5G 移动网络通信技术的核心网架构分析

董晓娟

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

信息科学技术快速发展的新时期，人工智能应用领域更加广泛，如计算机科学、金融、医疗、重工业以及运输等，人们对信号传输质量提出了更高要求。5G 移动通信技术是对4G 移动通信技术的升级优化，能够提升通信网络效能，既能通过人机物互联的方式为人工智能的各种算法提供数据支撑，又能利用边缘计算功能实现终端与云端的有效衔接。一方面，5G移动通信技术扩大了人工智能的应用范围，促进实现万物互联；另一方面，人工智能可以优化调整5G 移动通信技术参数配置和网络架构，自行修复故障问题，进而促进5G 移动通信技术发展。因此，5G 移动通信技术与人工智能相辅相成。

1 5G 核心网的整体架构

5G 核心网涉及的主要网元包括应用功能（Application Function，AF）、网络开放功能（Network Exposure Function，NEF）、网络存储功能（Network Repository Function，NRF）、网络切片选择功能（Network Slice Selection Function，NSSF）、统一数据管理功能（Unified Data Management，UDM）、策略控制功能（Policy Control Function，PCF）、鉴权服务功能（Authentication Server Function，AUSF）、用户平面功能（User Plane Function，UPF）、会话管理功能（Session Management Function，SMF）以及接入和移动管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）。5G 核心网主要网元除UPF 外均属于控制面，UPF 属于用户面，服务化架构设计用于控制面网元，服务化接口负责彼此间通信，传统架构和接口用于用户面。5G 移动通信技术虽然比4G 移动通信技术在会话管理、移动性管理分离、模块化解耦以及组网灵活等方面更具优势，但是对网络运营管理、网络规划以及传输等能力提出了更高要求。5G 移动通信技术发展的过程中，5G 核心网/虚拟化的演进型分组核心网（5G Core/virtualized Evolutionary Packet Core，5GC/vEPC）与演进型分组核心网（Evolved Packet Core，EPC）的协同组网需得到重视[1]。

2 5G 核心网部署特征

5G 核心网架构能够虚拟隔离业务且统一部署控制面功能（Control Plane Function，CPF），部署中需要虚拟隔离控制面、用户以及业务。该部署方式能够利用核心机房集中管理各项业务的运营，并根据业务需求利用分布式的UPF 实现本地分流，满足低延时场景的需要，保证部署高效准确。此外，该部署方式在第三方客户服务方面发挥着重要作用，能够利用各种基础信息满足企业创新和拓展本地化的需求。核心网构架中，利用5G 网络软件和网络功能虚拟化技术能够将智能化技术应用于5G 核心网，同时灵活地、可编程地开放和扩展5G 网络[2]。

3 5G 移动通信技术的核心网构架

3.1 前期的安装准备

5G 基站前期的安装质量和效果会影响后期的安装和维护质量，因此相关运营商应该高度重视。前期的安装准备主要包括3 个步骤：首先，要开箱验货，核对货物的数量和完整度，及时补齐不足的货物或者坏掉的材料，为后续工作节省时间；其次，要完善现场评估工作，其中最重要的一环就是要检查施工现场是否存在危险源，若存在危险源，则应当采取合理措施将其消除，避免发生安全事故；最后，要进行工器具、安全防护用具以及工作人员等的安全检查工作。

3.2 天馈系统安装

完成5G 基站前期安装准备工作后，就可以着手安装天馈系统，即安装集成射频模块和天线模块。该过程要遵循先安装抱杆，再安装天馈系统的规则。抱杆是天线的重要载体，安装人员在安装抱杆时，需要注意4 方面的问题：一是，要保证抱杆和信号塔之间的距离不能少于3 m，定向距离不大于1 m；二是，在对抱杆进行固定和接地时，要严格遵循工程的施工要求；三是，设计抱杆的额定方位角和下倾角的过程中，要充分结合工程设计的基本要求，实现二者的有效融合，确保额定方位角和下倾角的精确性、有效性；四是，安装天馈系统时，要根据天馈系统的型号来设置天馈系统的俯视角度和仰视角度。

3.3 5G 移动网络切换技术性能优化

采用对网络切换功能进行优化的方式，提高复杂环境下5G 移动通信网络的强度。在设计中，可借助信号管理机制，遵循模糊逻辑原则，进行信号频谱资源的比对，通过该方式掌握信号在传输过程中的穿透性，解决网络信号在传输与通信中的中断问题，改善5G 移动通信网络的质量。需要注意，所有的信号切换都需要做好对网络资源调度的控制，一旦出现资源不匹配或资源短缺的问题，就需要在其他网络链路进行资源调度，以此保证网络通信的均衡性。当网络通信信号较弱时，终端可通过对链路的主动选择，进行移动网络的主动切换。在具体实施技术性能优化措施时，致力于提高5G 频谱效率从而优化通信网络质量，尤其在5G 独立组网的部署的前期阶段，但由于小区网络的规划并不完善，难以实现5G 的完整部署。为优化该问题，不仅需要满足5G 独立组网部署初期的网络接入量的需求，还需要实现网络边缘用户的网络质量的改善。从当前多维度角度对城市复杂环境下的5G 移动通信的网络优化，具有加高的可行性。

3.4 智能交通层面

智能交通综合了交通、信息、控制工程以及通信技术等科学领域。其依托于既有的交通基础设施和运载工具，发挥5G 移动通信技术的效能，支持人工智能在交通运输行业的应用，如车辆控制系统、车辆管理系统以及交通监控系统等，有助于构建安全、高效、经济以及绿色的综合交通运输网络，进而改善用户出行体验。例如：车联网是具有代表性的智慧交通建设成果之一，其通过融入5G 移动通信技术，既能确保车载系统更加灵敏，又能实现人与车、车与物等各个环节之间的信息互通，根据出行目的地规划最佳出行路线，及时汇报道路拥堵、信号灯变化等路况信息，甚至能够实现自动驾驶与自动泊车，改善用户出行体验；智能停车场通过借助5G 移动通信技术高速率和大宽带的优势，能够实现海量数据信息的实时存储与运算管理，既能实现停车诱导、车位预定、反向寻车、电子自助付费、快速出入以及保存车辆进出场记录等功能，又能借助模块化设计功能，满足用户远程异地监控、诊断以及升级等个性化使用需求[3]。

3.5 后期的安装收尾工作

完成前期的安装准备、天馈系统安装工作后，需要进行安装收尾工作。使用万用表测量外部接入电源和地间的电阻，确保所有设备不存在短路问题。该过程中，需要注意上电流程。首先，测量供电设备输出电压是否正常，显示正常之后才能对设备进行上电操作。其次，检查指示灯是否正常，显示正常才能确定上电完成；如果某一环节出现异常状态如测量供电设备输出电压不正常，应该先排除故障，重新测量，再对设备上电。最后，确定所有工作完成到位，清理现场并对机房进行上锁，通知网管中心，在确定无告警之后离站。

4 5G 时代虚拟化核心网的组网结构演进

4.1 5G VPDN 网络

基于5G 技术与虚拟专用网拨号网络（Virtual Private Dialup Networks，VPDN）技术构建5G VPDN网络。5G VPDN 网络中，通过使用第2 层隧道协议（Layer Two Tunneling Protocol，L2TP）或者通用路由封装（Generic Routing Encapsulation，GRE）隧道技术，以隧道封装的方式在5G 核心网内部建立与公共互联网隔离的虚拟专用网络，从而建立2 个5G 业务终端之间高效、安全的数据互联通道，实现低时延的跨区域数据交互。与普通数据通信通道相比，基于5G VPDN 网络有如下特点。

（1）数据保密传输。2 个5G 业务终端进行端到端通信的过程中，公网隔离虚拟隧道能够保护用户数据，确保用户数据的安全性。

（2）传输时延低。网络中的2 个5G 业务终端在通过专用网络隧道进行业务数据交互时，可最大幅度地减少数据在公网中的中转次数，实现低时延的数据传输。

（3）网际互连协议（Internet Protocol，IP）地址绑定。为实现端到端通信，具有端到端通信需求的2 个业务终端在公网中的IP 地址需固化。以中国联合网络通信集团有限公司5G 网络为例进行分析，基于VPDN网络的数据流如图1 所示，普通移动网络的数据流如图2 所示。对比图1 和图2 的数据传输方式可知，普通移动通信网络数据传输需经过终端设备A →基站→核心网→服务器→核心网→基站→终端设备B，通过的网络节点数要多于VPDN 网络，且服务器端处理数据有一定时延。5G VPDN 网络内，终端设备之间可以通过隧道直接互访，无须第三方服务器进行中转，因此VPDN 网络时延显著优于普通移动通信网络[4]。

图1 基于VPDN 网络的数据流

图2 普通移动网络的数据流

4.2 5G 移动网络切换技术性能优化

采用优化网络切换功能方式，增强复杂环境下5G 移动通信网络信号的强度。设计中，可借助信号管理机制，遵循模糊逻辑原则比对信号频谱资源。通过该方式，可以掌握信号在传输过程中的穿透性，以此解决网络信号在传输与通信中的中断问题，改善5G 移动通信网络的质量。需要注意的是，所有的信号切换都需要做好对网络资源调度的控制，一旦出现资源不匹配或资源短缺的问题，就需在其他网络链路调度资源，以此保证网络通信的均衡性。当网络通信信号较弱时，终端可通过主动选择链路，进行移动网络的主动切换。在具体实施技术性能优化措施时，致力于提高5G 频谱效率，从而优化通信网络质量，尤其在5G 独立组网的部署的前期阶段。但是，小区网络的规划并不完善，因此难以实现5G 的完整部署。针对这一问题进行优化，要求不仅需要满足5G 独立组网部署初期的网络接入量的需求，还需要改善网络边缘用户的网络质量。从当前多维度角度优化城市复杂环境下的5G 移动通信的网络，具有较高的可行性[5]。

4.3 维护5G 基站的干扰

建设5G 基站的过程中，为扩大5G 移动通信网络的覆盖面，需要部署许多无线设备。但是，根据实际情况，无线设备的数量多、安装部署地点不固定等问题易导致不同基站之间相互干扰。其原因是5G 移动通信网络运行的过程中，设备本身的故障会导致射频单元传输错误信号，进而严重影响基站的信号质量。此外，5G移动通信网络设备安装与配置的不标准、不规范会影响5G 信号，导致信号的灵敏度降低，非常不利于5G 移动通信网络信息的传输。进行5G 基站的维护工作时，相关工作人员应该定期检验和测试设备，以便及时发现并解决问题，进而有效避免信号干扰对5G 基站带来的影响，保障5G 移动通信设备的稳定可持续运行。

5 结 论

随着5G 技术的不断发展，5G 通信系统的部署成本将不断降低，经济性也会不断改善，并获得更加广泛的应用。同时，随着5G 切片技术的不断成熟，未来相关控制网络将采用5G 切片网络，将系统中无线接入网、传输网以及核心网侧的网络设备进行切片，并应用于该系统，能够进一步降低控制时延，提升网络和系统的鲁棒性与安全性。