基于垂直行業(yè)的5G核心網(wǎng)技術(shù)研究

摘要：5G核心網(wǎng)的成功吸收了服務(wù)化架構(gòu)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，以模塊化的形式為基礎(chǔ)，優(yōu)化了不同網(wǎng)絡(luò)功能之間存在的解耦問(wèn)題。其將所有網(wǎng)元功能，對(duì)應(yīng)的分解成了可以靈活應(yīng)用、處于獨(dú)立形態(tài)的功能化模塊。新型的架構(gòu)設(shè)計(jì)中，5G網(wǎng)絡(luò)本身具有10Gb/s的峰值速率以及平均一平方公里百萬(wàn)級(jí)別的連接能力，這些應(yīng)用特征為虛擬現(xiàn)實(shí)、無(wú)人駕駛等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了有力的支撐，同樣也是我國(guó)現(xiàn)階段數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程的核心基礎(chǔ)。因此本文針對(duì)基于垂直行業(yè)的5G核心網(wǎng)技術(shù)展開(kāi)探討分析，希望為相關(guān)人員帶來(lái)一些參考。

關(guān)鍵詞：垂直行業(yè);5G核心網(wǎng)技術(shù);網(wǎng)絡(luò)切片

作為我國(guó)移動(dòng)通信系統(tǒng)的重點(diǎn)建設(shè)方向，我國(guó)核心網(wǎng)的建設(shè)過(guò)程歷經(jīng)了四代過(guò)程。全新的5G核心網(wǎng)，將以點(diǎn)到點(diǎn)的控制信令作為核心，經(jīng)過(guò)不同業(yè)務(wù)體系之間的密切耦合，構(gòu)建起具備封閉化特征的獨(dú)立式硬件設(shè)備體系，并由此為基礎(chǔ)，逐漸構(gòu)架起以微服務(wù)架構(gòu)為核心的軟件化功能狀態(tài)。對(duì)于5G核心網(wǎng)而言，其在一般情況下會(huì)部設(shè)在IT基礎(chǔ)設(shè)施之上，保障5G核心網(wǎng)切片可以由運(yùn)營(yíng)商分配性應(yīng)用。通過(guò)這樣的方式為小型核心網(wǎng)在垂直行業(yè)中的部署帶來(lái)了更多的路徑。而5G核心網(wǎng)中徹底將用戶面與控制面板進(jìn)行分離，并通過(guò)分布式的形式進(jìn)行用戶面功能的部署，能夠滿足日常生產(chǎn)生活中大部分使用場(chǎng)景的需要。

一、垂直行業(yè)5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

（一）云化核心網(wǎng)切片技術(shù)

從本質(zhì)上來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)實(shí)際上是將原有的物理網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)地劃分為較多數(shù)目的虛擬化網(wǎng)絡(luò)[1]。各個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)需具備差異化特征，以此來(lái)保障差異化的服務(wù)需求得以滿足，例如可以按照寬帶、時(shí)延、可靠性等特征進(jìn)行劃分，通過(guò)這樣的方式保障在面對(duì)不同場(chǎng)景時(shí)具備充分的靈活性。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)而言，其建立在傳統(tǒng)通用物理基礎(chǔ)設(shè)施之上，并重點(diǎn)提供具備不同特征、彈性能力的定制網(wǎng)絡(luò)，并在功能、運(yùn)維、性能等幾個(gè)方面展開(kāi)靈活設(shè)計(jì)，保障各大運(yùn)營(yíng)商，可以按照垂直行業(yè)的基礎(chǔ)需要，針對(duì)專業(yè)網(wǎng)絡(luò)完成定制化創(chuàng)建工作[2]。

由于5G網(wǎng)絡(luò)本身具備端到端的切片能力，因此其必須以傳輸網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)、核心網(wǎng)等多個(gè)方面加以首先，在這之中，以虛擬化技術(shù)為核心的服務(wù)化架構(gòu)5G核心網(wǎng)切片是其中較為重點(diǎn)的環(huán)節(jié)之一。

對(duì)于傳統(tǒng)的核心網(wǎng)來(lái)說(shuō)，其核心內(nèi)容為專用硬件，其無(wú)法使5G網(wǎng)絡(luò)切片，完全滿足其在服務(wù)登記、靈活性等有關(guān)方面的要求[3]。而由虛擬化技術(shù)為基本核心，構(gòu)建起的服務(wù)化架構(gòu)5G核心網(wǎng)，可以保障將原有的網(wǎng)絡(luò)功能，轉(zhuǎn)變?yōu)樾率降姆?wù)化組件。而在各個(gè)組件之間，可以應(yīng)用具備開(kāi)放性、輕量級(jí)特征的接口，實(shí)現(xiàn)通信，其本身具備低耦合結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出拓展性強(qiáng)、靈活性出色、開(kāi)放性高的基礎(chǔ)特征，保障其能夠滿足網(wǎng)絡(luò)切片構(gòu)建的探索、高可靠性需求。

保障切片得以完成的首要條件，是網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化。依托NFV來(lái)將傳統(tǒng)網(wǎng)元設(shè)備中的軟硬件部分進(jìn)行分解[4]。同時(shí)依靠通用服務(wù)器進(jìn)行硬件的部署，差異化的網(wǎng)絡(luò)功能，負(fù)責(zé)承擔(dān)軟件的不同部分，通過(guò)這樣的方式保障靈活組裝業(yè)務(wù)需求得以滿足。此外，核心網(wǎng)切片工作的展開(kāi)，能夠根據(jù)組網(wǎng)視圖、資源視圖等多個(gè)維度進(jìn)行隔離方案的劃分。在這之中，可以將原有的資源視圖，共劃分為虛擬資源層、硬件資源層、網(wǎng)元功能層等多個(gè)隔離分配[5]。組網(wǎng)視圖的應(yīng)用，主要以核心網(wǎng)中心內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行對(duì)應(yīng)的隔離分配。在這一過(guò)程中，需要與行業(yè)內(nèi)部的實(shí)踐需求共同進(jìn)行，同樣可選取網(wǎng)元完全占據(jù)、部分獨(dú)占的建設(shè)形式，使成本與安全隔離需求之間存在較為科學(xué)的平衡點(diǎn)，以此來(lái)保障行業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)切片分級(jí)需求得以滿足（如圖1所示）。

（二）5G小型化核心網(wǎng)技術(shù)

對(duì)于一部分具備特殊需求的行業(yè)，例如公共安全、電力，以及各大企業(yè)本身對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全性的高標(biāo)準(zhǔn)以及野外地質(zhì)勘探、油田等這一類無(wú)法進(jìn)行開(kāi)展外網(wǎng)連接工作的特殊性場(chǎng)所而言[6]。為了能夠通過(guò)更為靈活的形式進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)的部署，某公司遵循虛擬機(jī)環(huán)境極簡(jiǎn)的基礎(chǔ)部署需求，設(shè)置了5G小型核心網(wǎng)。相較于傳統(tǒng)核心網(wǎng)而言，其本質(zhì)上的區(qū)別在于，5G小型化核心網(wǎng)，更多的以容器環(huán)境部署為基礎(chǔ)，針對(duì)具備必要特征的核心網(wǎng)控制面網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行設(shè)置，這其中主要包含移動(dòng)管理、接入、網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)存庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)切片選擇等一系列功能。用戶面則可以以虛擬機(jī)環(huán)境為基礎(chǔ)，對(duì)應(yīng)的進(jìn)行用戶面管理功能的部署，并相應(yīng)設(shè)計(jì)3GPP互通性功能，以此來(lái)達(dá)成靈活部署的建設(shè)目的，大幅降低核心網(wǎng)的建設(shè)資金投入。

二、5G行業(yè)核心網(wǎng)在傳媒行業(yè)中的應(yīng)用實(shí)踐

根據(jù)低延時(shí)、高寬帶的基本技術(shù)特征，新媒體時(shí)代廣泛應(yīng)用了5G技術(shù)中的傳輸、高清視頻采集等方面的全新技術(shù)實(shí)現(xiàn)形式，其在一定程度上甚至打破了傳統(tǒng)行業(yè)的制作架構(gòu)局限性。某集團(tuán)為了達(dá)成實(shí)踐應(yīng)用的目的，與該地區(qū)廣播電視臺(tái)，共同構(gòu)建起了媒體應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，以5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)為核心基礎(chǔ)，針對(duì)傳統(tǒng)媒體直播領(lǐng)域，構(gòu)建起全方位、多媒體英語(yǔ)的5G創(chuàng)新技術(shù)方案，并由此達(dá)成了5G配合4K的基礎(chǔ)技術(shù)突破，最終實(shí)現(xiàn)了5G媒體行業(yè)實(shí)踐應(yīng)用[7]。

（一）5G+4K/8K演播室的構(gòu)建

在傳統(tǒng)的4G時(shí)代中，直播背包這一形式，已經(jīng)受到了全國(guó)各個(gè)地區(qū)直播的應(yīng)用。但現(xiàn)如今，面對(duì)4K/8K的直播場(chǎng)景后，4G技術(shù)在信道傳輸、信源編碼等領(lǐng)域受到了阻礙和影響，由于全新5G直播背包的出現(xiàn)，卻打破了原有4K編碼難的局限性，但其在信道傳輸這一應(yīng)用方面依然具備較大的局限性[8]。大部分直播區(qū)域都處在熱點(diǎn)區(qū)域當(dāng)中，其在信號(hào)問(wèn)傳方面，缺少足夠的保障性，常常常會(huì)出現(xiàn)因直播背包傳輸速率無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無(wú)法接入的弊端出現(xiàn)。

立足于這一背景下，某集團(tuán)通過(guò)無(wú)線側(cè)、運(yùn)化核心網(wǎng)，進(jìn)一步構(gòu)建起了由端到端的實(shí)踐切片技術(shù)[9]。在無(wú)線側(cè)方面，依托RB資源預(yù)留技術(shù)的使用，在全新的5G直播背包中提供專網(wǎng)級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)接入能力;在核心網(wǎng)一側(cè)，按照由廣電系統(tǒng)播出的，以平臺(tái)物理隔離需求為核心的安全播出要求，保障網(wǎng)元功能層始終應(yīng)用部分獨(dú)占的形式，通過(guò)這樣的方式在保障盡可能縮小成本的同時(shí)，獲得較強(qiáng)的安全隔離效果。

在5G網(wǎng)絡(luò)切片賦能的大背景下，某集團(tuán)為電視臺(tái)，構(gòu)建起了一張專業(yè)化的行業(yè)專網(wǎng)，通過(guò)這樣的方式保障新聞直播業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)資源呈現(xiàn)出共享化趨勢(shì)。而5G背包技術(shù)，也保障了4K/8K信號(hào)具備強(qiáng)大的寬帶傳輸、低延時(shí)功能。作為具備穩(wěn)定、安全特征的基礎(chǔ)傳輸形式，通過(guò)將原有的信號(hào)傳遞到解碼服務(wù)器，在相應(yīng)進(jìn)入到臺(tái)內(nèi)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)變了原有新聞直播車的衛(wèi)星回傳信號(hào)傳播形式。

與此同時(shí)，采編系統(tǒng)當(dāng)中的實(shí)時(shí)性信號(hào)，可以被及時(shí)傳遞回返，通過(guò)這樣的形式為演播廳與一線記者之間構(gòu)建起了雙向視頻溝通的空間。直到目前為止，這一方案在大部分工作場(chǎng)景中，都可作為傳統(tǒng)轉(zhuǎn)播車方案的優(yōu)化形式出現(xiàn)，保障媒體直播的基本生產(chǎn)完成了飛躍式的進(jìn)步。

（二）5G+4K演播車機(jī)位靈活漫游

現(xiàn)階段，我國(guó)大部分大型活動(dòng)，包括體育賽事等，都應(yīng)用了固定機(jī)位的形式開(kāi)展高清直播，同時(shí)在傳輸信號(hào)的過(guò)程中，應(yīng)用光電復(fù)合線纜將其傳遞到演播車等一系列導(dǎo)播設(shè)備中，這樣一種有線化的超高清視頻回傳方案，往往存在機(jī)位受限條件較多、電纜設(shè)線、無(wú)法靈活移動(dòng)的弊端和缺陷。而為了保障觀眾能夠獲得更加多樣化的互動(dòng)、感受體驗(yàn)，在未來(lái)多維度的超高清直播，將會(huì)逐漸成為演唱會(huì)等活動(dòng)的基礎(chǔ)視頻直播標(biāo)準(zhǔn)[10]。

相較于原有的高清標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，超高清技術(shù)在各個(gè)維度方面有著質(zhì)變式的跨越和發(fā)展，同樣其對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境也提出了相對(duì)較高的標(biāo)準(zhǔn)。例如，在分辨率方面，超高清視頻本身具備4K（3840×2160）的超強(qiáng)分辨率，而4k格式像素是傳統(tǒng)高清像素的4倍以上;而在色域方面來(lái)講，超高清視頻的標(biāo)準(zhǔn)與rec2020的標(biāo)準(zhǔn)相符合，其在色彩量方面是高清的2倍以上;而從量化深度角度來(lái)說(shuō)，其逐漸由傳統(tǒng)的8bit提升到現(xiàn)階段的10bit，同時(shí)圖像本身的明暗層次而擴(kuò)大了至少3倍以上;幀率也相應(yīng)的強(qiáng)化到了50f/s以上。

經(jīng)由視頻編碼結(jié)束之后，超高清攝像機(jī)的視頻比特率至少達(dá)到了60Mb/s之上，必須在相對(duì)較高的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行。這也意味著，未來(lái)5G技術(shù)廣泛應(yīng)用在商業(yè)方面，將成為未來(lái)4K超高清視頻直播領(lǐng)域的重要推動(dòng)力。

為了保障演播車極為部署的靈活性要求被滿足，因此某集團(tuán)針對(duì)5G+演播廳的組網(wǎng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)和構(gòu)建，實(shí)際情況如下圖2所示。

本次方案設(shè)計(jì)通過(guò)在演播廳內(nèi)部，進(jìn)行小型核心網(wǎng)的構(gòu)建，并與接入終端、車載宏站等共同構(gòu)建出移動(dòng)專網(wǎng)。而對(duì)應(yīng)的制作設(shè)備、外場(chǎng)直播等，可以借由5G-CPE接入設(shè)備，經(jīng)由無(wú)線連接的形式，來(lái)將其相應(yīng)連接到有源天線處理單元中。同時(shí)有關(guān)數(shù)據(jù)、信號(hào)等則經(jīng)過(guò)基帶處理單元的處理，相應(yīng)的進(jìn)入到5G核心網(wǎng)當(dāng)中[11]。

依托核心網(wǎng)的使用，可以保障數(shù)據(jù)、信號(hào)等，有序進(jìn)入到直播車內(nèi)的各個(gè)直播系統(tǒng)當(dāng)中，例如總控制臺(tái)、解碼系統(tǒng)等，通過(guò)這樣的方式構(gòu)建起一整套以5G技術(shù)為核心的應(yīng)用媒體體系，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將原有的核心網(wǎng)用戶面UPF相應(yīng)的下沉到直播車當(dāng)中，并最后通過(guò)攝像機(jī)視頻流量的形式展開(kāi)媒體轉(zhuǎn)發(fā)。視頻流不需要經(jīng)過(guò)原有的核心網(wǎng)，就可以充分達(dá)成直播車、終端之間的數(shù)據(jù)交互行為，以此來(lái)為新式場(chǎng)景、新式業(yè)務(wù)等提供高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的端到端網(wǎng)絡(luò)通信連接。而技術(shù)方案的設(shè)計(jì)，則將5G專網(wǎng)為核心，提供具備較高質(zhì)量、隔離性的可保障端到端網(wǎng)絡(luò)，以此來(lái)確保實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景需求得以滿足。

三、結(jié)束語(yǔ)

在4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，大部分通信業(yè)務(wù)都會(huì)運(yùn)行在一個(gè)完全相同的通信系統(tǒng)當(dāng)中。一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞的情況，則有關(guān)業(yè)務(wù)很難獲得充分的資源，這將導(dǎo)致實(shí)際業(yè)務(wù)質(zhì)量逐漸降低。而在當(dāng)前的5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，由于NFV技術(shù)、端到端網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通信技術(shù)不僅能夠保障充分的安全性，同樣在運(yùn)營(yíng)可靠性、獨(dú)立運(yùn)維性等方面，獲得了跨越性的升級(jí)，通過(guò)這樣的方式保障通信網(wǎng)絡(luò)，能夠從傳統(tǒng)的“應(yīng)用適配網(wǎng)絡(luò)”的4G時(shí)代，逐漸演化為如今的應(yīng)用決定網(wǎng)絡(luò)的5G時(shí)代。

能否做到與垂直行業(yè)互相融合，將是未來(lái)5G發(fā)展過(guò)程的關(guān)鍵所在，為了切實(shí)達(dá)到多元化賦能標(biāo)準(zhǔn)，本文建議以邊緣計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)切片等作為基本框架，并按照行業(yè)的基礎(chǔ)要求，有選擇、有目的性的展開(kāi)性能優(yōu)化。同時(shí)在未來(lái)的5G車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，大力推動(dòng)URLLC技術(shù)的發(fā)展和延伸，以此來(lái)達(dá)到未來(lái)自動(dòng)駕駛場(chǎng)景業(yè)務(wù)連續(xù)、低時(shí)延的基本需求。強(qiáng)化推動(dòng)5G硬核能力的基礎(chǔ)構(gòu)建，并構(gòu)建出具備低時(shí)延、高開(kāi)放、高穩(wěn)定性的基礎(chǔ)特征，保障其具備基本垂直行業(yè)的基本能力，通過(guò)這樣的方式強(qiáng)化垂直行業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)變革，以此來(lái)達(dá)成5G社會(huì)轉(zhuǎn)變的目標(biāo)。

作者單位：賀麗杰? ? 中國(guó)電信股份有限公司北京分公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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