5G融合網(wǎng)絡架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)分析與研究

譚文欣

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司哈爾濱軟件研究院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，移動通信技術(shù)已經(jīng)成為廣大人們?nèi)罕娚钆c工作中的重要組成部分，滲透到人們生活中的方方面面。目前，移動通信技術(shù)已經(jīng)進入到5G發(fā)展時代，逐步在各個行業(yè)進行了示范應用與推廣。相比于4G時代而言，5G技術(shù)在數(shù)據(jù)連接密度與移動性方面有著良好的技術(shù)體驗，總體的數(shù)據(jù)傳輸效率顯著提升，能夠為用戶帶來高品質(zhì)的數(shù)據(jù)傳輸體驗。縱覽各國5G技術(shù)的快速發(fā)展，中國處于第一層發(fā)展階段，在總體基站的部署數(shù)量、各個行業(yè)的示范應用方面具有優(yōu)勢。隨著5G技術(shù)的進一步發(fā)展，未來能夠極大地降低通信相關(guān)成本，與各個行業(yè)進行融合使用，有力保障各個行業(yè)的信息化與應用水平，為民族復興提供堅實的支撐力量[1]。

2020年，中國的發(fā)展表現(xiàn)成為全球經(jīng)濟陰霾下的一抹亮色。尤其是在信息通信產(chǎn)業(yè)中，中國已經(jīng)建設成為名副其實的5G網(wǎng)絡大國。在產(chǎn)業(yè)鏈的共同努力下，中國交出了一份沉甸甸的5G答卷，已建成全球最大的5G網(wǎng)絡。這一年我國的5G網(wǎng)絡建設穩(wěn)步推進，新增約5.8×105萬個5G基站，建成共享5G基站3.3×105個，累計建成5G基站7.18×105個。中國的5G網(wǎng)絡實現(xiàn)了5個“全球第一”：全球第一張且規(guī)模最大的共建共享5G網(wǎng)絡；全球第一個200 MHz大帶寬高性能5G網(wǎng)絡；全球第一張時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）+頻分雙工（Frequency Division Duplexing，F(xiàn)DD）混合組網(wǎng)的5G網(wǎng)絡；全球第一個規(guī)模最大規(guī)模5G獨立組網(wǎng)（Standalone，SA）網(wǎng)絡；全球第一個5G SA共享網(wǎng)絡。

1 5G網(wǎng)絡及其技術(shù)優(yōu)勢

1.1 5G網(wǎng)絡

目前，整個移動通信技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進入到第五代，簡稱5G網(wǎng)絡。與前四代移動通信技術(shù)相比，此網(wǎng)絡技術(shù)的主要特點在于傳輸效率更快、功能更強大。整個數(shù)據(jù)信息的傳輸效率理論上每秒能夠達到近數(shù)十GB，相比于4G網(wǎng)絡的最高傳輸速度而言，其能夠達到近幾十倍的效果，因此在許多需要大數(shù)據(jù)量的處理場景中，總體優(yōu)勢更為明顯。

在整個5G網(wǎng)絡的發(fā)展過程中，雖然國內(nèi)主要的大城市已經(jīng)完成了5G獨立組網(wǎng)，但是相比于4G通信技術(shù)，其總體普及率仍然較低，需要后期在業(yè)務推廣時結(jié)合業(yè)務場景進行分析。在行業(yè)應用中，需要加強5G網(wǎng)絡的安全性，針對不同行業(yè)的業(yè)務數(shù)據(jù)提供安全保護策略，推動5G網(wǎng)絡的廣泛應用[2]。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

相比于前四代通信技術(shù)，5G網(wǎng)絡技術(shù)的主要特點包括時延性低、傳輸效率快以及容量大等。通過高效率的傳輸，使得日常業(yè)務場景需要的文件傳輸需要的時間更短，能夠有效提升工作效率。5G傳輸技術(shù)的穩(wěn)定性使得其能夠應用到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智慧城市等多種應用場景，有效保障數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃浴４送猓壳熬W(wǎng)絡通信過程中的低頻傳輸資源越來越緊張，而5G網(wǎng)絡的核心就是高頻傳輸技術(shù)，推動5G技術(shù)打破不同類型物聯(lián)網(wǎng)設備之間的界限，以此來提升大規(guī)模設備的連接。

2 5G網(wǎng)絡融合架構(gòu)

在整個5G網(wǎng)絡架構(gòu)中，給用戶提供數(shù)據(jù)業(yè)務主要靠軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN）、網(wǎng)絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）等技術(shù)來進行。核心的業(yè)務功能模塊主要包括3種，第一個是會話管理功能（Session Management Function，SMF）模塊，第二個是用戶平面功能（User Plane Function，UPF）模塊，第三個是接入和移動性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）模塊，其中UPF業(yè)務功能屬于用戶面，主要采用傳統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)與接口，另外兩個屬于控制面，主要采用服務化的架構(gòu)方式來進行。在用戶面與控制面中采用的接口為N4，控制面與終端、無線網(wǎng)之間采用的接口為N1與N2。

在整個5G融合架構(gòu)中，用戶面主要承載的內(nèi)容是會話管理，通過控制轉(zhuǎn)發(fā)分離架構(gòu)來實現(xiàn)各類移動性設備的管理，在同一時間通過各類用戶面中的網(wǎng)元來完成各類會話的管理。通過本地分流及遠端流量的管理操作，完成相關(guān)業(yè)務管理。目前，核心的5G網(wǎng)絡架構(gòu)主要有兩類，第一類呈現(xiàn)的方式是通過參考點方法進行，第二類通過服務化架構(gòu)方法來進行，信令的傳輸通過控制面的應用平面接口（Application Program Interface，API）來進行[3]。

3 5G融合網(wǎng)絡組成

3.1 網(wǎng)元與功能

5G接入網(wǎng)（Access Network，AN）有無線側(cè)網(wǎng)絡架構(gòu)和固定側(cè)網(wǎng)絡架構(gòu)。無線側(cè)，手機或者集團客戶通過基站接入到無線接入網(wǎng)，將信號傳遞給平衡計分卡（Balanced Score Card，BSC）或無線網(wǎng)絡控制器（Radio Network Controller，RNC），然后再將信號傳遞給核心網(wǎng)，其中內(nèi)部的網(wǎng)元通過IP承載網(wǎng)來承載。固網(wǎng)側(cè)，家客和集客通過接入網(wǎng)接入，接入網(wǎng)主要是無源光接入系統(tǒng)（Gigabit-Capable PON，GPON），包括光網(wǎng)絡終端（Optical Network Terminal，ONT）、光分配網(wǎng)絡（Optical Distribution Network，ODN）以及光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）。信號從接入網(wǎng)出來后進入城域網(wǎng)，城域網(wǎng)又可以分為接入層、匯聚層以及核心層。寬帶遠程接入服務器（Broadband Remote Access Server，BRAS）為城域網(wǎng)的入口，主要作用是認證、鑒定、計費。信號從城域網(wǎng)走出來后到達骨干網(wǎng)，在骨干網(wǎng)處又可以分為接入層和核心層。

在整個5G網(wǎng)絡之中，主要的網(wǎng)元包括AMF、網(wǎng)絡倉儲功 能（Network Repository Function，NRF）、UPF、策略控制（Policy Control Function，PCF）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能（Unified Data Management，UDM）等，這些網(wǎng)元的作用不同。其中AMF網(wǎng)元的主要作用是完成安全上下文、接入與移動等方面的管理；UPF網(wǎng)元的主要作用是對用戶面上的業(yè)務進行處理；NRF網(wǎng)元的主要作用是網(wǎng)絡注冊，發(fā)現(xiàn)、選擇與注冊管理各類網(wǎng)絡功能；PCF網(wǎng)元的主要作用是策略控制，包括會話策略與移動性策略等方面；UDM網(wǎng)元的主要作用是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，以此來完成存儲簽約等事務的管理[4]。

3.2 網(wǎng)絡切片功能

在整個5G融合網(wǎng)絡架構(gòu)中，網(wǎng)絡切片是重要的應用技術(shù)，根據(jù)不同業(yè)務處理場景的需要，將各類物理網(wǎng)絡分為虛擬網(wǎng)絡，以此實現(xiàn)不同業(yè)務對可靠性、安全性以及移動性等方面的需要。這些分割的虛擬網(wǎng)絡之間的物理邏輯是獨立的，此技術(shù)通過分布云架構(gòu)、云計算、SDN與NFV等進行協(xié)同管理。

在5G網(wǎng)絡中，同時能夠支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、高速數(shù)據(jù)業(yè)務、虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）及增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）等應用，這些場景對可靠、實驗、安全、計費方式等要求有所不同。若采用之前的網(wǎng)絡架構(gòu)，則需要完成多種物理網(wǎng)絡的建設才可以滿足業(yè)務處理要求，而采用此切片技術(shù)僅需將單一的物理網(wǎng)絡進行分割就能夠滿足應用場景的處理需求，以此來降低網(wǎng)絡的投資與建設復雜度。

通過此網(wǎng)絡切片技術(shù)的應用，使得運營商能夠快速了解整個網(wǎng)絡資源的利用情況。在5G的無線側(cè)基站中，網(wǎng)絡切片功能主要依靠集中單元（Centralized Unit，CU）與分布單元（Distributed Unit，DU）兩個部分實現(xiàn)，這兩個單元都是來源于基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）的拆分管理。通過業(yè)務單元的解耦，實時業(yè)務的處理由DU單元來進行，集中承載非實時業(yè)務由CU來進行處理。因此，在5G應用的管理中，CU單元主要處理時延相關(guān)性不大的功能；而DU單元主要處理時延性強的業(yè)務，以此滿足不同類型5G業(yè)務場景的處理需要。

3.3 處理技術(shù)

在整個5G網(wǎng)絡中，處理技術(shù)主要包括SDN與NFV。SDN技術(shù)能夠?qū)?shù)據(jù)與控制業(yè)務進行分離，以此降低業(yè)務程序之間的耦合度。目前，借助通用化、商用化的交換機設備來實現(xiàn)控制面的編程管理，核心云之中的網(wǎng)元與邊緣元通過SDN進行連接處理。NFV處理技術(shù)能夠?qū)⒄麄€網(wǎng)絡設備的功能進行解耦操作，使其能夠脫離硬件設備。通過NFV與SDN處理技術(shù)，網(wǎng)絡架構(gòu)發(fā)生了革命性的變化，有效提升了整個網(wǎng)絡的靈活性，使得整個網(wǎng)元設備的商用化與通用化不再通過以往的專用設備來進行，能夠有效降低網(wǎng)絡復雜程度[5]。

NFV技術(shù)具備安全性高、性價比高、敏捷以及可維護等特點，能夠快速完成5G網(wǎng)絡的配置與部署，以此來完成整個不同行業(yè)中的業(yè)務處理需求，適應客戶提出的新需求。同時在NFV技術(shù)中能夠?qū)⒎阑饓εc虛擬空間管理進行有效結(jié)合，滿足5G業(yè)務應用的安全性要求。

4 結(jié) 論

在整個4G網(wǎng)絡時代，其網(wǎng)絡信息主要依靠各個終端設備。但是進入到5G發(fā)展時代，其網(wǎng)絡服務的對象變得更為寬泛，在移動終端設備的基礎上，添加了各類型的物聯(lián)網(wǎng)設備。目前，總體5G的應用場景主要分為3種，第一種是需要海量大連接應用的場景，第二種是需要低時延、高可靠性的業(yè)務需要場景，第三種是需要增強移動寬帶的業(yè)務場景。

5G技術(shù)相比4G技術(shù)更為復雜，在整個通信技術(shù)的延時、安全性以及用戶策略控制等方面的技術(shù)指標要求更高，具體表現(xiàn)在時延、用戶體驗速率、連接數(shù)密度等。5G場景中的用戶體驗速率涵蓋低速到高速，滿足不同行業(yè)的業(yè)務處理需要。隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展，萬物互聯(lián)成為未來發(fā)展的趨勢，通過5G傳輸技術(shù)將行業(yè)業(yè)務與通信技術(shù)進行深度融合處理，以此滿足不同類型的業(yè)務場景處理需要，提升各個行業(yè)信息化的水平。