5G 网络通信技术及核心网架构分析

张 阳

（中移铁通有限公司沧州分公司 河北 沧州 061000）

0 引言

随着移动互联网、智能终端和视频业务的快速发展，人们对无线通信网络提出了更高的速率、连接和灵活性要求。 为此，全球正在积极推进5G 技术的研究和应用［1－2］。5G 被赋予了实现更大带宽、更多连接的远大期许。 新一代的网络架构和关键技术使5G 在无线接入性能上获得重大提升。 但是，任何新技术都会面临新问题。 因此，深入研究5G 技术的概念内涵及应对策略，对推动其健康发展意义重大。 本文将在相关文献研究的基础上，对5G 的技术特征及其应用进行多角度剖析。 其中重点分析5G的网络架构变革、空口接入技术创新，以及应对新问题的对策，以期能够对5G 技术演进及应用前景提供全面系统的认识，为相关研究者提供借鉴参考。

1 5G 网络通信技术概念

5G 作为第五代移动通信技术，标志着移动网络发展的一个新纪元。 与4G 相比，它提供了显著增强的数据传输速度、极低的延迟、更高的可靠性以及大规模的设备连接能力。 5G 技术采用了一系列先进的无线传输技术，如大规模多输入多输出技术、毫米波技术等，使得无线网络在频谱效率、覆盖范围和用户体验上都得到了显著的提升。 5G 的出现预示着无线通信技术的一个重要里程碑，其不仅仅是为了增加带宽或改善网络质量，而是为了实现一个高度互联、智能化的社会，从而引领未来的技术创新和应用发展。

2 5G 网络通信技术存在的问题

2.1 高频波段的短传播距离

5G 技术在许多应用场景中依赖于毫米波频段，频段位于频率谱的高端，波长仅为毫米级。 虽然毫米波可提供宽达数Gbps 的高峰值数据速率，但也存在明显的物理传播特性限制。 首先，高频信号衰减严重，传播距离相对较短，通常只有几百米，无法实现广域的覆盖。 其次，毫米波极易被建筑物、树木等障碍物阻挡和衰减，从而出现信号“死角”。 再次，毫米波对气象条件也极为敏感，在潮湿、下雨或有雾的环境下，会产生额外的衰落损耗。 最后，直接依赖毫米波的5G 网络，在进行大规模部署和实现无缝覆盖时，将面临恶劣传播环境的严峻挑战。 需要通过小基站密集布局、波束成形等手段来获得足够的链路预算。

2.2 移动设备功耗增加

5G 网络追求极高的数据速率传输和超低的通信延迟，为用户提供了卓越流畅的使用体验，但也导致了移动设备功耗的显著提升。 首先，支持5G 通信的手机芯片在进行高速数据编码、调制、信号处理等过程中，其运算复杂度大幅提高，需要消耗更多的处理器电能。 其次，5G 与增强型4G 相比，其发射功率也有所提高，对设备的射频前端和功率放大器造成了更大功率的损耗。 再次，为了应对毫米波容易衰落的传播环境，移动设备需要频繁进行小数据包传输、信道监测与重连，从而大幅增加了无线电发射时间，也是功耗增加的重要因素。 最后，与4G 时代相比，5G 手机的整机功耗预计将增加50%以上，对电池续航造成不利影响。 若要实现与4G 类似的续航时间，5G 手机需要采用更大容量的电池，也将增加成本和重量。

2.3 新的安全威胁和隐私问题

5G 网络，由于其开放性、复杂性和多样性，带来了一系列安全和隐私上的考验。 首先，5G 网络高度集成和智能化的特性在未加以适当保护的情况下，可能会成为潜在的攻击目标。 尤其是在网络切片技术中，不同的服务和应用共享相同的物理基础设施，可能导致跨切片的攻击。 其次，5G 网络将支持更多的物联网（internet of things，IoT）设备接入，意味着网络的攻击面将显著扩大，且多数IoT 设备在设计时并未充分考虑安全因素，从而成为网络的弱点。 最后，随着5G 技术的广泛应用，数据的传输和处理量也将大幅增加，其中不乏涉及个人隐私的敏感信息。 若数据管理和传输环节没有得到严格的保护，可能导致隐私泄露或被恶意利用。

3 应对5G 网络通信技术问题的策略

3.1 基站密集部署与合理规划

为确保5G 网络的连续性和高速传输特性，在网络建设时，考虑到高频波段的短传播距离，采用基站的密集部署是至关重要的。 通过增加基站数量，特别是在城市和高密度地区增加基站数量，可以有效地提高网络覆盖范围和质量。 但仅增加基站数量是不够的，还需要对其进行合理的规划和布局。 例如，考虑到城市中的建筑物、交通干道和居民聚集区，可以优先在这些区域部署更多的基站，确保关键地点得到优质的信号。 同时，通过技术手段实现基站之间的智能协同和负载均衡，确保网络资源的最大化利用，从而为用户提供持续、稳定且高速的5G 服务。

3.2 优化5G 网络算法与协议

5G 网络为实现高速、低延迟的数据传输，必须依赖于高效的网络算法与协议。 随着移动设备的功耗问题逐渐显现，对网络算法与协议的优化成为确保网络效率和移动设备续航之间平衡的关键。 在5G 网络的设计和实施过程中，不断地对核心算法进行优化，能够减少不必要的数据重传，提高数据传输的正确率，从而降低功耗。 同时，对网络协议进行细致的调整和优化，可以确保数据包的快速、准确传输，减少网络中的拥堵和冲突。 例如，在媒体接入控制（medium access control，MAC）层协议中，可以采用更为灵活的调度机制、混合自动重传请求机制，以及先进的自适应流控算法等来优化资源分配，提升资源利用效率。 还可以通过改进无线链路控制（radio link control，RLC）层段与确认段的处理，降低确认开销、改善重传处理，从而减少数据传输延迟。

3.3 加强端到端加密与身份验证

在当今数字化时代，确保数据的安全性和完整性是至关重要的。 5G 网络，由于广泛的应用和多元的接入设备，必须对数据和用户进行严格的保护。 端到端加密不仅确保了数据在传输过程中的隐私性，而且保障了数据不被篡改或被未经授权的第三方访问。 身份验证则是确保只有合法用户和设备可以接入和使用网络资源的基础。 例如，为实现更高级别的加密，可以采用量子密钥分发技术，使得任何试图窃取或篡改数据的行为都能被立即检测到。同时，引入多因素身份验证机制，如结合密码、生物识别和硬件令牌等，进一步加强对用户身份的核实，确保每一次网络访问都是安全、合法的。

4 5G 网络的核心网架构分析

4.1 控制面和用户面的分离

在5G 网络的核心网架构中，一项关键的设计理念是控制面（control plane，CP）和用户面（user plane，UP）的分离。 该设计理念是为了提高网络的灵活性和可扩展性，同时优化资源的使用。 控制面主要负责网络的信令处理，包括建立和管理网络连接、移动性管理，以及网络的安全性和质量服务（quality of service，QoS）的控制等。 用户面主要负责数据的实际传输，包括音频、视频和其他类型的数据。 在传统的网络架构中，这两个面是紧密结合的，但在5G 网络中，控制面和用户面被明确地分离［3］。

控制面和用户面的分离核心优势在于灵活性和可扩展性。 控制面和用户面的分离使得网络可以根据实际需求独立地扩展和优化控制面和用户面。 例如，为了满足高流量的数据服务，可以在网络的特定区域内部署更多的用户面资源，而不必同时增加控制面的资源。 此分离也使得网络更具灵活性，可以根据业务需求动态地调整资源［4］。

在5G 网络中，控制面和用户面的分离通常可以表示为公式（1）：

式（1）中，N｛CU｝代表整个网络的资源，N｛C｝代表控制面的资源，N｛U｝代表用户面的资源。

通过调整N｛C｝和N｛U｝的值，可以实现网络资源的灵活分配和优化。

4.2 虚拟化与云化

5G 网络的核心网架构深受虚拟化和云化技术的影响，两种技术对于提升网络的灵活性、可扩展性和资源利用率具有决定性意义。 虚拟化允许物理资源被划分为多个独立的、隔离的虚拟资源，每个虚拟资源可以独立运行和管理。 而云化通常基于数据中心的架构将虚拟化的资源集中管理，提供计算、存储和网络服务。

虚拟化的核心概念，可用公式（2）表示：

式（2）中，Rv代表每个虚拟资源的大小，Rp是物理资源的总量，而Nv是创建的虚拟资源的数量。 式（1）简单地揭示了一个物理资源如何被划分为多个虚拟资源。

分析式（1）可以得知，随着Nv的增加，每个虚拟资源Rv的大小会相应减少，意味着物理资源被更细致地划分。这种细致的资源划分允许更灵活地分配和管理资源。 而云化进一步优化了虚拟化提供的资源。 由于集中管理和大规模部署的特点，云化为动态的、按需的资源分配和扩展提供了平台。

4.3 5G 核心网络功能实体

4.3.1 访问和移动性管理功能

访问和移动性管理功能（ access and mobility management function， AMF）是5G 核心网的关键组成部分之一，主要用于终端接入认证、注册、会话管理以及用户移动性管理。 与4G 系统的移动性管理实体（mobility management entity，MME）不同，5G 中的AMF 实现了接入认证与移动性管理的分离，使系统更加灵活。

在接入认证方面，AMF 支持不同类型终端的身份识别和验证，实现终端的正负面列表检查，保障接入安全。另外，AMF 与调度器会话管理功能（session management function， SMF）密切配合，负责终端注册、会话建立、切换以及billing 系统对接等工作，实现对终端移动性的跟踪和管理。

AMF 通过与基站控制器集中单元／分布单元（centralized unit／distributed unit，CU／DU）交互，获取用户移动状态信息，并根据策略决策用户的路由切换。 此外，AMF 还可以根据网络切片需求，灵活调整终端接入网络片的映射关系。 AMF 的引入使得5G 核心网在支持大量不同类型终端接入方面更加灵活高效。

4.3.2 会话管理功能

5G 核心网络中的SMF 负责建立、维护和释放用户的数据会话。 为满足各种业务和应用的需求，会话管理功能提供了多种QoS 级别，以确保数据的正确传输，如低延迟或高吞吐量。 主要任务包括处理会话的建立、修改和释放请求，以及为每个会话分配合适的资源和参数。 此外，SMF 与策略控制实体交互，提供会话信息，负责执行用户面流量处理策略。 SMF 还可以收集网络资源使用情况，用于策略制定和优化决策。 通过SMF 的加入，5G 核心网实现了更加灵活的会话管理，可以支持按需分配网络资源，以满足不同垂直行业对于会话的定制化需求。

4.3.3 用户面功能

用户面功能（user plane function， UPF）是5G 核心网实现用户面数据转发的关键网元之一。 部署于用户面数据路径上，承担用户面流量的转发、检测、标记、过滤、速率限制等功能。 UPF 通过TUNNEL 协议与基站之间建立链路，进行用户面数据的收发。

UPF 的引入实现了控制面和用户面的分离。 控制面负责建立和维护流会话，用户面负责流量转发，UPF 使得5G 核心网更加灵活高效。 与4G 相比，5G UPF 支持更丰富的用户面处理功能，可以为不同需求的流量提供差异化的QoS 保证。

UPF 转发用户面的IP 数据包时，需要遵循一定的性能指标，包括用户面数据处理能力和用户面时延。 其中，用户面数据处理能力可以表示为式（3）所示：

式（3）中，D为总的数据处理能力，Ni为第i类流量的并发会话数量，Ri为单个第i类会话的平均数据速率。

UPF 通过扩展服务器规模来提高总数据处理能力D，满足用户面通信需求。

4.4 服务基于流量的划分

5G 网络设计致力于满足多样化的业务需求，其核心体现为多种流量类型的特定服务承诺。 传统的网络设计通常只考虑了一般性的服务质量参数，而5G 则对流量进行了更为细致和深入的划分，以确保每种业务类型都能获得所需的性能指标。 为此，5G 引入了服务基于流量的划分方法，将流量按内在特性和需求分类为以下三种主要类型：

（1） 增强移动宽带（enhanced mobile broadband，eMBB）。 流量主要针对高速数据传输的需求，如高清视频流、大数据传输等。 它的主要目标是提供高吞吐量，使得数据传输速率达到前所未有的水平。 eMBB 的关键指标包括数据速率、网络容量和覆盖范围。

（2） 大规模机器类型通信（massive machine type communication，mMTC）。 mMTC 为海量的物联网设备提供连接能力，设备往往只发送少量数据，如智能计量、智慧农业等应用场景。 对于mMTC，网络需要处理大量的低数据速率连接，因此，其关键指标是连接密度、设备功耗和传输延迟。

（3）超可靠低延迟通信（ultra-reliable and low latency communications， URLLC）。 URLLC 满足严格的低延迟和高可靠性要求，适用于关键性的应用场景，如自动驾驶、遥控手术和智能电网。 此流量对实时性和可靠性有严格的要求，因此，其核心指标是端到端的延迟和数据传输的成功率。

通过对流量进行划分，5G 网络可以为各种应用和服务提供定制化的解决方案，从而实现真正的多业务融合和性能保证［5］。

5 结语

综上所述，5G 作为新一代移动通信技术，在网络架构和关键技术上都进行了深刻的革新。 大规模多输入多输出、毫米波等新型空口技术，以及网络切片、边缘计算等新概念的引入，使5G 网络在传输速率、连接密度、延迟控制等方面实现了突破。 核心网方面，控制面与用户面分离提高了灵活性，网络功能虚拟化促进了资源利用效率。 服务基于流量划分实现了对多种新应用场景的定制化支持。5G 技术的部署与商用，将推动传统行业的数字化升级，并催生各种创新应用。 与此同时，5G 作为一个复杂的系统工程，其规划、设计、组网和运维也提出了新挑战，需要运营商、设备厂商和整个产业链的共同努力，以确保5G 网络平稳高效地演进。