5G移動網(wǎng)絡通信技術的核心網(wǎng)架構分析

中國移動通信集團安徽有限公司 何夢靖

目前我國已經(jīng)進入了互聯(lián)網(wǎng)時代，5G移動通信技術、軟交換技術的應用范圍逐漸增加。由于網(wǎng)絡科技的發(fā)展速度很快，加強了對移動數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)新技術的不斷研究與運用，同時提升了移動網(wǎng)絡服務的整體品質，這也形成了各大移動互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)迅速發(fā)展壯大的重要基石，同時5G移動網(wǎng)絡通信技術也是市場實力的最主要表現(xiàn)，所以加強對5G移動互聯(lián)網(wǎng)的建立與發(fā)展，并且對其核心網(wǎng)結構進行科學合理的構建，具有很高的技術要求。本文對5G移動網(wǎng)絡通信技術的核心網(wǎng)架構進行分析和闡述，并給出相應的策略，以期對相關人員有所幫助。

1 5G移動通信技術簡介

1.1 5G移動通信技術發(fā)展背景

近年來，5G移動通信技術一直是通信行業(yè)與學術界的熱門討論話題[1]。之所以5G移動通信技術可以問世，主要是因為兩方面原因，一方面是4G移動通信網(wǎng)絡系統(tǒng)已經(jīng)完成普及，商用、家用日益穩(wěn)定，在社會原因的驅使下，使得5G移動通信技術研究成為技術人員的工作內容；另一方面是由于社會的發(fā)展，使得民眾的移動數(shù)據(jù)需求不斷提升，為保證通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，技術人員必須研究出新的移動通信技術。服務器與應用方式越來越多，在2018年，全球移動用戶高達90億，在那時移動通信網(wǎng)絡就需要有一個非常高的容量，然后截至今年年底，移動通信網(wǎng)絡容量增長1000倍左右，這就使得網(wǎng)絡運行成為了工作人員的重點關注內容。首先按照這一網(wǎng)絡發(fā)展速度，容量的大幅度增長會提高網(wǎng)絡能耗與比特成本，通信工程企業(yè)無力負擔；其次當流量增長后，頻譜必然會發(fā)生改變，只有這樣才可以保證通信網(wǎng)絡的穩(wěn)定，為了保證用戶的使用體驗，必須對網(wǎng)絡使用流程進行優(yōu)化。基于此，開展5G移動通信技術研究工作成為了工作人員的重點工作內容。

1.2 5G移動通信技術概念

目前5G移動通信技術正處于研究當中，與前幾個移動網(wǎng)絡技術相比，5G移動通信網(wǎng)絡技術速度更快，通信質量更高，覆蓋區(qū)域更高。但是在進行信息傳播時，損耗更大，實現(xiàn)全覆蓋需要花費更多的資金。并且5G移動通信技術的運行基礎是MIMO與波束聚合。

經(jīng)調查發(fā)現(xiàn)，目前陸續(xù)有17個國家獲得了5G移動通信商用牌照。分析相關資料可知，5G移動通信技術傳輸波為毫米波，頻率交款，并且為連續(xù)性頻譜，但是衍射與繞射能力較弱[2]。因此為了提高實際應用效果，技術人員應嘗試將天線與波束聚合技術結合在一起，進一步擴大5G覆蓋范圍。技術人員對5G移動通信技術更為嚴格，導致此技術具有更高的靈活性，可以進一步提高用戶實際體驗，也證明5G移動通信具有非常大的發(fā)展空間。

2 5G移動通信核心網(wǎng)架構分析

為更多地適應使用者和行業(yè)的發(fā)展，要徹底改變原來網(wǎng)絡設備和結構的固化問題，可通過一個軟件定義去中心化網(wǎng)絡結構SoftNet，完成對5G移動網(wǎng)絡結構的智能自定義，動態(tài)激發(fā)和靈活的組織部署5G計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的功能，完成網(wǎng)關錨點的動態(tài)分發(fā)和網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一調配，從而更多地提高5G移動網(wǎng)絡資源的效率[3]。

2.1 設計原則

在5G移動通信核心網(wǎng)架構設計的過程中，需要遵循如下宗旨與準則。

2.1.1 適應性

針對各種特征的通信場合，需要通過軟件系統(tǒng)確定去中心化的基礎網(wǎng)絡結構，以便于移動的應對各種類型的通訊場合，從而增強對5G移動互聯(lián)網(wǎng)的適應性與功能。

2.1.2 高效性

通過使用軟件定義去集中的核心網(wǎng)絡結構，可以有效提高5G移動網(wǎng)絡資源的使用率，同時避免并克服了高額信令費用、低效數(shù)據(jù)轉發(fā)和高數(shù)據(jù)傳輸時延的問題。

2.1.3 可擴展性

通過引入軟件定義去中心化的核心網(wǎng)絡結構系統(tǒng)，能夠靈活快捷地提供全新服務，適應5G移動互聯(lián)網(wǎng)升級的需要，實現(xiàn)新服務的高速敏捷配置與迅速反應。

2.1.4 簡化功能

5G手機網(wǎng)絡中心網(wǎng)的軟件定義去中心化結構，提供支持移動性網(wǎng)絡管理以及交換隧道管理工作，并且通過大規(guī)模的網(wǎng)元功能和通信技術為基礎，能夠進行5G手機網(wǎng)絡系統(tǒng)的功能簡單化，從而減少了5G手機網(wǎng)絡系統(tǒng)功能冗余處理的問題。

2.2 5G移動通信技術的特點

由于4G移動通信網(wǎng)絡科學技術的應用，人類對互聯(lián)網(wǎng)信息技術的需求也愈來愈高，而4G移動通信科技也已不再適應當前人類的生活需要。因此新一代的行動通訊科技也亟需被發(fā)展。而5G就在此時出現(xiàn)了，并對其研究與實踐都提到了最高的關注地位，而5G移動通信技術將更加關注于使用者的生活體驗情況，對互聯(lián)網(wǎng)的廣域覆蓋將有著更加重要的科技要求，其通訊功效充分發(fā)揮的情況將是4G的數(shù)倍，在各個方面都比較突出。由于5G移動通信技術的功率損耗相對較少，可以提高智能設備發(fā)展的速度，也大大提高了在互聯(lián)網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐〞承?，而且，由?G移動通信技術有著相對較低的時延特性，再加上高端的特點，使其在總體上的優(yōu)越性更加突出，所以，5G技術發(fā)展將成為中國未來十幾年中的主導互聯(lián)網(wǎng)趨勢。

3 5G移動網(wǎng)絡新技術的應用分析

3.1 網(wǎng)絡功能虛擬化技術

5G在移動互聯(lián)網(wǎng)中的NFV技術也是重要的核心技術，大致包括有如下[4]：

3.1.1 網(wǎng)絡功能虛擬化組件（NFVI)

由虛擬機和服務器設備等物理數(shù)據(jù)信息資源實現(xiàn)對具體功能模組的包裝和支撐，從而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的底層傳送、儲存和運算方面的資源支持。

3.1.2 NFV編排管理

要合理定義所需要的各個VNF的數(shù)量和連接關系，明確了各個VNF在業(yè)務鏈中的排列方法，并利用底層NFVI構造業(yè)務鏈，較好地完成對某個切片網(wǎng)絡系統(tǒng)的具體控制功能，并完成了對網(wǎng)絡資源的移動性管理工作。

3.2 5G切片中的高速通信技術、

3.2.1 基于硬件OVS的虛擬機數(shù)據(jù)轉發(fā)

由于采用軟件OVS的數(shù)據(jù)信息交換技術無法適應低端到端時延、低功耗的傳輸要求，且包頭分析功能模塊中對嵌套幀的分析過程也較為復雜，因此，需要引進采用硬件OVS的虛擬主機數(shù)據(jù)信息交換，并利用FPGA開發(fā)板的以太網(wǎng)光端口和PCIe端口實現(xiàn)硬件交換，其能力模板中一般包含有：

（1）安全管理模塊。該模型還擁有對數(shù)據(jù)包和流控制指令的區(qū)分功能，可從主控層經(jīng)PCIe到硬件交換層，對數(shù)據(jù)包和流表模塊指令等下游數(shù)據(jù)信息實現(xiàn)新的包裝和負載，從硬件交換層經(jīng)PCIe到主控層，對上行數(shù)據(jù)實現(xiàn)信息讀取和傳輸。

（2）流表模塊。一般負責對流表項的管理維護，包含對流表項的添加、撤銷、查找和編輯等，以及通過對關鍵字實現(xiàn)與流表項匹配，可以較好地優(yōu)化流表結構和匹配方法。

（3）控制模塊。以對流表模塊提供的控制地址信號作為控制，以實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的字段編輯、丟失、轉送等。

（4）發(fā)送模塊。一般是把經(jīng)過操作模塊更改的數(shù)據(jù)包發(fā)送到相應的接口。

（5）PCIe數(shù)據(jù)分發(fā)功能。本模型主要實現(xiàn)回復指令與數(shù)據(jù)消息的分離，并利用PCIe接口實現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)消息的傳遞，可以對大量數(shù)據(jù)消息做出優(yōu)先選取，并使其加入到PCIe通道口的隊列狀態(tài)，從而實現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)消息的傳送。

3.2.2 硬件OVS在中國5G移動互聯(lián)網(wǎng)中的運用

為滿足覆蓋的多使用場合、多服務需要，可通過硬件OVS減少了大量數(shù)據(jù)包在虛擬化機內部的轉發(fā)時延，并完成了硬件轉發(fā)層面的流表監(jiān)控、流表緩存和驅動管理工作，還能夠通過把硬件OVS內嵌到5G移動互聯(lián)網(wǎng)的DU處，完成對5G前傳網(wǎng)接入流量在切片內各個虛擬化機的疏導與傳輸。以合理劃分各種各樣的服務，并實現(xiàn)對各種服務的定制化管理工作，從而有效提高了CU中虛擬機器之間各種數(shù)據(jù)的交換效果。

4 5G移動通信技術的核心網(wǎng)構架

5G移動通信網(wǎng)絡是目前發(fā)展的主導趨勢。在國際上，已經(jīng)對此項網(wǎng)絡關鍵技術進行了大量的分析與研討。首先是5G的核心網(wǎng)框架結構課題，對5G關鍵技術的實際應用和發(fā)展，與國際中有關的組織進行了系統(tǒng)有效的分析與研討，并組建了專業(yè)的科研組織，同時配備了對國外中最先進的網(wǎng)絡工程師開展工作的全面跟蹤，以逐步的攻克技術性的難點。

5G移動通信網(wǎng)絡的探索，世界中不同國度的研究工作者將從多目標、多方位角度實現(xiàn)項目的重大突破。主要涉及研究框架劃分和整合、頻率波動理論和技術方面的探索。針對中國5G移動通信網(wǎng)絡的空間結構進行了技術性的研究，對一些較核心的關鍵技術，目前已經(jīng)實現(xiàn)了有效的攻克，同時也提升了中國工程技術人員的認識層次和水平。以爭取在未來的實際應用中，占有一席之地。

5G移動通訊網(wǎng)絡技術是將多種互聯(lián)網(wǎng)技術相結合的過程，將互聯(lián)網(wǎng)技術進行了劃分、壓縮并且完成進一步的重構，這一過程中必須不斷地進行實驗推論，并且完成對各種數(shù)據(jù)的匯總與數(shù)據(jù)分析，并由此來形成了一個更加完善的網(wǎng)絡模型。而目前，關于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡與IP網(wǎng)址的修改，對傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)運行方式而言是根本無法實現(xiàn)改變上網(wǎng)頻率的，因為核心網(wǎng)的架構下整個頻率都相當?shù)?，?G移動網(wǎng)絡的IP網(wǎng)址則是要求更強大的運算能力處理器才可以完成，所以為提高通信的穩(wěn)定性，減少對上網(wǎng)成本的耗費，就必須進一步實現(xiàn)通信的技術優(yōu)化，從而縮短信息傳遞的流程，并完善連接過程。在中國5G移動通信互聯(lián)網(wǎng)的實際應用過程中，必須突破中國傳統(tǒng)操作的時間限制，互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新技術必須是具備獨立性的，并且可以為中國社會互聯(lián)網(wǎng)事業(yè)長期而穩(wěn)健地發(fā)展創(chuàng)造更有利的技術條件。

5 5G時代虛擬化核心網(wǎng)的組網(wǎng)結構演進

5G時代網(wǎng)絡技術已經(jīng)完成了個人和業(yè)務之間的過渡，但在這個環(huán)境下，核心網(wǎng)要繼續(xù)發(fā)展才能夠滿足對更高流量的不同要求，以適應人們的各種服務體驗。

5.1 核心網(wǎng)NFV

NFV作為網(wǎng)絡技術功能虛擬性結構，它是指由于采用虛幻化的軟件手段，完成與傳統(tǒng)網(wǎng)元相互之間的軟硬解耦，這樣一來各個廠商的軟件系統(tǒng)就能夠在相同的虛幻化基礎設施上工作了，它有著更加明顯的優(yōu)越性，不但能夠有效地減少運營商總體的CAPEX/OPEX，而且還能夠更有效地減少了新服務和相關業(yè)務對于市場的投入時間，從一定程度上提高了結構的總體靈活性，從而達到了彈性結構。使用更加開放性的虛擬化應用，以及純軟件應用平臺實現(xiàn)了服務與功能間的差異化要求，從而有效地減少了與服務創(chuàng)新相比的研發(fā)部署成本。

5G時代中，NFV是今后互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要手段，能夠給基礎通訊系統(tǒng)帶來保障。核心網(wǎng)虛擬化技術是一種NFV在移動核心網(wǎng)中的實際運用技術，它最大的目標是利用高度標準化的x86服務器進行資料儲存和數(shù)據(jù)交換，以取代原來的網(wǎng)絡系統(tǒng)中的專用網(wǎng)元，利用這些設備能夠節(jié)約大量資金，經(jīng)過軟硬件解耦以后的網(wǎng)絡能夠更高效地進行網(wǎng)絡資源間的靈活共用，從而促進了行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，也實現(xiàn)了行業(yè)之間的高效部署。

5.2 網(wǎng)絡切片部署策略

根據(jù)標準的具體完善程度了解產(chǎn)品的功能情況，并分析應用需要，在提供網(wǎng)上切片部署工作的過程中能夠完成單區(qū)域和跨地區(qū)之間的部署工作，從核心上網(wǎng)逐漸進一步發(fā)展至無線、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢妙I域。切片服務類型也能夠從eMBB服務逐漸進一步發(fā)展至uRLLC/mIoT，隨著需求量的擴大，其切塊系統(tǒng)設計能夠根據(jù)運營商完成自己的產(chǎn)品設計，開放切塊服務能力，并經(jīng)過基本的切塊分配管理工作或者生命周期化管理，完成自動化的調度管理工作，能夠針對各種場合，選擇各種方法。運營商與個別用戶切塊相互之間能夠提供AMF/PCF/UDM/NRF共享，但不同類型的切塊相互之間存在著差異的SMF/UPF；由于與運營商統(tǒng)一管理，靈活性地提供管理切片間的戰(zhàn)略，切片雙方采用了一致的用戶訂單信息。而公司專網(wǎng)切片場景則是由于AMF/UDM/NRF的共用，能夠在SMF/UPF/PCF中的各個切片相互之間獨自部署，在切片中也能夠部署相對單一的管理策略，因此各種類型的切片能夠為各種類型的服務間的路由，選擇了較為獨特的管理戰(zhàn)略。

6 結語

綜上所述，只有通過將5G移動通信網(wǎng)絡新技術機器核心網(wǎng)絡結構加以更細致的剖析與研發(fā)，才能夠促進實際技術的開發(fā)與推廣，而隨著人類社會對移動通信網(wǎng)絡技術的需求日益增加，5G移通信網(wǎng)絡將會對人類未來的科技發(fā)展加以合理的鋪墊，進而提高了人類應用互聯(lián)網(wǎng)的效能與速率，在大數(shù)據(jù)的管理上也可以更加有效地實現(xiàn)目標，并最終促進人類社會的通訊科技的發(fā)展。

引用

[1]許莎佳.5G移動網(wǎng)絡通信技術的核心網(wǎng)架構分析[J].信息通信,2018(10):224-225.

[2]李秋偉,劉帥.聯(lián)通5G網(wǎng)絡通信技術及核心網(wǎng)架構研究[J].電子技術與軟件工程,2021(2):36-37.

[3]賴光何.5G移動網(wǎng)絡新技術及核心網(wǎng)架構的幾點思考[J].信息通信,2020(3):245-246.

[4]李斌,許鳳麗,劉瑞,等.聯(lián)通5G網(wǎng)絡通信技術及核心網(wǎng)架構研究[J].信息與電腦(理論版),2020,32(3):139-141.