(chǔ)信息消息，通過(guò)API技術(shù)封裝，確保網(wǎng)元訪(fǎng)問(wèn)效果。同時(shí)，對(duì)于服務(wù)化架構(gòu)而言，利用隧道模式，在HTTP協(xié)議中交互信令。

2.2 5G核心網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)模型

（1）注冊(cè)管理模型。基于5G核心網(wǎng)，涉及到AMF、UE注冊(cè)管理模式，即移動(dòng)、接入管理注冊(cè)狀態(tài)。針對(duì)UE接入情況，注冊(cè)管理上下文差異顯著。AMF分配上下文，是一種臨時(shí)標(biāo)識(shí)，具備唯一性。接入類(lèi)型，涉及到注冊(cè)區(qū)域、狀態(tài)、周期性計(jì)時(shí)器。針對(duì)非3GPP、3GPP注冊(cè)區(qū)，則為獨(dú)立狀態(tài)，UE可以通過(guò)3GPP側(cè)，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)效果，注冊(cè)非3GPP。（2）連接管理模型。在5G網(wǎng)絡(luò)下，連接管理模式通過(guò)N1接口，可以以信令方式，連接AMF、UE。以上狀態(tài)為連接態(tài)、空閑態(tài)。連接態(tài)，在UE體系中，采用N2連接方式，確保AMF、AN網(wǎng)絡(luò)均為連接狀態(tài)?？臻e態(tài)處于AMF、UE間，以此針對(duì)N1接口，無(wú)需實(shí)施NAS信令連接，也無(wú)需與UE、N2、N3相連接。UE能夠優(yōu)化小區(qū)選擇、PLMN、重選過(guò)程。當(dāng)AMF處于空閑狀，能夠?qū)ず鬠E，執(zhí)行業(yè)務(wù)請(qǐng)求。

3 5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 服務(wù)化架構(gòu)

5G控制平面，吸收IT服務(wù)架構(gòu)。服務(wù)化架構(gòu)，能夠重新構(gòu)建移動(dòng)核心網(wǎng)架構(gòu)。針對(duì)核心網(wǎng)網(wǎng)元，能夠劃分為輕量級(jí)、單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)功能模塊。針對(duì)服務(wù)化架構(gòu)，主要為服務(wù)網(wǎng)絡(luò)功能、接口位置。針對(duì)前者，即核心網(wǎng)絡(luò)功能，服務(wù)對(duì)象為自主能力，通過(guò)接口調(diào)用方式，為網(wǎng)絡(luò)功能提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。服務(wù)化接口，通過(guò)輕量級(jí)接口協(xié)議，提升網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。對(duì)于3GPP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，服務(wù)接口協(xié)議，則需要以TCP協(xié)議為主。

3.2 控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離

當(dāng)前，4G核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，以S-GW、P-GW設(shè)備為主，不斷擴(kuò)大業(yè)務(wù)覆蓋范圍。用戶(hù)端提出移動(dòng)業(yè)務(wù)后，通過(guò)eNodeB，將IP網(wǎng)提供給運(yùn)營(yíng)商。省會(huì)級(jí)別，注重匯聚業(yè)務(wù)流量，接近S-GW/P-GW，通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)轉(zhuǎn)出，確保用戶(hù)的互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)效果。5G核心網(wǎng)，利用用戶(hù)平面，對(duì)平面分離架構(gòu)予以控制?？刂破矫婀δ苣K，可以實(shí)現(xiàn)集中化管理與部署，確保轉(zhuǎn)發(fā)平面資源調(diào)度合理性。注重平面功能模塊分析，聯(lián)合應(yīng)用需求，采用集中化、分布式方式，確保部署與安排效果。用戶(hù)平面功能，下沉至邊緣DC，分流本地流量，縮短端-端時(shí)延[1]。

（1）在服務(wù)化架構(gòu)中，涉及到控制機(jī)制與退出機(jī)制。針對(duì)控制機(jī)制，包括控制面、用戶(hù)面。在控制面中，會(huì)話(huà)管理功能確定激活QoS機(jī)制，會(huì)話(huà)管理功能發(fā)送控制信息至UPF，同時(shí)表送至AN。對(duì)于用戶(hù)界面，通過(guò)UPF裝置，可以接受控制信息數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包隧道中，涉及到RQI。對(duì)于AN，遵循數(shù)據(jù)RQI，設(shè)置空口數(shù)據(jù)包，內(nèi)部包含RQI。利用UE裝置，能夠接收到RQI數(shù)據(jù)，確保本地?zé)o對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)上行規(guī)則，此時(shí)可以生成QoS規(guī)則，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器。確定本地對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)上行規(guī)則，啟動(dòng)定時(shí)器。如果定時(shí)器超時(shí)，刪除基于UE的QoS規(guī)則。（2）退出機(jī)制，涉及到控制面、用戶(hù)面。對(duì)于控制面，當(dāng)5G不在對(duì)SDF使用QoS時(shí)，SMF利用N4接口，移除提供給UPF的RQIO，UPF接收到SDF指令時(shí)，則不在N3參考點(diǎn)報(bào)文頭內(nèi)設(shè)置RQI。UPF能夠接收UL業(yè)務(wù)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化與網(wǎng)絡(luò)切片

切片技術(shù)，屬于5G網(wǎng)絡(luò)重要技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)場(chǎng)景、類(lèi)型，遵循實(shí)際需求，制定科學(xué)化網(wǎng)絡(luò)。5G核心網(wǎng)，以SDN技術(shù)為主，確保5G核心網(wǎng)硬件平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)功能效果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)解耦，形成不同網(wǎng)絡(luò)功能模塊。優(yōu)化組合模塊，建立特殊網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)切片，包含接入網(wǎng)、核心網(wǎng)，不同網(wǎng)絡(luò)切片間，可以共享資源，同時(shí)隔離網(wǎng)絡(luò)切片間資源。核心網(wǎng)絡(luò)，包含用戶(hù)平面、控制平面。對(duì)于控制平面而言，包含服務(wù)化架構(gòu)，用戶(hù)平面架構(gòu)，遵循轉(zhuǎn)發(fā)性能與需求，注重優(yōu)化選擇。接入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，避免影響系統(tǒng)容量。遵循無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，分層架構(gòu)，合理應(yīng)用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，并且以虛擬化技術(shù)為主，針對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施資源，可以實(shí)現(xiàn)資源共享。通過(guò)空口時(shí)頻資源，融合幀結(jié)構(gòu)技術(shù)，能夠智能調(diào)度無(wú)線(xiàn)資源；利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，尤其是參數(shù)配置功能，可以實(shí)現(xiàn)切片功能。網(wǎng)絡(luò)切片管理，能夠提升管理效率和質(zhì)量，同時(shí)分解切片，使其成為切片子網(wǎng)。針對(duì)通信業(yè)務(wù)管理，基于業(yè)務(wù)需求，映射到網(wǎng)絡(luò)切片需求[2]。

3.4 邊緣計(jì)算技術(shù)

通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)，可以確保第三方業(yè)務(wù)平臺(tái)、運(yùn)營(yíng)商部署效果，特別是UE附著接入點(diǎn)，防止傳輸網(wǎng)負(fù)載與端-端時(shí)延問(wèn)題，全面提升網(wǎng)絡(luò)交付率。5G核心網(wǎng)絡(luò)中，邊緣計(jì)算合理選擇UFP，向數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸用戶(hù)流量，保證業(yè)務(wù)、會(huì)話(huà)連續(xù)性，且計(jì)費(fèi)、QoS的兼容性強(qiáng)。5G核心網(wǎng)，具備電磁兼容性效果，規(guī)避時(shí)延問(wèn)題，強(qiáng)化用戶(hù)體驗(yàn)感。利用本地泄流方式，使網(wǎng)絡(luò)成本、回傳開(kāi)銷(xiāo)降低，深度融合互聯(lián)網(wǎng)-移動(dòng)網(wǎng)。

3.5 MIMO技術(shù)

MIMO技術(shù)，可以應(yīng)用到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)用原理在于無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)、接收機(jī)使用天線(xiàn)開(kāi)啟維度空間。當(dāng)天線(xiàn)數(shù)量越多，則傳輸速度、可靠性越高，可以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)模，擴(kuò)大系統(tǒng)容量。發(fā)射機(jī)、接收機(jī)天線(xiàn)數(shù)量，并非隨意安排和部署，必須考慮到多種環(huán)境、天線(xiàn)與承載量，屬于多電線(xiàn)運(yùn)行技術(shù)。在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，天線(xiàn)收發(fā)數(shù)量不足，無(wú)法支持5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸需求。應(yīng)用MIMO技術(shù)，能夠滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度、質(zhì)量要求，研究者必須深入研究探索，CIA可以擴(kuò)大容量潛力。

3.6 納米核心網(wǎng)技術(shù)

納米核心網(wǎng)技術(shù)，屬于IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、納米技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)表現(xiàn)。對(duì)于納米技術(shù)，多應(yīng)用到移動(dòng)終端網(wǎng)絡(luò)芯片中，能夠確保移動(dòng)終端承載5G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)運(yùn)輸速度，屬于必備技術(shù)研究。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是遵循云計(jì)算技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，利用云計(jì)算技術(shù)，可以確?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行統(tǒng)一性。IP技術(shù)，能夠?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行提供基礎(chǔ)平臺(tái)，納米核心網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，能夠?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)提供發(fā)展前景，屬于研究人員重點(diǎn)關(guān)注技術(shù)。

3.7 超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

為了順利推廣和應(yīng)用5G技術(shù)，研究人員應(yīng)當(dāng)深入分析核心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為代表?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)全面發(fā)展，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)速度加快，傳統(tǒng)同構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)無(wú)法應(yīng)對(duì)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量，5G產(chǎn)生數(shù)據(jù)流量明顯高于移動(dòng)數(shù)據(jù)流量，但是同構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，不能滿(mǎn)足5G需求，此時(shí)就產(chǎn)生異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，成為技術(shù)人員關(guān)注熱點(diǎn)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以提升系統(tǒng)傳輸容量、用戶(hù)通信質(zhì)量。超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，能夠增加密集部署，將基站微型化安排在用戶(hù)生活情境中，通過(guò)用戶(hù)與基站距離，可以縮小到適宜程度。應(yīng)用此種原理，能夠加強(qiáng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度，提升網(wǎng)絡(luò)刷新速度?？s小用戶(hù)與基站距離，可以提升頻譜效率與系統(tǒng)容量。布設(shè)小區(qū)，可以處理熱點(diǎn)區(qū)域負(fù)載分流問(wèn)題，避免宏基站覆蓋弱，從而出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無(wú)信號(hào)問(wèn)題超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，有助于推廣5G技術(shù)，要求技術(shù)人員攻克難題，深度研究無(wú)線(xiàn)資源管理技術(shù)，順利建立超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，5G時(shí)代下，萬(wàn)物互聯(lián)發(fā)展速度較快，通過(guò)多樣化業(yè)務(wù)，能夠提供智能化物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。業(yè)務(wù)需求發(fā)展，在基礎(chǔ)性能上，對(duì)5G核心網(wǎng)提出高要求。例如，提升信息傳輸速率，連接百萬(wàn)級(jí)密度，且低時(shí)延達(dá)到毫秒級(jí)。5G網(wǎng)絡(luò)體系中，承載較多業(yè)務(wù)，新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、業(yè)務(wù)需求高度匹配。為了全面促進(jìn)5G技術(shù)發(fā)展，在啟動(dòng)5G技術(shù)之前，運(yùn)營(yíng)商應(yīng)當(dāng)合理選擇組網(wǎng)方式。運(yùn)營(yíng)商遵循網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)、發(fā)展愿景，選擇適宜的組網(wǎng)方式。通過(guò)新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，承載多元化網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)體系演進(jìn)、融合互通。