5G网络的核心网络架构和关键技术探讨

韩 芸

（安徽省淮南无线电监测站， 安徽 淮南 232000）

一、引言

随着第四代无线通信技术的推广，面对新的无线应用程序对无线技术更高的数据传输速率，更大的网络容量，更高的频谱利用率和更有效的能源利用率的持续增长的需求，运营商们面临着更大的压力。而4G网络仅仅大约达到了目前技术理论上的数据速率限制，不足以应付上述挑战。第五代无线通信技术的研发迫在眉睫。移动互联网的蓬勃发展是5G移动通信的主要驱动力，5G移动通信的主要发展目标将是与其他无线移动通信技术密切衔接，为移动互联网的快速发展提供无所不在的基础性业务能力。5G并不是单一的无线接入技术，也不是几个全新的无线接入技术，而是多种新型无线接入技术和现有无线技术集成后的解决方案总称。从某种程度上讲，5G是一个真正意义上的融合网络，是传输速率可以达到10Gbps的移动通信技术[1-2]。

由于5G采用了非常高的带宽，它将会大大改变如今移动通信的面貌。5G将支持正交频分复用、多载波码分多址、大区域同步码分多址、超宽带和IPV6。可以设想5G网络将成为真正的世界级无线网，其基本特点在于覆盖率大，传输速率提升，延迟减少，传输宽带增加。

二、5G核心网络架构

在目前的网络架构中，UE更改分组数据网网关和IP地址时，只能通过重新附着的方式，无法支持频繁的网间切换。同时，固定锚定点的使用，也造成了核心网路由的低效率。如果所有运营商都能通过IP网络连接到一个拥有巨大容量的超级核心网络，则能大大减少连接成本，降低网络复杂性，同时可以减少端到端连接的网络实体数量和网络时延。未来，5G网络将是一个基于全IP和纳米核心网技术的扁平化移动通信系统，新的网络架构能给UE带来GW之间的无缝切换，而不受GW独立性限制。此外，在5G通信系统中，网络架构还包括一种用户终端和各种独立的、自动无线接入技术。

（一）扁平化IP网络

在5G时代，基站将更加小型化，具备更强大的功能，可以安装在各种场景，并与周围环境更好地融合；对用户而言，无论何时何地，都可随意接入网络，并保持永远在线。但在现阶段，由于EPC网络使用固定网元P-GW作为分层结构，不能灵活拓展，无法适应未来超高速的流量增长。因此，在未来的通信系统中，将引入扁平化IP架构。

扁平化IP架构提供了一个能够通过名称而不是IP地址来识别终端的方法，并根据M-ICT时代的业务特性进行扁平化改造。扁平化IP架构通过分布云的移动核心信息传递功能、分布式软件架构和逻辑GW及网络功能虚拟化等技术，将垂直的网络架构演进为分布式的水平网络架构。扁平化IP的显著优点有：（a）低成本（b）通用的无缝访问（c）提高用户经验（d）降低系统延迟。扁平化网络结构从网络中移除了以语音为中心的层次机构，而不是覆盖语音网络的核心数据包。删除网络链中的多个元素可以实现分离和简化数据体系结构。

5G网络利用扁平化IP的概念使得不同RAN升级到单个纳米核心网变得容易许多。我们的5G网络使用纳米技术作为由于扁平化IP带来的安全问题的防御工具。为了满足客户希望通过移动宽带实时传送数据的需求，无线运营商正在转向扁平化IP网络体系结构。扁平化IP体系结构提供了一种利用符号名称识别设备的方法，不同于在平常IP地址中使用的层次结构。这一点引起了运营商们的兴趣，向扁平化IP架构的转变可以有以下优点：

（1）减少了降低运营成本和资本开支时网络元素的数目；

（2）部分较少了从数据传输量到新出现的应用程序需求的基础设施能力的提供服务成本；

（3）最小化系统延迟和启用应用程序可以在延迟时有一个较小的容差，在无线链路上即将到来的延迟增强也可以完全实现；

（4）分组核心网络和电台访问相对过去更大程度的独立了，在网络规划和部署上创造了更大的灵活性；

（5）发展一个灵活的核心网络可以作为跨移动和通用IP的服务创新的基础。

（二）纳米核心网技术

纳米核心网是纳米技术、云计算、全IP网络的融合[3-4]。

1.纳米技术

纳米技术指的是将纳米科学运用在操作控制上，将精度控制在0.1～100nm的范围之内。纳米技术已经展现了它在移动通信和核心网中的影响力，纳米技术将成为通信行业迅速转向下一代的里程碑技术。这就要求设备必须是可移动的，在5G通信中，移动终端将被植入纳米技术的芯片，称之为“纳米终端”，将具有前所未有的感应、计算和通信等能力。因此，在5G通信中，纳米核心网的纳米设备是移动终端本身。

2.云计算

云计算是一种使用互联网和中央远程服务器维护数据和应用程序的技术。云计算允许用户可以使用无需安装的应用程序和通过互联网访问他们在任何一台计算机上的个人文件。相同的概念运用到纳米核心网中，当用户尝试访问他的私人账户，纳米核心网将以云的形式形成一个全球内容提供者。云计算的发展给运营商们带来了巨大的商机。自从云计算依赖于网络，它已经显示了网络的巨大意义，并促进了网络的发展。运营商可以进入云计算市场并创建新的增值服务，行业整合的经验和数字超级市场模型的应用。这可以使得我们的用户获得更多实时有效利用5G网络的应用。

5G网络是一个基于云计算的异构网络。由于在引入无线新技术的同时必须满足对现存制式的接入控制，因此，需要建立一种新的控制机制来协调各种制式之间、频段之间以及小区之间的无线资源，以显著提升用户在各种场景下的数据接入能力。通过将无线资源的管理和调度功能云化，按需进行资源划分和管理，同时，通过云端将无线接入和移动节点虚拟化，利用智能的内容传送网络SDN，将大大降低网络的建设和管理成本，最终实现5G级现有无线网络的统一运营。

3.全 IP 网络

如前文所述，在5G网络中，将不同的技术融合形成单一的纳米核心网，因此，我们需要一个共同的交互平台。扁平化的IP结构将扮演者至关重要的角色。全IP网络的构建思想最早由3GPP在R4版本中提出，以满足不断增长的移动通信市场要求。全IP网极大地满足了无线通信业务发展的需求，使用户可以随时随地地通过无线网络获取数据应用，为运营商提供一个持续的革新方案和优化方案，使其在产品的性能和价格上更有竞争力。

所有基于全IP的服务对基于全IP的设备和装置有严格的性能要求，这反过来造成了对多核技术的需求增长，对下一代网络的有线和无线先进电信服务和企业也有日益增长的需求。在未来几年内，超过100亿固定和移动设备将会通过互联网连接到已有的连接中。所有这些服务都将要部署到全IP化的体系结构中。

三、射束分割多址技术在5G网络中的应用

移动通信的目的是让更少的花费享受更先进、更多样化的通信服务。由于有限的频率范围，为用户提供更多的系统孔家和高质量的服务势必会给无线通信带来巨大的挑战。应对这个挑战的方法就在于如何利用有限的频率与时隙，而多址技术能很好地完成这个目的。射束分割多址技术根据移动基站的位置划分天线数据流，允许移动基站获取更多的访问，因此对于增加系统性能有巨大意义[5]。在移动通信系统中，因为有限的频率资源与时隙资源被分割，并被不同的用户使用，所以有限的频率与时隙决定了移动通信系统的容量。所以，不断地增加移动基站数量与各自基站的数据量是未来网络建设的趋势。

四、结论

5G网络将融合多种无线通信技术，能很好地解决频率许可和频谱管理问题，给运营商带来更小的投入和更大的经济收益，在安全私密性上也将给公众提供前所未有的完美体验。未来，5G技术将从每一个细微的方面在全球范围内改变人类的生活方式，成为一个新革命的开始。

[1]余 莉，张治中，等.第五代移动通信网络体系架构及其关键技术[J].重庆邮电大学学报（自然科学版）,2014,（4）.

[2]黄 韬.未来网络体系架构研究综述[J].通信学报,2014,（8）.

[3]尤肖虎，潘志文，等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学,2014,（5）.

[4]月 球，王晓周，等.5G网络新技术及核心网架构探讨[J].现代电信科技,2014，（12）.

[5]王景尧，白 岩，等.5G无线通信技术发展跟踪与分析[J].现代电信科技,2014，（12）.