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

周振賢，黃華興

（廣州市信息技術(shù)職業(yè)學(xué)校，廣東 廣州 510000）

0 引言

5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展不斷提速使得網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)一步扁平化，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日新月異正改變著人們的生活，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展新時(shí)期為商業(yè)、工業(yè)和消費(fèi)電子行業(yè)提供了巨大的機(jī)會(huì)，可應(yīng)對(duì)多種場(chǎng)景需求。5G 技術(shù)憑借其自身優(yōu)勢(shì)，在具體應(yīng)用實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)了人與人、人與物之前的高效溝通，隨著該技術(shù)手段不斷在網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域攻關(guān)，未來會(huì)實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景廣泛應(yīng)用。

1 5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 大規(guī)模MIMO 技術(shù)

MIMO 技術(shù)具體指的是將天線放置在發(fā)東端和接收端兩個(gè)端口組成一個(gè)良好的通信鏈路。隨著社會(huì)用網(wǎng)需求不斷增大，在兩個(gè)端口添加天線可大大提升通信質(zhì)量，而且促使通信方式變得更加靈活，自由程度更高，容納信息數(shù)量更大。4G 網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)主要以8 端口多用戶MIMO 為主，5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的布局需要圍繞大規(guī)模MIMO，設(shè)置多個(gè)天線階段，從而為架構(gòu)應(yīng)用提供支持[1]。

1.2 基于服務(wù)的架構(gòu)

SBA（基于服務(wù)的架構(gòu)）在5G 移動(dòng)通信技術(shù)支撐下對(duì)核心網(wǎng)功能重新進(jìn)行劃分，優(yōu)化了應(yīng)用場(chǎng)景需求?；?G 技術(shù)的核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)如圖1 所示。所有在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支撐下的各項(xiàng)服務(wù)單元相互獨(dú)立，系統(tǒng)更新升級(jí)或是故障維護(hù)互不影響，如果應(yīng)用場(chǎng)景變化可以根據(jù)具體需要對(duì)服務(wù)項(xiàng)目進(jìn)行拓展。同時(shí)分散化的模塊網(wǎng)絡(luò)單元在功能上也可以進(jìn)行組合，可以滿足第三運(yùn)營(yíng)商對(duì)多種組網(wǎng)方式達(dá)成的需求。

圖1 基于5G 技術(shù)的核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)

1.3 D2D 通信技術(shù)

D2D 通信技術(shù)與5G 移動(dòng)通信技術(shù)的耦合，不僅可以強(qiáng)化通信信號(hào)，還能夠有效延長(zhǎng)無線數(shù)據(jù)流量，在一定程度上能夠讓通信之前的距離縮短，作為一種新型技術(shù)手段可大大節(jié)省資源，有利于保證通信穩(wěn)定。

1.4 控制與用戶面分離

CUPS（控制與用戶面分離）實(shí)現(xiàn)了提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行速度提高，最大限度縮短了信息交互時(shí)間，打破了時(shí)間、空間局限，即便是物理層面距離較遠(yuǎn)也能將傳輸速度控制在毫秒級(jí)延遲范圍之內(nèi)。

1.5 邊緣計(jì)算技術(shù)

云端計(jì)算功能是保證5G 移動(dòng)通信核心網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定和功能多樣的前提。5G 核心網(wǎng)的控制面和用戶面是相互分離的，使得UPF 部署的位置更接近用戶端網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的帶寬，實(shí)現(xiàn)了組網(wǎng)運(yùn)行提速，可滿足當(dāng)下激增的數(shù)據(jù)交互需要，確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行與服務(wù)質(zhì)量。

1.6 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

如果我們要想降低網(wǎng)絡(luò)延遲影響，就必須保證各個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊的獨(dú)立，在不同應(yīng)用場(chǎng)景下可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享，但是運(yùn)行互不干擾，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)這一部署的關(guān)鍵技術(shù)。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)框架設(shè)備功能統(tǒng)一布局的前提下，使用虛擬化技術(shù)提供多種服務(wù)類型，以滿足用戶多元化的用網(wǎng)需求。

1.7 綠色通信技術(shù)

綠色通信技術(shù)是智能化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的重要組成部分，重點(diǎn)集中在實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的部署，達(dá)到良好的節(jié)能效果。需要處理的主要問題在于基于網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的角度，解決單個(gè)基站的能耗問題，根據(jù)使用需要加大調(diào)整，使得資源得到最大化的利用。

2 5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 接入網(wǎng)

5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中接入網(wǎng)是由多種技術(shù)組合成的，將4G 網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同進(jìn)行設(shè)備和功能上的布局。利用C-RAN 技術(shù)、單一無線控制器以及基站來進(jìn)行數(shù)據(jù)的集成和資源的分配，由于資源利用效率更高，因此經(jīng)濟(jì)性更好。5G 通信網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng)將4G 網(wǎng)絡(luò)下的BBU 等設(shè)備部署成三個(gè)功能實(shí)體，分別為CU、DU 和AAU，進(jìn)一步細(xì)化了應(yīng)用場(chǎng)景需求[2]。

2.2 核心網(wǎng)

基于5G 移動(dòng)通信的核心網(wǎng)以X86 平臺(tái)通用服務(wù)器為基礎(chǔ)硬件，在此基礎(chǔ)上開發(fā)專用的虛擬化平臺(tái)，將所需要的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集、傳輸和調(diào)度，使用SBA 架構(gòu)以“微服務(wù)”和云原生架構(gòu)展開設(shè)計(jì)，生成的多個(gè)虛擬平臺(tái)是獨(dú)立的系統(tǒng)，其具備多種功能。在5G 技術(shù)支撐下核心網(wǎng)在應(yīng)用中呈現(xiàn)狀態(tài)更加靈活多變，且容易控制，每個(gè)單元獨(dú)立運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了資源的最大化利用。

2.3 承載網(wǎng)

基于5G 移動(dòng)通信技術(shù)的承載網(wǎng)架構(gòu)主要是為滿足當(dāng)下數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)男枨螅瑸橛脩魩砀玫木W(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。目前以4G 技術(shù)為主的承載網(wǎng)在運(yùn)行過程中存在著嚴(yán)重的延遲，而且接入終端的設(shè)備數(shù)量相對(duì)有限。5G技術(shù)彌補(bǔ)了4G 承載網(wǎng)存在的不足，實(shí)現(xiàn)了更高效的數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景具體需求，可以選擇光纖直連、無源WDN/OTN 等幾種方式進(jìn)行承載網(wǎng)布局。

3 5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)踐應(yīng)用

廣東全省目前擁有1600 多家5G 相關(guān)企業(yè)，約占全國(guó)的1/3，華為、中興的5G 必要專利數(shù)量超過5000件，占全球比例超過1/4，建成并開通約11 萬個(gè)5G 基站，規(guī)模為全國(guó)第一。產(chǎn)業(yè)鏈上游包括規(guī)劃、器件、芯片、材料等領(lǐng)域；中游包括設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營(yíng)商等環(huán)節(jié)；下游包括終端、應(yīng)用場(chǎng)景等，以5G 為核心的商業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)相對(duì)完善，具有很大發(fā)展?jié)摿?。本?jié)就廣東省5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)在城市軌道交通、醫(yī)療工程、人工智能和電力系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)踐展開了探討[3]。

3.1 城市軌道交通

伴隨城市人口增長(zhǎng)和交通需求不斷擴(kuò)大，軌道交通系統(tǒng)面臨著更高的運(yùn)行壓力，基于4G 網(wǎng)絡(luò)通信支撐下的軌道交通系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸和通信方面存在的限制影響著城市軌道交通發(fā)展。目前廣東地區(qū)建成并開通5G 移動(dòng)基站數(shù)量在11 萬左右，城市軌道智慧交通系統(tǒng)的建設(shè)，運(yùn)用了物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)和云計(jì)算等多種新興技術(shù)手段，很大程度上提升了數(shù)據(jù)傳輸效率，具有更低的延遲，而且交通系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，可以滿足當(dāng)下城市交通軌道不斷增長(zhǎng)的移動(dòng)通信需求。廣東省城市軌道交通建設(shè)集中解決的問題在網(wǎng)絡(luò)容量不足、延遲性高等方面，5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是在MIMO 和OFDAMA 基礎(chǔ)技術(shù)上采用了一系列新的技術(shù)和架構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)、多天線技術(shù)以及邊緣計(jì)算等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道交通的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可進(jìn)一步優(yōu)化人們的出行體驗(yàn)，5G 技術(shù)支撐下擬建的智慧交通場(chǎng)景，如圖2 所示。

3.2 醫(yī)療工程

5G 移動(dòng)通信技術(shù)的運(yùn)行頻率在30GHz～300GHz，能夠?qū)崿F(xiàn)高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)效果，由非獨(dú)立組網(wǎng)、獨(dú)立組網(wǎng)組成，通過大量使用LSAS 技術(shù)可以提升空間自由度。以5G 移動(dòng)通信技術(shù)在廣東某醫(yī)療工程領(lǐng)域中的應(yīng)用為例，由5G 通信網(wǎng)絡(luò)連接行業(yè)終端，包括攝像頭、醫(yī)療設(shè)備、顯示器，為醫(yī)療專家提供服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心支撐，可以實(shí)現(xiàn)海量醫(yī)療信息的儲(chǔ)存和利用，傳輸效率較高，為醫(yī)療工作的展開提供了方便，甚至可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷，5G+遠(yuǎn)程診斷總體業(yè)務(wù)場(chǎng)景如圖3 所示。

圖3 5G+遠(yuǎn)程診斷總體業(yè)務(wù)場(chǎng)景

為保障5G 移動(dòng)通信運(yùn)行運(yùn)行的高效率，需要在醫(yī)院周圍附近建立足夠數(shù)量的基站，并優(yōu)化醫(yī)院切換策略設(shè)施，設(shè)置MEC 本地路由，要求網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。基于5G 技術(shù)的醫(yī)療工程網(wǎng)絡(luò)性能要求如表1 所示。

表1 基于5G 技術(shù)的醫(yī)療工程網(wǎng)絡(luò)性能要求

醫(yī)療工程領(lǐng)域?qū)?G 移動(dòng)通信技術(shù)的應(yīng)用在開發(fā)系統(tǒng)的過程中涉及嵌入式開發(fā)較多，由應(yīng)用層軟件、中間層、操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)和硬件設(shè)備5 個(gè)系統(tǒng)組成，在功能上包括3 個(gè)部分，第①是數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、第②是醫(yī)療數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、第③是網(wǎng)絡(luò)安全管理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)。采用5G 數(shù)據(jù)采集直接連接醫(yī)療設(shè)備，設(shè)備接口不同，與醫(yī)療工程的應(yīng)用場(chǎng)景有關(guān)，應(yīng)結(jié)合具體診療需要或者醫(yī)療業(yè)務(wù)處理需要進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。為做好醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)的采集與管理，需要在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中設(shè)施網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，包括共享數(shù)據(jù)模塊、端口、廣播地址等信息，系統(tǒng)采用TCP 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸管理，有效彌補(bǔ)了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲高、帶寬低的缺陷。

醫(yī)療數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。需要處理大量的圖像信息，基于TensorFlow 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)整合與處理，之后會(huì)得到RGB，醫(yī)療處理數(shù)據(jù)流程，如圖4 所示。具體執(zhí)行操作流程為從醫(yī)療設(shè)備中獲取醫(yī)療數(shù)據(jù)，包括患者信息、用藥、手術(shù)等相關(guān)信息，使用5G 終端完成數(shù)據(jù)的采集記錄和傳輸；使用圖像處理的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法展開數(shù)據(jù)分析，可全面掌握當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀況；遠(yuǎn)程專家結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)可構(gòu)建數(shù)據(jù)中心。

圖4 醫(yī)療數(shù)據(jù)處理流程

網(wǎng)絡(luò)安全管理。使用5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到服務(wù)器端，醫(yī)護(hù)工作者通過終端顯示設(shè)備可以查看到所需要的醫(yī)療信息，能夠支撐醫(yī)生遠(yuǎn)程工作。為全面保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行安全，避免不法分子攻擊醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)核心架構(gòu)布局時(shí)建立了攻擊模型，通過判斷各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流量，是否超過正常運(yùn)行閾值確定存在風(fēng)險(xiǎn)與否，若是超出設(shè)定范圍，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)[4]。

3.3 人工智能

從人工智能角度分析5G 通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)，最突出的優(yōu)點(diǎn)在于提高了信號(hào)傳輸質(zhì)量，能實(shí)時(shí)感知周圍環(huán)境變化特點(diǎn)，通過利用零散式移動(dòng)設(shè)備云可實(shí)現(xiàn)超高清視頻傳輸，傳輸效率實(shí)現(xiàn)了翻倍提升，可以滿足當(dāng)下用戶對(duì)高清視頻的實(shí)際使用需求，而且VR/AR 設(shè)備的更新，還引入了語音系統(tǒng)與觸摸功能，增強(qiáng)了用戶身臨其境的現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)感。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和智能化技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，未來還將用于地理測(cè)繪、森林防火等多個(gè)領(lǐng)域?；?G 的森林防火無線監(jiān)控如圖5 所示。

圖5 基于5G 的森林防火無線監(jiān)控

3.4 電力系統(tǒng)

5G 技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用可大大降低電力系統(tǒng)運(yùn)行成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定以及安全。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力系統(tǒng)建設(shè)中的應(yīng)用為例，可以打造出一個(gè)雙向互動(dòng)的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化的信息互換，能夠進(jìn)一步緩解云端計(jì)算機(jī)的壓力，推動(dòng)云計(jì)算技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合，為不同電力系統(tǒng)提供了專有網(wǎng)絡(luò)通道，既確保了業(yè)務(wù)之間安全隔離，也能夠顯著降低電力系統(tǒng)運(yùn)行成本[5]。

4 結(jié)語

總而言之，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，移動(dòng)通信技術(shù)將保持著當(dāng)前快速發(fā)展的狀態(tài)，5G 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將會(huì)重塑現(xiàn)有市場(chǎng)，并開拓新的市場(chǎng)。在當(dāng)前階段對(duì)5G 通信技術(shù)以及核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)積極地展開研究具有重要意義，提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行速度與質(zhì)量，有利于推動(dòng)我國(guó)多個(gè)行業(yè)發(fā)展，為數(shù)字強(qiáng)國(guó)的建設(shè)及中國(guó)影響力的提升奠定了強(qiáng)有力基礎(chǔ)。