5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及核心網(wǎng)架構(gòu)研究

朱文雄

（廣東南方電信規(guī)劃咨詢設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 深圳 518038）

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展迅速，5G 通信技術(shù)在我國多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的深度和廣度不斷加深，應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大，推動(dòng)了我國網(wǎng)絡(luò)科技領(lǐng)域的技術(shù)更新和發(fā)展。為進(jìn)一步保障5G 通信技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量，需要全面建立和完善移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，其中核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)始終占據(jù)重要地位，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和框架構(gòu)建等方面需保持更高水平，文章針對5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及核心網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行專題研究和分析具有重要意義。

1 5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)概述及主要發(fā)展背景

1.1 5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

當(dāng)前，我國的5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)仍處于發(fā)展和研究階段，與2G、3G、4G 等多種類型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的信息傳播速度更快、通信效率水平更高、網(wǎng)絡(luò)通信傳播、覆蓋區(qū)域更廣泛。但是，應(yīng)用5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行信息傳播和溝通，需要損耗更多資源和能源，為保障5G全覆蓋，需要投入更多建設(shè)資金和成本。多入多出技術(shù)（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）和波束聚合技術(shù)是5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的運(yùn)行基礎(chǔ)。

當(dāng)前，世界上將近20 個(gè)國家已經(jīng)獲得了5G 移動(dòng)通信商用牌照。從5G 通信技術(shù)的應(yīng)用方面看，該技術(shù)的傳輸波為毫米波，且體現(xiàn)為連續(xù)性頻譜，雖然運(yùn)行穩(wěn)定性和通信質(zhì)量水平高，但是技術(shù)衍射和繞射能力相對較弱，因此很多專業(yè)研究人員將5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和波束聚合技術(shù)緊密聯(lián)系，以實(shí)現(xiàn)5G 技術(shù)覆蓋范圍的擴(kuò)大和信號(hào)覆蓋廣度的加深，全面推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的全方位發(fā)展和進(jìn)步[1]。

1.2 5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展背景

近年來，5G 技術(shù)成為了我國通信領(lǐng)域和學(xué)術(shù)領(lǐng)域廣泛關(guān)注并討論的熱點(diǎn)話題之一。不論是商業(yè)應(yīng)用還是家庭應(yīng)用，4G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的運(yùn)行越發(fā)穩(wěn)定，但是該技術(shù)逐漸與社會(huì)發(fā)展和通信需求之間出現(xiàn)了不匹配情況，對此5G 以其更高水平的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，成為了眾多研究人員的工作重點(diǎn)研究對象。當(dāng)前，時(shí)代社會(huì)飛速發(fā)展，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)用越發(fā)普遍，移動(dòng)數(shù)據(jù)的通信需求也大幅度增加。為了保障現(xiàn)有通信系統(tǒng)的平穩(wěn)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，需要積極應(yīng)用更高水平的移動(dòng)通信技術(shù)，提升信號(hào)覆蓋率，加速通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的建設(shè)。5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)大幅度提高了通信效率，與全面增長的網(wǎng)絡(luò)通信容量更加匹配，避免網(wǎng)絡(luò)能耗增加，導(dǎo)致通信工程企業(yè)無力負(fù)擔(dān)。與此同時(shí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信流量大幅度增長，其原有頻譜也會(huì)發(fā)生必要的變化，因此為保障通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，可以應(yīng)用5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)使用流程，改善用戶體驗(yàn)效果。

2 5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)主要類型

2.1 超密集異構(gòu)結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，移動(dòng)通信和網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)流量大幅度提升，不僅需要增加頻譜帶寬和頻譜利用率，更應(yīng)該擴(kuò)增無線系統(tǒng)容量。如果直接以傳統(tǒng)類型小區(qū)分裂形式減小小區(qū)半徑，實(shí)現(xiàn)加密部署和空間復(fù)用度提升，那么其整體效率相對較低，且在一定程度上無法真正實(shí)現(xiàn)小區(qū)分裂，對此可以直接應(yīng)用超密集組網(wǎng)形式設(shè)置熱點(diǎn)區(qū)域，部署低功率小基站。此類超密集組網(wǎng)和超密集異構(gòu)結(jié)構(gòu)，更加符合5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)。超密集異構(gòu)結(jié)構(gòu)發(fā)揮了低功率密度節(jié)點(diǎn)優(yōu)勢價(jià)值，既保障了5G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，又提高了無線技術(shù)的傳輸水平，實(shí)現(xiàn)了更加個(gè)性化且多功能的服務(wù)類型。構(gòu)建超密度異構(gòu)體結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，能夠大幅度打破以往4G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用過程中的局限性，大幅度縮短了通信終端與通信節(jié)點(diǎn)之間的距離，全面提高通信質(zhì)量水平[2]。

2.2 MIMO 技術(shù)

將MIMO 技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域可以有效提升系統(tǒng)容量，拓展系統(tǒng)和移動(dòng)信號(hào)覆蓋范圍。MIMO技術(shù)如圖1 所示，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)天線的接收及發(fā)送信號(hào)，并且針對不同空間方位和傳輸路徑的信號(hào)能夠進(jìn)行區(qū)分，在不占用帶寬的前提下可以有效提升系統(tǒng)容量和信噪比水平。但是值得注意的是，MIMO 技術(shù)復(fù)雜程度高，如果信號(hào)接收或發(fā)送過程中出現(xiàn)問題，則很容易導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用和通信效果受到影響，對此如何開發(fā)與應(yīng)用MIMO 技術(shù)成為了5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域的核心要點(diǎn)之一。

圖1 MIMO 技術(shù)

2.3 全雙工無線通信技術(shù)

全雙工無線通信技術(shù)區(qū)別于單工通信技術(shù)，二者主要差距在于信號(hào)傳輸方向，雙工無線通信技術(shù)中信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。當(dāng)前，我國5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)研究領(lǐng)域中將全雙工通信技術(shù)作為研究熱點(diǎn)之一，該技術(shù)在理論層面中能夠提升頻譜利用效率，同時(shí)可以進(jìn)一步緩解信息技術(shù)應(yīng)用過程中出現(xiàn)的頻譜資源短缺問題。例如，以往傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的半雙工通信技術(shù)，其自身通信渠道容量相對較小，此類缺陷難以有效解決，而應(yīng)用全雙工通信技術(shù)再加上其自干擾消除技術(shù)，可以有效提升網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)的接收效率和信息傳輸水平。

2.4 毫米波頻段通信技術(shù)

當(dāng)前5G頻段主要可以分為SUB-6 GHz和毫米波，前者多頻段相對于擁擠且不同電子設(shè)備容易造成相互之間的干擾，而后者頻段信號(hào)帶寬更強(qiáng)、信道容量更大、通信效率更高，同時(shí)能夠提供遠(yuǎn)超全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）精度的定位服務(wù)。毫米波頻段通信技術(shù)在應(yīng)用過程中也存在諸多缺陷，例如毫米波的露損和雨衰，毫米波信號(hào)在空間范圍內(nèi)的傳播頻率與衰減成正比，甚至其衰減效果更高。因此，如何提高毫米波信號(hào)傳輸效率是5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中的重大挑戰(zhàn)之一[3]。

3 5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)核心網(wǎng)架構(gòu)分析

3.1 核心網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)原則

為了進(jìn)一步適應(yīng)5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在各行業(yè)領(lǐng)域和不同使用功能需求基礎(chǔ)上的全方位拓展，需要打破以往4G 時(shí)代中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和核心網(wǎng)架構(gòu)方面的固化問題，重新搭建5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的核心網(wǎng)架構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)資源傳播效率。因此，開展核心網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)需要遵從適應(yīng)性、高效性、拓展性以及簡化性4 大原則。

適應(yīng)性原則需要不斷提升5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在不同通信場合和不同應(yīng)用區(qū)間中的應(yīng)用效果，可以結(jié)合軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)去中心化，以適應(yīng)不同通信場合的特點(diǎn)。高效性原則需要發(fā)揮5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和核心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的綜合優(yōu)勢，提高資源利用效率，避免發(fā)生高額信令費(fèi)用數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延等多方面問題。拓展性原則可以將5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)引入軟件中，進(jìn)行功能拓展，確保能夠提供更全面靈活和高效便捷的服務(wù)類型，既滿足了5G 網(wǎng)絡(luò)升級需要，也更好地滿足了功能應(yīng)用需求。簡化性原則搭建5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的核心網(wǎng)構(gòu)架需要實(shí)現(xiàn)去中心化結(jié)構(gòu)，對此能夠?qū)⒁延芯W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能進(jìn)行簡單化分解，避免造成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能冗余、處理難度大等多方面問題[4]。

3.2 核心網(wǎng)架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前我國5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)體系主要涵蓋了服務(wù)架構(gòu)等多種類型，其中服務(wù)架構(gòu)模式是最為常見且應(yīng)用效率最高的架構(gòu)模式，需要在原有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet Technology，IT）服務(wù)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行重新構(gòu)建。服務(wù)化架構(gòu)模式如圖2 所示，此類服務(wù)化架構(gòu)模式需要對不同信號(hào)連接端口和網(wǎng)絡(luò)功能重新定義，以輕量級接口協(xié)議為架構(gòu)基礎(chǔ)，充分考慮不同行業(yè)領(lǐng)域在實(shí)際工作過程中應(yīng)用5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的特點(diǎn)和需求。構(gòu)建5G 核心網(wǎng)架構(gòu)模式時(shí)，如果直接應(yīng)用傳統(tǒng)類型的思維方法，則難以適應(yīng)多元化、多樣化的核心網(wǎng)需求，因此基于服務(wù)化架構(gòu)，全面優(yōu)化5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的核心網(wǎng)架構(gòu)。

圖2 服務(wù)化架構(gòu)模式

在原有網(wǎng)絡(luò)功能的基礎(chǔ)上，增加鑒權(quán)服務(wù)器功能，支持第三代合作伙伴計(jì)劃（Third Generation Partnership Project，3GPP）接入和不信任的非3GPP接入認(rèn)證，增加接入和移動(dòng)性管理功能，實(shí)現(xiàn)對接入網(wǎng)的有效規(guī)劃和控制管理。會(huì)話管理功能主要對標(biāo)用戶面功能，是外部分組數(shù)據(jù)單元，可以成為SGW-U和PGW-U 功能的集合化。以往的4G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)核心網(wǎng)需要應(yīng)用安全控制設(shè)備，并結(jié)合擴(kuò)容設(shè)備擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)覆蓋范圍，但5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的覆蓋面和應(yīng)用效率大幅度提升，因此可以直接應(yīng)用用戶平面開展架構(gòu)控制，實(shí)現(xiàn)控制與轉(zhuǎn)發(fā)之間的分離。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的應(yīng)用能夠滿足不同功能場景和需求類型的技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)切片模式，實(shí)現(xiàn)不同類型硬件平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)功能需求之間的同時(shí)解耦[5]。

3.3 5G 核心網(wǎng)架構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進(jìn)行核心網(wǎng)設(shè)計(jì)和架構(gòu)模型具體步驟如下。首先，需要立足于專業(yè)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，具體落實(shí)時(shí)，需要在核心網(wǎng)構(gòu)建和設(shè)計(jì)前，提前明確5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的實(shí)際業(yè)務(wù)能力，統(tǒng)籌安排5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的部署情況，既提出了專項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求，也要立足于后續(xù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點(diǎn)，保障核心網(wǎng)架構(gòu)的可應(yīng)用性和運(yùn)行穩(wěn)定化效果。其次，需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化要素，對現(xiàn)有核心網(wǎng)體系進(jìn)行全面完善和升級，充分考慮廣大5G 用戶的實(shí)際需求，將5G 技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行緊密聯(lián)系和融合，進(jìn)一步降低信息傳輸過程中的共享難度，提高客戶使用效率水平。從3 個(gè)層次角度入手，合理分配5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的架構(gòu)模型，如圖3 所示。應(yīng)用層為各類商業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)及需求，控制層體現(xiàn)為軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層體現(xiàn)為各類網(wǎng)絡(luò)硬件[6,7]。

圖3 5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)軟件應(yīng)用架構(gòu)

開展設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，除了常規(guī)類型的5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和核心網(wǎng)架構(gòu)要素之外，需要增加安全監(jiān)測預(yù)警架構(gòu)。立足于現(xiàn)有業(yè)務(wù)模型和用戶需求，在應(yīng)用層各類商業(yè)應(yīng)用內(nèi)容中增加安全監(jiān)測應(yīng)用層內(nèi)容，在控制層中增加監(jiān)測單元、預(yù)警單元以及擴(kuò)展單元，實(shí)現(xiàn)對控制軟件網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的實(shí)時(shí)合理監(jiān)測[8]。針對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，如網(wǎng)絡(luò)硬件監(jiān)測，需要結(jié)合安全監(jiān)測設(shè)備，保障安全監(jiān)測效果。通過單獨(dú)運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測預(yù)警機(jī)制和結(jié)構(gòu)模式，打破以往通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中系統(tǒng)應(yīng)用的局限性和弊端性，保障了5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可應(yīng)用性效果[9]。

3.4 5G 核心網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)演進(jìn)方向

在未來5G 時(shí)代發(fā)展和5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用過程，其組網(wǎng)結(jié)構(gòu)演進(jìn)方向主要可以分為網(wǎng)絡(luò)功能虛擬性結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)切片部署2 個(gè)維度。一方面，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)功能虛擬建構(gòu)中，應(yīng)用虛擬化的軟件手段和媒介，讓不同軟件系統(tǒng)直接實(shí)現(xiàn)虛擬軟件的運(yùn)行操作，打破了硬件設(shè)施對功能的影響和限制，同時(shí)進(jìn)一步減少運(yùn)營商總體投入。另一方面，在網(wǎng)絡(luò)切片部署策略中，可以將原有切片服務(wù)類型增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）服務(wù)逐漸發(fā)展至超高可靠超低時(shí)延通信（ultra-Reliable Low-Latency Communications，uRLLC）/大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（massive Internet of Things，mIoT）模式，既拓展了網(wǎng)絡(luò)信息應(yīng)用需求，也能優(yōu)化完原有切片系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保運(yùn)營商能夠?qū)崿F(xiàn)自主化產(chǎn)品設(shè)計(jì)[10]。

4 結(jié) 論

文章論述了5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的概念、發(fā)展背景以及主要類型，重點(diǎn)圍繞5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的核心網(wǎng)架構(gòu)開展專項(xiàng)分析，分別探討核心網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)原則、核心網(wǎng)架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)、5G 核心網(wǎng)架構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)以及5G 核心網(wǎng)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)演進(jìn)方向，以期對我國5G 技術(shù)的普及化應(yīng)用和專項(xiàng)研究水平的提升提供參考。