基于5G移動(dòng)通信技術(shù)的核心網(wǎng)架構(gòu)研究

袁文學(xué)

（廣西通信規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引 言

21 世紀(jì)以來(lái)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)快速發(fā)展，促進(jìn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)持續(xù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用進(jìn)程，提升了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)品質(zhì)，逐漸成為各大移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)公司業(yè)務(wù)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。近年來(lái)，5G 核心網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)內(nèi)獲得了肯定與青睞。國(guó)際組織在召開(kāi)相關(guān)會(huì)議時(shí)也明確提出把服務(wù)化架構(gòu)（Service Based Architecture，SBA）作為5G 核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)架構(gòu)[1]。SBA 架構(gòu)運(yùn)作期間能夠輔助提升網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性，拓展新業(yè)務(wù)，提高資源利用率。

1 5G 移動(dòng)通信技術(shù)

5G 移動(dòng)通信技術(shù)是最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，也是4G 移動(dòng)通信技術(shù)的延伸，具備高速率、低時(shí)延以及大連接等特點(diǎn)。5G 移動(dòng)通信作為移動(dòng)設(shè)備之間先進(jìn)的通信模式，能夠顯著改善用戶的主觀體驗(yàn)，確保網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母咚傩?，在很大程度上也體現(xiàn)出一個(gè)國(guó)家的科技實(shí)力[2]。

與4G 移動(dòng)通信技術(shù)相比，5G 移動(dòng)通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度更快，5G 移動(dòng)通信基站的峰值速率可以達(dá)到下行鏈路20 Gb/s 和上行鏈路10 Gb/s。伴隨高新技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，5G 移動(dòng)通信技術(shù)的峰值速度將會(huì)有更大的提升[3]。當(dāng)前5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣泛覆蓋，未來(lái)需要進(jìn)行更高品質(zhì)的深度覆蓋。5G 移動(dòng)通信技術(shù)支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，能夠?yàn)閺V大用戶帶來(lái)良好的體驗(yàn)，提高其主觀滿意度，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的普及起到明顯的促進(jìn)作用。現(xiàn)實(shí)生活中，140 ms 的時(shí)延能滿足大部分群體使用網(wǎng)絡(luò)的需求，但這個(gè)時(shí)延在無(wú)人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)的適用性很差。5G 移動(dòng)通信技術(shù)的極限時(shí)延為1 ms，較好地滿足了以上領(lǐng)域的發(fā)展需求[4]。

2 5G 核心網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)用中面對(duì)的主要挑戰(zhàn)

2.1 三大場(chǎng)景及其需求有差別

5G 的主要應(yīng)用場(chǎng)景有3 個(gè)，分別是增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、海量機(jī)器類通信（massive Machine Type Communication，mMTC）、超可靠低時(shí)延通信（ultra Reliable and Low Latency Communications，uRLLC）。需求場(chǎng)景及各自的重要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示[5]。

表1 3 大應(yīng)用場(chǎng)景的需求與重要技術(shù)指標(biāo)

5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需求呈現(xiàn)出多樣化特征。eMBB、mMTC、uRLLC 這3 類應(yīng)用場(chǎng)景的需求和重要指標(biāo)存在著差異，甚至在一些場(chǎng)景下出現(xiàn)矛盾，此時(shí)創(chuàng)建單一網(wǎng)絡(luò)很難發(fā)揮良好的支撐作用。5G 核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)建設(shè)與應(yīng)用過(guò)程中會(huì)遇到諸多挑戰(zhàn)與阻礙。

2.2 用戶平面與控制平面分離不夠徹底

移動(dòng)通信由過(guò)去的通用分組無(wú)線服務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）發(fā)展至演進(jìn)的分組核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC），同時(shí)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)完善過(guò)程中形成的新體系架構(gòu)表現(xiàn)出較高的相似度。在某個(gè)角度上，其依然表現(xiàn)出控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離狀態(tài)，但是二者的分離不夠徹底，如EPC 架構(gòu)內(nèi)的移動(dòng)性管理實(shí)體（Mobility Management Entity，MME）、策略計(jì)費(fèi)和規(guī)則功能（Policy and Charging Rule Function，PCRF）均是純控制平面內(nèi)經(jīng)典的網(wǎng)元類型，但服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving Gate Way，S-GW）、PDN 網(wǎng)關(guān)（PDN Gate Way，P-GW）等主體網(wǎng)元在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)依然要兼顧局部控制平面功能的發(fā)揮情況。以上這種情況是造成網(wǎng)絡(luò)控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面不能完全分離的主要原因，進(jìn)而導(dǎo)致處理時(shí)延增加、網(wǎng)絡(luò)靈敏度降低等問(wèn)題[6]。

以eMBB 場(chǎng)景為例進(jìn)行分析，eMBB 場(chǎng)景下不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求與組網(wǎng)形式見(jiàn)表2。

表2 eMBB 下不同場(chǎng)景的組網(wǎng)形式及需求

2.3 軟件與硬件之間的緊密耦合

各大運(yùn)營(yíng)商基于大型專屬硬件設(shè)備持續(xù)升級(jí)移動(dòng)通信服務(wù)，而新業(yè)務(wù)會(huì)使運(yùn)營(yíng)商在硬件建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)及升級(jí)等方面遇到挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)投入一項(xiàng)新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí)，要將和其相配套的硬件設(shè)備接入既有的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)軟件與硬件之間的緊密耦合，不僅會(huì)增加設(shè)備的投資成本，還會(huì)提高后期維護(hù)的復(fù)雜度。

3 5G 時(shí)代核心網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

5G 系統(tǒng)架構(gòu)（5G System Architecture，5GS）設(shè)計(jì)的核心部分主要集中在頂層、核心網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)3 大方面，其中頂層和核心網(wǎng)被公認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)核心架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目。架構(gòu)與核心網(wǎng)設(shè)計(jì)同屬于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)管理的范疇，也是通信產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)發(fā)展過(guò)程中關(guān)注的一大焦點(diǎn)。5G 通信實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展及應(yīng)用的目標(biāo)是一個(gè)相對(duì)漫長(zhǎng)的過(guò)程，需要處理好系統(tǒng)架構(gòu)、程序、接口、漫游及其和既有網(wǎng)絡(luò)的兼容關(guān)系。設(shè)計(jì)5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時(shí)要遵循以下原則[7]。

（1）剛性逐漸發(fā)展成為柔性，即從前期運(yùn)用網(wǎng)元可靠固定連接的固定網(wǎng)絡(luò)順利轉(zhuǎn)變成由網(wǎng)元部署成的動(dòng)態(tài)網(wǎng)。

（2）移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)化、IP 化，融合IT 網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重構(gòu)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。

（3）創(chuàng)建集中/分布的智能處理系統(tǒng)，集中優(yōu)化并調(diào)度各項(xiàng)使用功能，進(jìn)而為大客戶提供垂直的定制化增值服務(wù)項(xiàng)目，增加單位時(shí)間內(nèi)用戶的網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 SDN

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）從本質(zhì)上講是一種創(chuàng)新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠有效分離網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的控制平面和數(shù)據(jù)平面，進(jìn)而運(yùn)用集中控制器內(nèi)的軟件平臺(tái)通過(guò)編程形式控制底層硬件，能按需靈活調(diào)配網(wǎng)絡(luò)資源。和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，SDN 技術(shù)的主要特征集中在以下2 個(gè)方面：一是徹底分離控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面，且二者之間的接口符合網(wǎng)絡(luò)在開(kāi)放性與可編程性方面提出的要求；二是控制平面運(yùn)作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)集中化處理。SDN 組網(wǎng)原理如圖1 所示。

圖1 SDN 組網(wǎng)原理

3.2.2 NFV

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)軟件與硬件設(shè)備之間出現(xiàn)解耦狀況時(shí)，相互之間的依賴度隨之降低，利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）能夠?qū)崿F(xiàn)軟硬件資源的解耦與軟件功能的抽象。云計(jì)算與虛擬化是NFV 技術(shù)發(fā)揮作用的基礎(chǔ)，虛擬化技術(shù)最大的功能是將通用型平臺(tái)上的運(yùn)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)施細(xì)分成多樣化的虛擬資源，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和硬件之間的成功解耦。云計(jì)算能使網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)用時(shí)更具彈性，精準(zhǔn)匹配資源和業(yè)務(wù)負(fù)荷，提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率，保障系統(tǒng)的快速響應(yīng)[8]。

3.2.3 SBA

為了增強(qiáng)對(duì)5G 移動(dòng)通信應(yīng)用場(chǎng)景的適應(yīng)性，可以嘗試基于SBA 設(shè)計(jì)5G 核心網(wǎng)架構(gòu)。SBA 技術(shù)最大的功能是將過(guò)去具備多種功能的網(wǎng)元拆分成數(shù)個(gè)具備專屬功能的網(wǎng)元，各網(wǎng)元均能提供相應(yīng)的微服務(wù)項(xiàng)目[9]。運(yùn)用SBA 對(duì)網(wǎng)元功能進(jìn)行模塊化解耦，能顯著提高組網(wǎng)的靈活度。5G 核心網(wǎng)SBA 架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 5G 核心網(wǎng)SBA 架構(gòu)

3.2.4 網(wǎng)絡(luò)切片

面對(duì)廣大網(wǎng)絡(luò)用戶在業(yè)務(wù)流量方面提出的差異化需求，核心網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)切片能有效對(duì)接無(wú)線接入網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的應(yīng)用原理是在同個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)上成功建設(shè)出多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，依次對(duì)eMBB、mMTC 與uRLLC這3 個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景起到良好的支撐作用。通過(guò)在同張物理網(wǎng)上規(guī)劃多個(gè)虛擬的專用邏輯網(wǎng)架構(gòu)，提供端到端、按需定制項(xiàng)目服務(wù)，可以更好地滿足大環(huán)境下多元化的通信需求[10]。

4 結(jié) 論

綜合分析5G 移動(dòng)通信3 大應(yīng)用場(chǎng)景的需求與重要技術(shù)指標(biāo)差別，明確當(dāng)前5G 核心網(wǎng)架構(gòu)面對(duì)的主要挑戰(zhàn)，探討5G 核心網(wǎng)架構(gòu)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)。合理應(yīng)用SDN 與NFV 技術(shù)有助于增強(qiáng)5G 核心網(wǎng)架構(gòu)的靈活性，在SBA 技術(shù)的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、優(yōu)化，從而更好地滿足5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下可靠運(yùn)作的現(xiàn)實(shí)需求，提高其社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。