5G 移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的核心網(wǎng)架構(gòu)分析

董曉娟

（中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

信息科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的新時期，人工智能應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，如計(jì)算機(jī)科學(xué)、金融、醫(yī)療、重工業(yè)以及運(yùn)輸?shù)?，人們對信號傳輸質(zhì)量提出了更高要求。5G 移動通信技術(shù)是對4G 移動通信技術(shù)的升級優(yōu)化，能夠提升通信網(wǎng)絡(luò)效能，既能通過人機(jī)物互聯(lián)的方式為人工智能的各種算法提供數(shù)據(jù)支撐，又能利用邊緣計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)終端與云端的有效銜接。一方面，5G移動通信技術(shù)擴(kuò)大了人工智能的應(yīng)用范圍，促進(jìn)實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)；另一方面，人工智能可以優(yōu)化調(diào)整5G 移動通信技術(shù)參數(shù)配置和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，自行修復(fù)故障問題，進(jìn)而促進(jìn)5G 移動通信技術(shù)發(fā)展。因此，5G 移動通信技術(shù)與人工智能相輔相成。

1 5G 核心網(wǎng)的整體架構(gòu)

5G 核心網(wǎng)涉及的主要網(wǎng)元包括應(yīng)用功能（Application Function，AF）、網(wǎng)絡(luò)開放功能（Network Exposure Function，NEF）、網(wǎng)絡(luò)存儲功能（Network Repository Function，NRF）、網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能（Network Slice Selection Function，NSSF）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能（Unified Data Management，UDM）、策略控制功能（Policy Control Function，PCF）、鑒權(quán)服務(wù)功能（Authentication Server Function，AUSF）、用戶平面功能（User Plane Function，UPF）、會話管理功能（Session Management Function，SMF）以及接入和移動管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）。5G 核心網(wǎng)主要網(wǎng)元除UPF 外均屬于控制面，UPF 屬于用戶面，服務(wù)化架構(gòu)設(shè)計(jì)用于控制面網(wǎng)元，服務(wù)化接口負(fù)責(zé)彼此間通信，傳統(tǒng)架構(gòu)和接口用于用戶面。5G 移動通信技術(shù)雖然比4G 移動通信技術(shù)在會話管理、移動性管理分離、模塊化解耦以及組網(wǎng)靈活等方面更具優(yōu)勢，但是對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營管理、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃以及傳輸?shù)饶芰μ岢隽烁咭蟆?G 移動通信技術(shù)發(fā)展的過程中，5G 核心網(wǎng)/虛擬化的演進(jìn)型分組核心網(wǎng)（5G Core/virtualized Evolutionary Packet Core，5GC/vEPC）與演進(jìn)型分組核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC）的協(xié)同組網(wǎng)需得到重視[1]。

2 5G 核心網(wǎng)部署特征

5G 核心網(wǎng)架構(gòu)能夠虛擬隔離業(yè)務(wù)且統(tǒng)一部署控制面功能（Control Plane Function，CPF），部署中需要虛擬隔離控制面、用戶以及業(yè)務(wù)。該部署方式能夠利用核心機(jī)房集中管理各項(xiàng)業(yè)務(wù)的運(yùn)營，并根據(jù)業(yè)務(wù)需求利用分布式的UPF 實(shí)現(xiàn)本地分流，滿足低延時場景的需要，保證部署高效準(zhǔn)確。此外，該部署方式在第三方客戶服務(wù)方面發(fā)揮著重要作用，能夠利用各種基礎(chǔ)信息滿足企業(yè)創(chuàng)新和拓展本地化的需求。核心網(wǎng)構(gòu)架中，利用5G 網(wǎng)絡(luò)軟件和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)能夠?qū)⒅悄芑夹g(shù)應(yīng)用于5G 核心網(wǎng)，同時靈活地、可編程地開放和擴(kuò)展5G 網(wǎng)絡(luò)[2]。

3 5G 移動通信技術(shù)的核心網(wǎng)構(gòu)架

3.1 前期的安裝準(zhǔn)備

5G 基站前期的安裝質(zhì)量和效果會影響后期的安裝和維護(hù)質(zhì)量，因此相關(guān)運(yùn)營商應(yīng)該高度重視。前期的安裝準(zhǔn)備主要包括3 個步驟：首先，要開箱驗(yàn)貨，核對貨物的數(shù)量和完整度，及時補(bǔ)齊不足的貨物或者壞掉的材料，為后續(xù)工作節(jié)省時間；其次，要完善現(xiàn)場評估工作，其中最重要的一環(huán)就是要檢查施工現(xiàn)場是否存在危險源，若存在危險源，則應(yīng)當(dāng)采取合理措施將其消除，避免發(fā)生安全事故；最后，要進(jìn)行工器具、安全防護(hù)用具以及工作人員等的安全檢查工作。

3.2 天饋系統(tǒng)安裝

完成5G 基站前期安裝準(zhǔn)備工作后，就可以著手安裝天饋系統(tǒng)，即安裝集成射頻模塊和天線模塊。該過程要遵循先安裝抱桿，再安裝天饋系統(tǒng)的規(guī)則。抱桿是天線的重要載體，安裝人員在安裝抱桿時，需要注意4 方面的問題：一是，要保證抱桿和信號塔之間的距離不能少于3 m，定向距離不大于1 m；二是，在對抱桿進(jìn)行固定和接地時，要嚴(yán)格遵循工程的施工要求；三是，設(shè)計(jì)抱桿的額定方位角和下傾角的過程中，要充分結(jié)合工程設(shè)計(jì)的基本要求，實(shí)現(xiàn)二者的有效融合，確保額定方位角和下傾角的精確性、有效性；四是，安裝天饋系統(tǒng)時，要根據(jù)天饋系統(tǒng)的型號來設(shè)置天饋系統(tǒng)的俯視角度和仰視角度。

3.3 5G 移動網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)性能優(yōu)化

采用對網(wǎng)絡(luò)切換功能進(jìn)行優(yōu)化的方式，提高復(fù)雜環(huán)境下5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)中，可借助信號管理機(jī)制，遵循模糊邏輯原則，進(jìn)行信號頻譜資源的比對，通過該方式掌握信號在傳輸過程中的穿透性，解決網(wǎng)絡(luò)信號在傳輸與通信中的中斷問題，改善5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。需要注意，所有的信號切換都需要做好對網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的控制，一旦出現(xiàn)資源不匹配或資源短缺的問題，就需要在其他網(wǎng)絡(luò)鏈路進(jìn)行資源調(diào)度，以此保證網(wǎng)絡(luò)通信的均衡性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信信號較弱時，終端可通過對鏈路的主動選擇，進(jìn)行移動網(wǎng)絡(luò)的主動切換。在具體實(shí)施技術(shù)性能優(yōu)化措施時，致力于提高5G 頻譜效率從而優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，尤其在5G 獨(dú)立組網(wǎng)的部署的前期階段，但由于小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃并不完善，難以實(shí)現(xiàn)5G 的完整部署。為優(yōu)化該問題，不僅需要滿足5G 獨(dú)立組網(wǎng)部署初期的網(wǎng)絡(luò)接入量的需求，還需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)邊緣用戶的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的改善。從當(dāng)前多維度角度對城市復(fù)雜環(huán)境下的5G 移動通信的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，具有加高的可行性。

3.4 智能交通層面

智能交通綜合了交通、信息、控制工程以及通信技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域。其依托于既有的交通基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)載工具，發(fā)揮5G 移動通信技術(shù)的效能，支持人工智能在交通運(yùn)輸行業(yè)的應(yīng)用，如車輛控制系統(tǒng)、車輛管理系統(tǒng)以及交通監(jiān)控系統(tǒng)等，有助于構(gòu)建安全、高效、經(jīng)濟(jì)以及綠色的綜合交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而改善用戶出行體驗(yàn)。例如：車聯(lián)網(wǎng)是具有代表性的智慧交通建設(shè)成果之一，其通過融入5G 移動通信技術(shù)，既能確保車載系統(tǒng)更加靈敏，又能實(shí)現(xiàn)人與車、車與物等各個環(huán)節(jié)之間的信息互通，根據(jù)出行目的地規(guī)劃最佳出行路線，及時匯報道路擁堵、信號燈變化等路況信息，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)自動駕駛與自動泊車，改善用戶出行體驗(yàn)；智能停車場通過借助5G 移動通信技術(shù)高速率和大寬帶的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)海量數(shù)據(jù)信息的實(shí)時存儲與運(yùn)算管理，既能實(shí)現(xiàn)停車誘導(dǎo)、車位預(yù)定、反向?qū)ぼ嚒㈦娮幼灾顿M(fèi)、快速出入以及保存車輛進(jìn)出場記錄等功能，又能借助模塊化設(shè)計(jì)功能，滿足用戶遠(yuǎn)程異地監(jiān)控、診斷以及升級等個性化使用需求[3]。

3.5 后期的安裝收尾工作

完成前期的安裝準(zhǔn)備、天饋系統(tǒng)安裝工作后，需要進(jìn)行安裝收尾工作。使用萬用表測量外部接入電源和地間的電阻，確保所有設(shè)備不存在短路問題。該過程中，需要注意上電流程。首先，測量供電設(shè)備輸出電壓是否正常，顯示正常之后才能對設(shè)備進(jìn)行上電操作。其次，檢查指示燈是否正常，顯示正常才能確定上電完成；如果某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常狀態(tài)如測量供電設(shè)備輸出電壓不正常，應(yīng)該先排除故障，重新測量，再對設(shè)備上電。最后，確定所有工作完成到位，清理現(xiàn)場并對機(jī)房進(jìn)行上鎖，通知網(wǎng)管中心，在確定無告警之后離站。

4 5G 時代虛擬化核心網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)演進(jìn)

4.1 5G VPDN 網(wǎng)絡(luò)

基于5G 技術(shù)與虛擬專用網(wǎng)撥號網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Dialup Networks，VPDN）技術(shù)構(gòu)建5G VPDN網(wǎng)絡(luò)。5G VPDN 網(wǎng)絡(luò)中，通過使用第2 層隧道協(xié)議（Layer Two Tunneling Protocol，L2TP）或者通用路由封裝（Generic Routing Encapsulation，GRE）隧道技術(shù)，以隧道封裝的方式在5G 核心網(wǎng)內(nèi)部建立與公共互聯(lián)網(wǎng)隔離的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，從而建立2 個5G 業(yè)務(wù)終端之間高效、安全的數(shù)據(jù)互聯(lián)通道，實(shí)現(xiàn)低時延的跨區(qū)域數(shù)據(jù)交互。與普通數(shù)據(jù)通信通道相比，基于5G VPDN 網(wǎng)絡(luò)有如下特點(diǎn)。

（1）數(shù)據(jù)保密傳輸。2 個5G 業(yè)務(wù)終端進(jìn)行端到端通信的過程中，公網(wǎng)隔離虛擬隧道能夠保護(hù)用戶數(shù)據(jù)，確保用戶數(shù)據(jù)的安全性。

（2）傳輸時延低。網(wǎng)絡(luò)中的2 個5G 業(yè)務(wù)終端在通過專用網(wǎng)絡(luò)隧道進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互時，可最大幅度地減少數(shù)據(jù)在公網(wǎng)中的中轉(zhuǎn)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)低時延的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）地址綁定。為實(shí)現(xiàn)端到端通信，具有端到端通信需求的2 個業(yè)務(wù)終端在公網(wǎng)中的IP 地址需固化。以中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司5G 網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行分析，基于VPDN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流如圖1 所示，普通移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流如圖2 所示。對比圖1 和圖2 的數(shù)據(jù)傳輸方式可知，普通移動通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸需經(jīng)過終端設(shè)備A →基站→核心網(wǎng)→服務(wù)器→核心網(wǎng)→基站→終端設(shè)備B，通過的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)要多于VPDN 網(wǎng)絡(luò)，且服務(wù)器端處理數(shù)據(jù)有一定時延。5G VPDN 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，終端設(shè)備之間可以通過隧道直接互訪，無須第三方服務(wù)器進(jìn)行中轉(zhuǎn)，因此VPDN 網(wǎng)絡(luò)時延顯著優(yōu)于普通移動通信網(wǎng)絡(luò)[4]。

圖1 基于VPDN 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流

圖2 普通移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流

4.2 5G 移動網(wǎng)絡(luò)切換技術(shù)性能優(yōu)化

采用優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)切換功能方式，增強(qiáng)復(fù)雜環(huán)境下5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)信號的強(qiáng)度。設(shè)計(jì)中，可借助信號管理機(jī)制，遵循模糊邏輯原則比對信號頻譜資源。通過該方式，可以掌握信號在傳輸過程中的穿透性，以此解決網(wǎng)絡(luò)信號在傳輸與通信中的中斷問題，改善5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。需要注意的是，所有的信號切換都需要做好對網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的控制，一旦出現(xiàn)資源不匹配或資源短缺的問題，就需在其他網(wǎng)絡(luò)鏈路調(diào)度資源，以此保證網(wǎng)絡(luò)通信的均衡性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信信號較弱時，終端可通過主動選擇鏈路，進(jìn)行移動網(wǎng)絡(luò)的主動切換。在具體實(shí)施技術(shù)性能優(yōu)化措施時，致力于提高5G 頻譜效率，從而優(yōu)化通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，尤其在5G 獨(dú)立組網(wǎng)的部署的前期階段。但是，小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃并不完善，因此難以實(shí)現(xiàn)5G 的完整部署。針對這一問題進(jìn)行優(yōu)化，要求不僅需要滿足5G 獨(dú)立組網(wǎng)部署初期的網(wǎng)絡(luò)接入量的需求，還需要改善網(wǎng)絡(luò)邊緣用戶的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。從當(dāng)前多維度角度優(yōu)化城市復(fù)雜環(huán)境下的5G 移動通信的網(wǎng)絡(luò)，具有較高的可行性[5]。

4.3 維護(hù)5G 基站的干擾

建設(shè)5G 基站的過程中，為擴(kuò)大5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面，需要部署許多無線設(shè)備。但是，根據(jù)實(shí)際情況，無線設(shè)備的數(shù)量多、安裝部署地點(diǎn)不固定等問題易導(dǎo)致不同基站之間相互干擾。其原因是5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的過程中，設(shè)備本身的故障會導(dǎo)致射頻單元傳輸錯誤信號，進(jìn)而嚴(yán)重影響基站的信號質(zhì)量。此外，5G移動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安裝與配置的不標(biāo)準(zhǔn)、不規(guī)范會影響5G 信號，導(dǎo)致信號的靈敏度降低，非常不利于5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸。進(jìn)行5G 基站的維護(hù)工作時，相關(guān)工作人員應(yīng)該定期檢驗(yàn)和測試設(shè)備，以便及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，進(jìn)而有效避免信號干擾對5G 基站帶來的影響，保障5G 移動通信設(shè)備的穩(wěn)定可持續(xù)運(yùn)行。

5 結(jié) 論

隨著5G 技術(shù)的不斷發(fā)展，5G 通信系統(tǒng)的部署成本將不斷降低，經(jīng)濟(jì)性也會不斷改善，并獲得更加廣泛的應(yīng)用。同時，隨著5G 切片技術(shù)的不斷成熟，未來相關(guān)控制網(wǎng)絡(luò)將采用5G 切片網(wǎng)絡(luò)，將系統(tǒng)中無線接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)以及核心網(wǎng)側(cè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行切片，并應(yīng)用于該系統(tǒng)，能夠進(jìn)一步降低控制時延，提升網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的魯棒性與安全性。