5G 网络通信技术及核心网络架构的探索

周振贤，黄华兴

（广州市信息技术职业学校，广东 广州 510000）

0 引言

5G 网络通信技术发展不断提速使得网络架构进一步扁平化，网络规模日新月异正改变着人们的生活，在经济发展新时期为商业、工业和消费电子行业提供了巨大的机会，可应对多种场景需求。5G 技术凭借其自身优势，在具体应用实践中实现了人与人、人与物之前的高效沟通，随着该技术手段不断在网络通信领域攻关，未来会实现多场景广泛应用。

1 5G 移动通信网络关键技术分析

1.1 大规模MIMO 技术

MIMO 技术具体指的是将天线放置在发东端和接收端两个端口组成一个良好的通信链路。随着社会用网需求不断增大，在两个端口添加天线可大大提升通信质量，而且促使通信方式变得更加灵活，自由程度更高，容纳信息数量更大。4G 网络部署时主要以8 端口多用户MIMO 为主，5G 移动通信网络技术的布局需要围绕大规模MIMO，设置多个天线阶段，从而为架构应用提供支持[1]。

1.2 基于服务的架构

SBA（基于服务的架构）在5G 移动通信技术支撑下对核心网功能重新进行划分，优化了应用场景需求。基于5G 技术的核心网服务化架构如图1 所示。所有在网络架构支撑下的各项服务单元相互独立，系统更新升级或是故障维护互不影响，如果应用场景变化可以根据具体需要对服务项目进行拓展。同时分散化的模块网络单元在功能上也可以进行组合，可以满足第三运营商对多种组网方式达成的需求。

图1 基于5G 技术的核心网服务化架构

1.3 D2D 通信技术

D2D 通信技术与5G 移动通信技术的耦合，不仅可以强化通信信号，还能够有效延长无线数据流量，在一定程度上能够让通信之前的距离缩短，作为一种新型技术手段可大大节省资源，有利于保证通信稳定。

1.4 控制与用户面分离

CUPS（控制与用户面分离）实现了提高网络运行速度提高，最大限度缩短了信息交互时间，打破了时间、空间局限，即便是物理层面距离较远也能将传输速度控制在毫秒级延迟范围之内。

1.5 边缘计算技术

云端计算功能是保证5G 移动通信核心网运行稳定和功能多样的前提。5G 核心网的控制面和用户面是相互分离的，使得UPF 部署的位置更接近用户端网络，进一步扩大了网络的带宽，实现了组网运行提速，可满足当下激增的数据交互需要，确保网络运行与服务质量。

1.6 网络切片技术

如果我们要想降低网络延迟影响，就必须保证各个网络模块的独立，在不同应用场景下可以实现数据资源共享，但是运行互不干扰，网络切片技术就是实现这一部署的关键技术。在整个网络框架设备功能统一布局的前提下，使用虚拟化技术提供多种服务类型，以满足用户多元化的用网需求。

1.7 绿色通信技术

绿色通信技术是智能化网络建设中的重要组成部分，重点集中在实现异构网络的部署，达到良好的节能效果。需要处理的主要问题在于基于网络调度的角度，解决单个基站的能耗问题，根据使用需要加大调整，使得资源得到最大化的利用。

2 5G 移动通信网络架构

2.1 接入网

5G 移动网络系统当中接入网是由多种技术组合成的，将4G 网络作为基础，根据应用场景不同进行设备和功能上的布局。利用C-RAN 技术、单一无线控制器以及基站来进行数据的集成和资源的分配，由于资源利用效率更高，因此经济性更好。5G 通信网络的接入网将4G 网络下的BBU 等设备部署成三个功能实体，分别为CU、DU 和AAU，进一步细化了应用场景需求[2]。

2.2 核心网

基于5G 移动通信的核心网以X86 平台通用服务器为基础硬件，在此基础上开发专用的虚拟化平台，将所需要的数据信息进行收集、传输和调度，使用SBA 架构以“微服务”和云原生架构展开设计，生成的多个虚拟平台是独立的系统，其具备多种功能。在5G 技术支撑下核心网在应用中呈现状态更加灵活多变，且容易控制，每个单元独立运行，实现了资源的最大化利用。

2.3 承载网

基于5G 移动通信技术的承载网架构主要是为满足当下数据高速传输的需求，为用户带来更好的网络体验。目前以4G 技术为主的承载网在运行过程中存在着严重的延迟，而且接入终端的设备数量相对有限。5G技术弥补了4G 承载网存在的不足，实现了更高效的数据传输，根据应用场景具体需求，可以选择光纤直连、无源WDN/OTN 等几种方式进行承载网布局。

3 5G 移动通信网络的实践应用

广东全省目前拥有1600 多家5G 相关企业，约占全国的1/3，华为、中兴的5G 必要专利数量超过5000件，占全球比例超过1/4，建成并开通约11 万个5G 基站，规模为全国第一。产业链上游包括规划、器件、芯片、材料等领域；中游包括设备、网络、运营商等环节；下游包括终端、应用场景等，以5G 为核心的商业产业链已经相对完善，具有很大发展潜力。本节就广东省5G 移动通信网络在城市轨道交通、医疗工程、人工智能和电力系统中的应用实践展开了探讨[3]。

3.1 城市轨道交通

伴随城市人口增长和交通需求不断扩大，轨道交通系统面临着更高的运行压力，基于4G 网络通信支撑下的轨道交通系统在数据传输和通信方面存在的限制影响着城市轨道交通发展。目前广东地区建成并开通5G 移动基站数量在11 万左右，城市轨道智慧交通系统的建设，运用了物联网、虚拟现实和云计算等多种新兴技术手段，很大程度上提升了数据传输效率，具有更低的延迟，而且交通系统运行更加稳定，可以满足当下城市交通轨道不断增长的移动通信需求。广东省城市轨道交通建设集中解决的问题在网络容量不足、延迟性高等方面，5G 移动通信网络技术是在MIMO 和OFDAMA 基础技术上采用了一系列新的技术和架构，包括网络切片技术、多天线技术以及边缘计算等多种技术，实现了对轨道交通的实时监控，可进一步优化人们的出行体验，5G 技术支撑下拟建的智慧交通场景，如图2 所示。

3.2 医疗工程

5G 移动通信技术的运行频率在30GHz～300GHz，能够实现高速传输的数据效果，由非独立组网、独立组网组成，通过大量使用LSAS 技术可以提升空间自由度。以5G 移动通信技术在广东某医疗工程领域中的应用为例，由5G 通信网络连接行业终端，包括摄像头、医疗设备、显示器，为医疗专家提供服务器、数据中心支撑，可以实现海量医疗信息的储存和利用，传输效率较高，为医疗工作的展开提供了方便，甚至可以实现远程医疗诊断，5G+远程诊断总体业务场景如图3 所示。

图3 5G+远程诊断总体业务场景

为保障5G 移动通信运行运行的高效率，需要在医院周围附近建立足够数量的基站，并优化医院切换策略设施，设置MEC 本地路由，要求网络性能达到标准。基于5G 技术的医疗工程网络性能要求如表1 所示。

表1 基于5G 技术的医疗工程网络性能要求

医疗工程领域对5G 移动通信技术的应用在开发系统的过程中涉及嵌入式开发较多，由应用层软件、中间层、操作系统、驱动和硬件设备5 个系统组成，在功能上包括3 个部分，第①是数据采集及数据传输系统、第②是医疗数据处理系统、第③是网络安全管理系统。

数据采集及传输系统。采用5G 数据采集直接连接医疗设备，设备接口不同，与医疗工程的应用场景有关，应结合具体诊疗需要或者医疗业务处理需要进行针对性设计。为做好医疗设备数据的采集与管理，需要在网络架构中设施网络参数，包括共享数据模块、端口、广播地址等信息，系统采用TCP 进行数据传输管理，有效弥补了当前网络传输延迟高、带宽低的缺陷。

医疗数据处理系统。需要处理大量的图像信息，基于TensorFlow 模块进行数据整合与处理，之后会得到RGB，医疗处理数据流程，如图4 所示。具体执行操作流程为从医疗设备中获取医疗数据，包括患者信息、用药、手术等相关信息，使用5G 终端完成数据的采集记录和传输；使用图像处理的方法对数据进行清洗，并利用神经网络算法展开数据分析，可全面掌握当前设备运行状况；远程专家结合神经网络算法预测可构建数据中心。

图4 医疗数据处理流程

网络安全管理。使用5G 移动通信网络技术将整个网络数据存储到服务器端，医护工作者通过终端显示设备可以查看到所需要的医疗信息，能够支撑医生远程工作。为全面保证整个系统运行安全，避免不法分子攻击医疗网络，在网络核心架构布局时建立了攻击模型，通过判断各个网络节点流量，是否超过正常运行阈值确定存在风险与否，若是超出设定范围，系统会自动加强网络安全防护[4]。

3.3 人工智能

从人工智能角度分析5G 通信技术优势，最突出的优点在于提高了信号传输质量，能实时感知周围环境变化特点，通过利用零散式移动设备云可实现超高清视频传输，传输效率实现了翻倍提升，可以满足当下用户对高清视频的实际使用需求，而且VR/AR 设备的更新，还引入了语音系统与触摸功能，增强了用户身临其境的现实体验感。随着5G 网络通信技术和智能化技术进一步发展，未来还将用于地理测绘、森林防火等多个领域。基于5G 的森林防火无线监控如图5 所示。

图5 基于5G 的森林防火无线监控

3.4 电力系统

5G 技术在电力系统中的应用可大大降低电力系统运行成本，提高系统运行稳定以及安全。以物联网技术在电力系统建设中的应用为例，可以打造出一个双向互动的通信网络，实现动态化的信息互换，能够进一步缓解云端计算机的压力，推动云计算技术与物联网技术深度融合，为不同电力系统提供了专有网络通道，既确保了业务之间安全隔离，也能够显著降低电力系统运行成本[5]。

4 结语

总而言之，在科学技术不断发展的背景下，移动通信技术将保持着当前快速发展的状态，5G 网络通信技术将会重塑现有市场，并开拓新的市场。在当前阶段对5G 通信技术以及核心网络架构积极地展开研究具有重要意义，提升网络运行速度与质量，有利于推动我国多个行业发展，为数字强国的建设及中国影响力的提升奠定了强有力基础。