基于垂直行業的5G核心網技術研究

摘要：5G核心網的成功吸收了服務化架構的發展經驗，以模塊化的形式為基礎，優化了不同網絡功能之間存在的解耦問題。其將所有網元功能，對應的分解成了可以靈活應用、處于獨立形態的功能化模塊。新型的架構設計中，5G網絡本身具有10Gb/s的峰值速率以及平均一平方公里百萬級別的連接能力，這些應用特征為虛擬現實、無人駕駛等技術的實現提供了有力的支撐，同樣也是我國現階段數字化轉型過程的核心基礎。因此本文針對基于垂直行業的5G核心網技術展開探討分析，希望為相關人員帶來一些參考。

關鍵詞：垂直行業;5G核心網技術;網絡切片

作為我國移動通信系統的重點建設方向，我國核心網的建設過程歷經了四代過程。全新的5G核心網，將以點到點的控制信令作為核心，經過不同業務體系之間的密切耦合，構建起具備封閉化特征的獨立式硬件設備體系，并由此為基礎，逐漸構架起以微服務架構為核心的軟件化功能狀態。對于5G核心網而言，其在一般情況下會部設在IT基礎設施之上，保障5G核心網切片可以由運營商分配性應用。通過這樣的方式為小型核心網在垂直行業中的部署帶來了更多的路徑。而5G核心網中徹底將用戶面與控制面板進行分離，并通過分布式的形式進行用戶面功能的部署，能夠滿足日常生產生活中大部分使用場景的需要。

一、垂直行業5G核心網關鍵技術

（一）云化核心網切片技術

從本質上來看，網絡切片技術實際上是將原有的物理網絡，相應地劃分為較多數目的虛擬化網絡[1]。各個虛擬網絡需具備差異化特征，以此來保障差異化的服務需求得以滿足，例如可以按照寬帶、時延、可靠性等特征進行劃分，通過這樣的方式保障在面對不同場景時具備充分的靈活性。對于網絡切片技術而言，其建立在傳統通用物理基礎設施之上，并重點提供具備不同特征、彈性能力的定制網絡，并在功能、運維、性能等幾個方面展開靈活設計，保障各大運營商，可以按照垂直行業的基礎需要，針對專業網絡完成定制化創建工作[2]。

由于5G網絡本身具備端到端的切片能力，因此其必須以傳輸網、無線網、核心網等多個方面加以首先，在這之中，以虛擬化技術為核心的服務化架構5G核心網切片是其中較為重點的環節之一。

對于傳統的核心網來說，其核心內容為專用硬件，其無法使5G網絡切片，完全滿足其在服務登記、靈活性等有關方面的要求[3]。而由虛擬化技術為基本核心，構建起的服務化架構5G核心網，可以保障將原有的網絡功能，轉變為新式的服務化組件。而在各個組件之間，可以應用具備開放性、輕量級特征的接口，實現通信，其本身具備低耦合結構，這一結構呈現出拓展性強、靈活性出色、開放性高的基礎特征，保障其能夠滿足網絡切片構建的探索、高可靠性需求。

保障切片得以完成的首要條件，是網絡功能虛擬化。依托NFV來將傳統網元設備中的軟硬件部分進行分解[4]。同時依靠通用服務器進行硬件的部署，差異化的網絡功能，負責承擔軟件的不同部分，通過這樣的方式保障靈活組裝業務需求得以滿足。此外，核心網切片工作的展開，能夠根據組網視圖、資源視圖等多個維度進行隔離方案的劃分。在這之中，可以將原有的資源視圖，共劃分為虛擬資源層、硬件資源層、網元功能層等多個隔離分配[5]。組網視圖的應用，主要以核心網中心內的網絡設備進行對應的隔離分配。在這一過程中，需要與行業內部的實踐需求共同進行，同樣可選取網元完全占據、部分獨占的建設形式，使成本與安全隔離需求之間存在較為科學的平衡點，以此來保障行業內部的網絡切片分級需求得以滿足（如圖1所示）。

（二）5G小型化核心網技術

對于一部分具備特殊需求的行業，例如公共安全、電力，以及各大企業本身對于網絡安全性的高標準以及野外地質勘探、油田等這一類無法進行開展外網連接工作的特殊性場所而言[6]。為了能夠通過更為靈活的形式進行5G網絡的部署，某公司遵循虛擬機環境極簡的基礎部署需求，設置了5G小型核心網。相較于傳統核心網而言，其本質上的區別在于，5G小型化核心網，更多的以容器環境部署為基礎，針對具備必要特征的核心網控制面網絡功能進行設置，這其中主要包含移動管理、接入、網絡儲存庫、網絡切片選擇等一系列功能。用戶面則可以以虛擬機環境為基礎，對應的進行用戶面管理功能的部署，并相應設計3GPP互通性功能，以此來達成靈活部署的建設目的，大幅降低核心網的建設資金投入。

二、5G行業核心網在傳媒行業中的應用實踐

根據低延時、高寬帶的基本技術特征，新媒體時代廣泛應用了5G技術中的傳輸、高清視頻采集等方面的全新技術實現形式，其在一定程度上甚至打破了傳統行業的制作架構局限性。某集團為了達成實踐應用的目的，與該地區廣播電視臺，共同構建起了媒體應用實驗室，以5G網絡技術特點為核心基礎，針對傳統媒體直播領域，構建起全方位、多媒體英語的5G創新技術方案，并由此達成了5G配合4K的基礎技術突破，最終實現了5G媒體行業實踐應用[7]。

（一）5G+4K/8K演播室的構建

在傳統的4G時代中，直播背包這一形式，已經受到了全國各個地區直播的應用。但現如今，面對4K/8K的直播場景后，4G技術在信道傳輸、信源編碼等領域受到了阻礙和影響，由于全新5G直播背包的出現，卻打破了原有4K編碼難的局限性，但其在信道傳輸這一應用方面依然具備較大的局限性[8]。大部分直播區域都處在熱點區域當中，其在信號問傳方面，缺少足夠的保障性，常常常會出現因直播背包傳輸速率無法達到標準，導致網絡無法接入的弊端出現。

立足于這一背景下，某集團通過無線側、運化核心網，進一步構建起了由端到端的實踐切片技術[9]。在無線側方面，依托RB資源預留技術的使用，在全新的5G直播背包中提供專網級別的網絡接入能力;在核心網一側，按照由廣電系統播出的，以平臺物理隔離需求為核心的安全播出要求，保障網元功能層始終應用部分獨占的形式，通過這樣的方式在保障盡可能縮小成本的同時，獲得較強的安全隔離效果。

在5G網絡切片賦能的大背景下，某集團為電視臺，構建起了一張專業化的行業專網，通過這樣的方式保障新聞直播業務與網絡資源呈現出共享化趨勢。而5G背包技術，也保障了4K/8K信號具備強大的寬帶傳輸、低延時功能。作為具備穩定、安全特征的基礎傳輸形式，通過將原有的信號傳遞到解碼服務器，在相應進入到臺內系統中，轉變了原有新聞直播車的衛星回傳信號傳播形式。

與此同時，采編系統當中的實時性信號，可以被及時傳遞回返，通過這樣的形式為演播廳與一線記者之間構建起了雙向視頻溝通的空間。直到目前為止，這一方案在大部分工作場景中，都可作為傳統轉播車方案的優化形式出現，保障媒體直播的基本生產完成了飛躍式的進步。

（二）5G+4K演播車機位靈活漫游

現階段，我國大部分大型活動，包括體育賽事等，都應用了固定機位的形式開展高清直播，同時在傳輸信號的過程中，應用光電復合線纜將其傳遞到演播車等一系列導播設備中，這樣一種有線化的超高清視頻回傳方案，往往存在機位受限條件較多、電纜設線、無法靈活移動的弊端和缺陷。而為了保障觀眾能夠獲得更加多樣化的互動、感受體驗，在未來多維度的超高清直播，將會逐漸成為演唱會等活動的基礎視頻直播標準[10]。

相較于原有的高清標準來說，超高清技術在各個維度方面有著質變式的跨越和發展，同樣其對網絡環境也提出了相對較高的標準。例如，在分辨率方面，超高清視頻本身具備4K（3840×2160）的超強分辨率，而4k格式像素是傳統高清像素的4倍以上;而在色域方面來講，超高清視頻的標準與rec2020的標準相符合，其在色彩量方面是高清的2倍以上;而從量化深度角度來說，其逐漸由傳統的8bit提升到現階段的10bit，同時圖像本身的明暗層次而擴大了至少3倍以上;幀率也相應的強化到了50f/s以上。

經由視頻編碼結束之后，超高清攝像機的視頻比特率至少達到了60Mb/s之上，必須在相對較高的網絡上進行。這也意味著，未來5G技術廣泛應用在商業方面，將成為未來4K超高清視頻直播領域的重要推動力。

為了保障演播車極為部署的靈活性要求被滿足，因此某集團針對5G+演播廳的組網方案進行設計和構建，實際情況如下圖2所示。

本次方案設計通過在演播廳內部，進行小型核心網的構建，并與接入終端、車載宏站等共同構建出移動專網。而對應的制作設備、外場直播等，可以借由5G-CPE接入設備，經由無線連接的形式，來將其相應連接到有源天線處理單元中。同時有關數據、信號等則經過基帶處理單元的處理，相應的進入到5G核心網當中[11]。

依托核心網的使用，可以保障數據、信號等，有序進入到直播車內的各個直播系統當中，例如總控制臺、解碼系統等，通過這樣的方式構建起一整套以5G技術為核心的應用媒體體系，簡單來說就是將原有的核心網用戶面UPF相應的下沉到直播車當中，并最后通過攝像機視頻流量的形式展開媒體轉發。視頻流不需要經過原有的核心網，就可以充分達成直播車、終端之間的數據交互行為，以此來為新式場景、新式業務等提供高質量、高穩定性的端到端網絡通信連接。而技術方案的設計，則將5G專網為核心，提供具備較高質量、隔離性的可保障端到端網絡，以此來確保實際應用場景需求得以滿足。

三、結束語

在4G網絡時代，大部分通信業務都會運行在一個完全相同的通信系統當中。一旦出現網絡堵塞的情況，則有關業務很難獲得充分的資源，這將導致實際業務質量逐漸降低。而在當前的5G網絡時代，由于NFV技術、端到端網絡切片技術的廣泛應用，通信技術不僅能夠保障充分的安全性，同樣在運營可靠性、獨立運維性等方面，獲得了跨越性的升級，通過這樣的方式保障通信網絡，能夠從傳統的“應用適配網絡”的4G時代，逐漸演化為如今的應用決定網絡的5G時代。

能否做到與垂直行業互相融合，將是未來5G發展過程的關鍵所在，為了切實達到多元化賦能標準，本文建議以邊緣計算、網絡切片等作為基本框架，并按照行業的基礎要求，有選擇、有目的性的展開性能優化。同時在未來的5G車聯網領域中，大力推動URLLC技術的發展和延伸，以此來達到未來自動駕駛場景業務連續、低時延的基本需求。強化推動5G硬核能力的基礎構建，并構建出具備低時延、高開放、高穩定性的基礎特征，保障其具備基本垂直行業的基本能力，通過這樣的方式強化垂直行業的基礎產業變革，以此來達成5G社會轉變的目標。

作者單位：賀麗杰? ? 中國電信股份有限公司北京分公司

參? 考? 文? 獻

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