5G新型网络架构研究

杨子

摘要：基于4G通信的迅速发展和成熟，移动通信产业逐渐进入了第五代通信（5G）的发展阶段。5G将大幅改善移动网络的运营和部署效率，满足人们日益增长的移动通信需求，同时5G通信系统将向网络方向延伸。本文通过分析和学习5G通信网络中的一系列关键技术，对构建5G新型网络架构进行探讨和研究。

关键词：5G 网络 架构

前言

随着移动通信技术和产业的发展，以及用户对数据流量和移动性的要求越来越高，5G移动通信系统应运而生。它将迅速渗透到交通、工业和服务业等领域，并且将为智能终端，智能控制系统以及人工智能等行业的蓬勃发展打下坚实基础。5G通信系统在4G的基础上向网络侧延伸，并通过一系列关键技术构建新型网络架构。

1. 5G网络的平台结构

5G通信网络主要通过基础设施平台和网络架构两个方面来构建。5G网络通过互联网和虚拟化技术搭建新型基础设施平台，而在网络架构方面采用控制转发分离和控制功能重构的技术。

1.1 新型基础设施平台

网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）是实现5G新型基础设施平台的两个关键技术。

在NFV技术中，软件与硬件的分离和网络功能模块化增强了控制功能的重构性。NFV技术将资源从物理端映射到虚拟端，并且可以在虚拟端进行管理和资源优化这样不仅发挥了虚拟化系统的优势，而且还提高了网络的安全性。

SDN技术分离了控制与转发功能，借鉴IT领域的微服务理念，将软件分解为细粒度的模块化组件，并通过开放应用程序编程接口（API）来实现微服务的集成，以提升应用开发的整体灵活性。

1.2 网络的逻辑结构

5G网络的逻辑结构中有接入网和核心网两个层次，以及接人、控制和转发三个功能平面。

接入网以用户为中心，构建多个层次的异构网络，并且容纳了多种空口接入技术，具备较高的无线资源利用率。核心网可以实现按需编排差异化业务需求，并将业务存储和计算能力从网络中心下移到网络边缘。

接入平面的主要功能是执行指令，并将指令传输到接入网并在核心网中实现，接入平面的站间协同实现了有线和无线之间的连接转换。前端接入有两种组网模式，分别为C-RAN和DRAN。

控制平面的主要功能是将接收的指令进行排版编辑，主要采用了控制功能模块化、逻辑处理分离化等先进技术，将抽离的控制转发功能传输到控制平面，并完成部件拆分和网络重组，从而形成专门的网络架构系统。

转发平面包含用户面之下的分布式网关，在网络层引入分段选路的概念，源节点按照每次通信首个IP包的特征来配置流表，该次通信的后续IP包被抽象为同一流，中间节点只需维护拓扑信息并按流表执行转发功能。

1.3 网络的部署

5G网络的部署包括接入网、汇聚网和骨干网三部分，网络的控制功能包括了核心网控制功能和接入网控制功能，整体呈现“一种逻辑结构，多种组网结构”的形态。

在SG网络中，针对用户的不同业务需求通过网络控制面的协同和编排，动态地将相应的网络资源组成切片，即每一种业务建立逻辑上的VPN，各切片间业务相互隔离。每个切片的拥塞、过载、配置的调整不影响其他切片，而不同切片中的网络功能可在相同的位置上共享相同的软硬件平台。

2. 5G网络架构的关键技术

5G新型网络架构中的一系列关键技术，在实现各种功能的同时将網络架构的各个功能平面紧密的融合在一起，进而在各个网络层次的管理和配置中起到关键作用，最终形成灵活高效的网络系统。

2.1 控制转发分离

在5G网络中核心网的网关设备将控制功能和转发功能相互分离，转发平面将专注于业务数据的路由转发，而控制平面采用逻辑集中的方式实现统一控制，进而使网络架构更加扁平化。

2.2 控制功能重构

将通信网络中的控制平面拆分成独立的功能模块，再根据不同的应用场景进行组合，进而满足5G业务对于网络多样性的需求。

控制重构技术包括三个方面：

（1）控制面功能模块化：将控制面中各类功能分拆重组，并根据应用场景选定功能。

（2）优化控制面处理逻辑：对各类功能间的交互进行优化，提高功能聚合效率。

（3）状态与逻辑处理分离：业务处理逻辑和状态存储逻辑分离有利于系统稳定性。

2.3 新型连接管理

针对不同用户和业务的QoS需求，新型连接管理提供了定制化和差异化的服务。5G网络会根据终端属性、请求类型、网络状况等信息来确定连接参数，然后由控制平面根据连接参数生成连接管理指令，并由转发平面转发连接管理指令来完成连接管理。

2.4 统一的无线接入技术

5G网络中包含多种无线接入技术，这些接入技术之间可以通过集中的无线网络控制功能实现融合，或者通过接口实现分布式的协同。统一的多无线接人融合技术包括四个方面：

智能接入控制与管理、多无线接入资源管理、协议与信令优化和多制式多连接技术。

2.5 无线资源调度与共享

5G的无线资源调度和共享是通过无线接入网分簇化集中控制、无线网络资源虚拟化和频谱共享技术实现对无线资源的高效控制和分配，从而满足各种典型应用场景。

分簇化集中控制通过分簇化集中控制与管理功能模块，实现无线资源动态分配与智能管理;无线网络资源虚拟化通过对接入网平台资源和传输资源共享和切片，'构建虚拟无线接入网络;频率共享技术根据不同应用场景动态使用频谱资源和不同系统间频谱共享。

2.6 定制化部署和服务

定制化部署和服务技术在感知用户行为和业务类型后，在无线接入网提供差异化和定制化服务，主要包括软件定义协议栈和软件定义拓扑结构两个方面：

（1）软件定义协议栈：利用软硬件分离以及数据面和控制面分离技术，重新定义协议栈。

（2）软件定义拓扑结构：软件定义的拓扑主要实现5G无线网络自组织、自优化、自配置功能。

3.总结与展望

移动通信系统的长期演进和变革，使得现代通信系统更加趋于个人通信，在充分提高网络运营效率的同时满足用户对网络高效性和多样性的需求。5G移动通信系统以它新型的网络架构，提供优质和智能的网络服务平台，从而满足未来的移动互联网和物联网的业务要求。

5G网络是以信息技术与通信技术深度融合为基础，同时也代表了智能移动网络的阶段性进展。新型的硬件设施平台和灵活高效的网络架构驱动5G网络的智能化变革，各类AI人工智能终端以及高数据密度的云平台都给移动通信网络带来了巨大挑战，但同时也提供了更多的变革契机，深度智能移动通信网络将是未来通信产业发展的主要方向。

参考文献

[l]余黎明.5G网络安全技术与发展[J].电子技术与软件工程，2019（02）：185.

[2]罗卓鸿.5G网络架构标准化进展[J]通信设计与应用，2019（02）：6-7.

[3]黄钟明.5G网络架构设计与标准化进展[J]，信息通信，2018（04）：270-271