基于5G移动通信技术的核心网架构研究

袁文学

（广西通信规划设计咨询有限公司，广西 南宁 530000）

0 引 言

21 世纪以来，网络技术快速发展，促进移动网络持续开发与应用进程，提升了移动网络的服务品质，逐渐成为各大移动网络公司业务持续发展的基础。近年来，5G 核心网在互联网行业内获得了肯定与青睐。国际组织在召开相关会议时也明确提出把服务化架构（Service Based Architecture，SBA）作为5G 核心网标准基础架构[1]。SBA 架构运作期间能够辅助提升网络的开放性，拓展新业务，提高资源利用率。

1 5G 移动通信技术

5G 移动通信技术是最新一代蜂窝移动通信技术，也是4G 移动通信技术的延伸，具备高速率、低时延以及大连接等特点。5G 移动通信作为移动设备之间先进的通信模式，能够显著改善用户的主观体验，确保网络传输的高速性，在很大程度上也体现出一个国家的科技实力[2]。

与4G 移动通信技术相比，5G 移动通信技术的网络传输速度更快，5G 移动通信基站的峰值速率可以达到下行链路20 Gb/s 和上行链路10 Gb/s。伴随高新技术的开发应用，5G 移动通信技术的峰值速度将会有更大的提升[3]。当前5G 移动通信网络已经实现了广泛覆盖，未来需要进行更高品质的深度覆盖。5G 移动通信技术支持物联网应用，能够为广大用户带来良好的体验，提高其主观满意度，对物联网产品的普及起到明显的促进作用。现实生活中，140 ms 的时延能满足大部分群体使用网络的需求，但这个时延在无人驾驶、工业自动化领域内的适用性很差。5G 移动通信技术的极限时延为1 ms，较好地满足了以上领域的发展需求[4]。

2 5G 核心网架构应用中面对的主要挑战

2.1 三大场景及其需求有差别

5G 的主要应用场景有3 个，分别是增强型移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、海量机器类通信（massive Machine Type Communication，mMTC）、超可靠低时延通信（ultra Reliable and Low Latency Communications，uRLLC）。需求场景及各自的重要技术指标如表1 所示[5]。

表1 3 大应用场景的需求与重要技术指标

5G 移动通信网络需求呈现出多样化特征。eMBB、mMTC、uRLLC 这3 类应用场景的需求和重要指标存在着差异，甚至在一些场景下出现矛盾，此时创建单一网络很难发挥良好的支撑作用。5G 核心网网络架构建设与应用过程中会遇到诸多挑战与阻碍。

2.2 用户平面与控制平面分离不够彻底

移动通信由过去的通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）发展至演进的分组核心网（Evolved Packet Core，EPC），同时相应的网络架构完善过程中形成的新体系架构表现出较高的相似度。在某个角度上，其依然表现出控制平面与转发平面的分离状态，但是二者的分离不够彻底，如EPC 架构内的移动性管理实体（Mobility Management Entity，MME）、策略计费和规则功能（Policy and Charging Rule Function，PCRF）均是纯控制平面内经典的网元类型，但服务网关（Serving Gate Way，S-GW）、PDN 网关（PDN Gate Way，P-GW）等主体网元在转发数据时依然要兼顾局部控制平面功能的发挥情况。以上这种情况是造成网络控制平面与转发平面不能完全分离的主要原因，进而导致处理时延增加、网络灵敏度降低等问题[6]。

以eMBB 场景为例进行分析，eMBB 场景下不同应用场景的需求与组网形式见表2。

表2 eMBB 下不同场景的组网形式及需求

2.3 软件与硬件之间的紧密耦合

各大运营商基于大型专属硬件设备持续升级移动通信服务，而新业务会使运营商在硬件建设、运营、维护及升级等方面遇到挑战。例如，当投入一项新的网络服务时，要将和其相配套的硬件设备接入既有的通信网络，实现软件与硬件之间的紧密耦合，不仅会增加设备的投资成本，还会提高后期维护的复杂度。

3 5G 时代核心网架构的设计与关键技术

3.1 架构设计

5G 系统架构（5G System Architecture，5GS）设计的核心部分主要集中在顶层、核心网、无线网3 大方面，其中顶层和核心网被公认为是网络核心架构的标准化项目。架构与核心网设计同属于网络运营管理的范畴，也是通信产业链建设发展过程中关注的一大焦点。5G 通信实现标准化发展及应用的目标是一个相对漫长的过程，需要处理好系统架构、程序、接口、漫游及其和既有网络的兼容关系。设计5G 网络架构时要遵循以下原则[7]。

（1）刚性逐渐发展成为柔性，即从前期运用网元可靠固定连接的固定网络顺利转变成由网元部署成的动态网。

（2）移动网络互联网化、IP 化，融合IT 网络，运用互联网技术重构、优化网络。

（3）创建集中/分布的智能处理系统，集中优化并调度各项使用功能，进而为大客户提供垂直的定制化增值服务项目，增加单位时间内用户的网络吞吐量。

3.2 关键技术

3.2.1 SDN

软件定义网络（Software Defined Network，SDN）从本质上讲是一种创新型的网络架构，能够有效分离网络内的控制平面和数据平面，进而运用集中控制器内的软件平台通过编程形式控制底层硬件，能按需灵活调配网络资源。和传统网络架构相比，SDN 技术的主要特征集中在以下2 个方面：一是彻底分离控制平面和转发平面，且二者之间的接口符合网络在开放性与可编程性方面提出的要求；二是控制平面运作过程中实现集中化处理。SDN 组网原理如图1 所示。

图1 SDN 组网原理

3.2.2 NFV

当网络软件与硬件设备之间出现解耦状况时，相互之间的依赖度随之降低，利用网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）能够实现软硬件资源的解耦与软件功能的抽象。云计算与虚拟化是NFV 技术发挥作用的基础，虚拟化技术最大的功能是将通用型平台上的运算、存储、网络等硬件设施细分成多样化的虚拟资源，实现应用和硬件之间的成功解耦。云计算能使网络资源应用时更具弹性，精准匹配资源和业务负荷，提升网络资源利用率，保障系统的快速响应[8]。

3.2.3 SBA

为了增强对5G 移动通信应用场景的适应性，可以尝试基于SBA 设计5G 核心网架构。SBA 技术最大的功能是将过去具备多种功能的网元拆分成数个具备专属功能的网元，各网元均能提供相应的微服务项目[9]。运用SBA 对网元功能进行模块化解耦，能显著提高组网的灵活度。5G 核心网SBA 架构如图2 所示。

图2 5G 核心网SBA 架构

3.2.4 网络切片

面对广大网络用户在业务流量方面提出的差异化需求，核心网内的网络切片能有效对接无线接入网。网络切片技术的应用原理是在同个物理网络上成功建设出多个逻辑网络，依次对eMBB、mMTC 与uRLLC这3 个应用场景起到良好的支撑作用。通过在同张物理网上规划多个虚拟的专用逻辑网架构，提供端到端、按需定制项目服务，可以更好地满足大环境下多元化的通信需求[10]。

4 结 论

综合分析5G 移动通信3 大应用场景的需求与重要技术指标差别，明确当前5G 核心网架构面对的主要挑战，探讨5G 核心网架构建设关键技术。合理应用SDN 与NFV 技术有助于增强5G 核心网架构的灵活性，在SBA 技术的协助下实现网络重构、优化，从而更好地满足5G 移动通信网络在不同应用场景下可靠运作的现实需求，提高其社会效益与经济效益。