5G核心網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)探討

路 遙

（吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012）

1 5G核心網(wǎng)概述

核心網(wǎng)就是管理中樞，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分發(fā)和存儲(chǔ)，主要涉及呼叫的接續(xù)計(jì)費(fèi)、移動(dòng)性管理、補(bǔ)充業(yè)務(wù)以及智能觸發(fā)等。目前，核心網(wǎng)開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)和邊緣計(jì)算技術(shù)。對(duì)于核心網(wǎng)絡(luò)來說，重要的是邊緣，即網(wǎng)絡(luò)和用戶存在的地方，可以執(zhí)行核心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部無法執(zhí)行的智能功能[1-3]。而5G具備低延遲、高速率等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于人工智能、工業(yè)自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)以及智慧城市等領(lǐng)域[4]。目前，中國(guó)移動(dòng)對(duì)5G的基本架構(gòu)已有初步共識(shí)，即支持多址接入，減少不同接入方式與核心網(wǎng)絡(luò)的耦合，實(shí)現(xiàn)按需組網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）技術(shù)的出現(xiàn)有效解決了5G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的弊端，為運(yùn)營(yíng)商提供了良好的發(fā)展機(jī)遇，將NFV技術(shù)引入移動(dòng)核心網(wǎng)具有重要意義[5-7]。

2 核心網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)

隨著新媒體業(yè)務(wù)、工業(yè)自動(dòng)化控制等應(yīng)用場(chǎng)景的涌現(xiàn)，核心網(wǎng)需要具備哪些功能已經(jīng)成為未來發(fā)展需要考慮的關(guān)鍵問題。國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）在ITU-T SG13的全體會(huì)議上成立了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)2030焦點(diǎn)組（Focus Group on Network 2030，F(xiàn)G NET-2030），旨在探索2030年及以后網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)容包括新媒體數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、新核心網(wǎng)服務(wù)應(yīng)用及技術(shù)、新核心網(wǎng)架構(gòu)及其更新?lián)Q代等。在新媒體領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)全息遠(yuǎn)程應(yīng)用呈現(xiàn)，需要將網(wǎng)絡(luò)帶寬提高到TB級(jí)。在新的服務(wù)領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該從量力而行轉(zhuǎn)向高精度、高質(zhì)量服務(wù)，在新架構(gòu)中提供全息傳輸（如多傳感器全息）、高精度服務(wù)（如工業(yè)自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程醫(yī)療）、安全保障服務(wù)（如智能駕駛操作系統(tǒng)和AR/VR）。在新IP上實(shí)現(xiàn)地面和衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡(luò)集成，探索新技術(shù)，解決逐包傳輸、隊(duì)列擴(kuò)展和擁塞等問題。由中國(guó)信息通信研究院、華為技術(shù)有限公司、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通以及中國(guó)電信共同發(fā)起和籌備，聯(lián)合國(guó)內(nèi)電信運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備制造商、互聯(lián)網(wǎng)公司、內(nèi)容提供商、高校、科研院所等多家網(wǎng)絡(luò)相關(guān)單位共同組建了網(wǎng)絡(luò)5.0產(chǎn)業(yè)和技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，旨在深入開展數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究工作，包括梳理其應(yīng)用需求、定義愿景設(shè)計(jì)架構(gòu)和協(xié)議等，進(jìn)一步推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。

網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算屬于5G核心網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，可以根據(jù)實(shí)際需求定制科學(xué)化網(wǎng)絡(luò)。不同網(wǎng)絡(luò)切片之間可以共享資源，同時(shí)也可以根據(jù)需求進(jìn)行隔離。與網(wǎng)絡(luò)切片最為密切的虛擬網(wǎng)絡(luò)是5G虛擬專網(wǎng)，其利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行邏輯分區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離。其中，關(guān)聯(lián)性較大的應(yīng)用場(chǎng)景包括高清視頻、VR直播和游戲、智能制造、車聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛以及遠(yuǎn)程醫(yī)療等，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

核心網(wǎng)一直朝著云計(jì)算的方向演進(jìn)，所有的計(jì)算都放在云端集中處理，終端只進(jìn)行輸入或輸出。邊緣計(jì)算具備高效的處理能力，對(duì)帶寬資源占用少，同時(shí)對(duì)云端存儲(chǔ)需求較小。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)向云端傳輸?shù)倪^程中存在泄露或被劫持的風(fēng)險(xiǎn)，而邊緣計(jì)算使得物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就近便可得到處理，大大降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)往往僅需借助一兩臺(tái)耐溫、耐濕的邊緣服務(wù)器便可提供服務(wù)，同時(shí)其容易部署，能夠大大降低偏遠(yuǎn)地區(qū)終端設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)的成本。

隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型不斷加速，云廠商與通信設(shè)備廠商的聯(lián)系越來越緊密，云上服務(wù)模式已經(jīng)啟動(dòng)，通信設(shè)備廠商紛紛進(jìn)行云端部署。2020年，微軟收購(gòu)云原生網(wǎng)絡(luò)解決方案提供商Affirmed Networks、核心網(wǎng)供應(yīng)商Metaswitch，緊接著與美國(guó)第二大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商AT&T達(dá)成協(xié)議，協(xié)助AT&T將核心網(wǎng)部署在Azure公有云上，像開超市一樣向企業(yè)客戶售賣核心網(wǎng)。當(dāng)前世界各國(guó)都在積極推進(jìn)5G應(yīng)用落地，5G專網(wǎng)的行業(yè)部署和實(shí)踐項(xiàng)目在不斷增加。傳統(tǒng)的軟件銷售模式已經(jīng)不再適應(yīng)現(xiàn)階段行業(yè)發(fā)展的要求，5G核心網(wǎng)上云為客戶提供新型的軟件銷售模式是順勢(shì)而行。根據(jù)實(shí)際需求，云廠商給企業(yè)提供完全獨(dú)立的云化5G核心網(wǎng)，也支持開放的邊緣用戶端口功能與云結(jié)合。目前核心網(wǎng)產(chǎn)品已成功部署在阿里云、騰訊云、亞馬遜云、微軟云等主流云平臺(tái)上，為客戶提供企業(yè)級(jí)解決方案?？蛻艨杀憬莸卦谠粕汐@取到核心網(wǎng)資源，降低整體架構(gòu)成本，簡(jiǎn)化交付流程和運(yùn)維復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化部署、開局。在云網(wǎng)加速融合的趨勢(shì)下，企業(yè)需要不斷打造高可靠、高穩(wěn)定的核心網(wǎng)產(chǎn)品，持續(xù)與全球運(yùn)營(yíng)商、云廠商、系統(tǒng)集成商、信息技術(shù)服務(wù)商等各方展開合作，從而為客戶提供高性價(jià)比的移動(dòng)通信解決方案。

5G具備低時(shí)延、大帶寬等優(yōu)勢(shì)，5G與低軌衛(wèi)星融合可實(shí)現(xiàn)全球網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋。衛(wèi)星通信可作為地面網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，有效解決一些特殊地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)接入問題?；谛l(wèi)星通信，用戶可繞開地面通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星的互聯(lián)。這種方式可有效地使用在特殊的應(yīng)用場(chǎng)景。例如城市應(yīng)急領(lǐng)域，即使地面基站設(shè)備受到災(zāi)害，用戶可通過衛(wèi)星手機(jī)將求救信號(hào)發(fā)射至衛(wèi)星。求救信號(hào)再經(jīng)過信關(guān)站、衛(wèi)星核心網(wǎng)、地面公網(wǎng)后，最終到達(dá)目的終端。在沙漠、海上等地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的場(chǎng)景，用戶通過衛(wèi)星手機(jī)同樣可以與外界保持高效的聯(lián)系。衛(wèi)星通信與地面通信相互融合可實(shí)現(xiàn)信號(hào)全球的覆蓋，而兩者關(guān)系融合在于兩者核心網(wǎng)的融合與協(xié)同。衛(wèi)星核心網(wǎng)技術(shù)壁壘與定制化需求較高，可提供完整解決方案的企業(yè)極少，其中可定制化的解決方案的企業(yè)更具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。衛(wèi)星建設(shè)完成后，無需增加基站、光纜等設(shè)施。衛(wèi)星與地面通信過程如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星與地面通信過程

未來衛(wèi)星通信與5G將相互融合發(fā)展。衛(wèi)星通信與5G的融合關(guān)鍵在于兩者核心網(wǎng)的融合與協(xié)同。在5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中，3GPP提出了非地面網(wǎng)絡(luò)（NonTer restial Network，NTN）的概念，利用空中機(jī)載或空間飛行器裝載傳輸節(jié)點(diǎn)或基站的網(wǎng)絡(luò)，或網(wǎng)絡(luò)的一部分，將非地面網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，可構(gòu)成更為完善的5G網(wǎng)絡(luò)。從成本與投資回報(bào)角度而言，衛(wèi)星通信的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)成本低于5G，但5G的投資回報(bào)周期短于衛(wèi)星通信。衛(wèi)星通信可提供的帶寬低于5G，且延時(shí)較高，但其覆蓋范圍廣，可彌補(bǔ)5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)。

衛(wèi)星通信與地面通信相互融合，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)全球覆蓋。衛(wèi)星核心網(wǎng)技術(shù)壁壘與定制化需求較高，在5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中，非地面網(wǎng)的研究已被納入3GPP有關(guān)5G標(biāo)準(zhǔn)的討論。全球很多邊遠(yuǎn)農(nóng)村或山區(qū)尚未實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)入口連接，農(nóng)村山區(qū)地勢(shì)復(fù)雜，難以鋪設(shè)地面通信網(wǎng)絡(luò)。而在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，光纜中斷、大面積基站停電等故障會(huì)導(dǎo)致通信中斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)難以滿足應(yīng)急救援的用網(wǎng)需求。目前，太空互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)已成為國(guó)際航天領(lǐng)域的熱門，世界各國(guó)紛紛開始開展低軌互聯(lián)網(wǎng)星座衛(wèi)星的發(fā)射組網(wǎng)，如美國(guó)太空探索公司的“星鏈”網(wǎng)絡(luò)和歐美合作推出的“一網(wǎng)”星座計(jì)劃等。隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)被納入新基建信息基礎(chǔ)設(shè)施的范疇，其已上升為國(guó)家戰(zhàn)略性工程。

3 結(jié) 論

通過介紹當(dāng)前核心網(wǎng)發(fā)展中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)等，分析了未來依賴關(guān)鍵技術(shù)的核心網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過程。VR虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能、智能駕駛、物聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星遠(yuǎn)程系統(tǒng)的快速發(fā)展對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量和可靠性提出了新的要求，5G核心網(wǎng)的演進(jìn)是必然趨勢(shì)。5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要承載更多業(yè)務(wù)，新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和業(yè)務(wù)需求高度匹配。為全面推動(dòng)5G技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)營(yíng)商應(yīng)應(yīng)在明確核心網(wǎng)絡(luò)發(fā)展特點(diǎn)及方向的基礎(chǔ)上選擇合適的組網(wǎng)模式。通過不斷優(yōu)化新興技術(shù)，承載多樣化網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的演進(jìn)、集成及互通。