5G 移動網絡通信技術的核心網架構分析

董曉娟

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

信息科學技術快速發展的新時期，人工智能應用領域更加廣泛，如計算機科學、金融、醫療、重工業以及運輸等，人們對信號傳輸質量提出了更高要求。5G 移動通信技術是對4G 移動通信技術的升級優化，能夠提升通信網絡效能，既能通過人機物互聯的方式為人工智能的各種算法提供數據支撐，又能利用邊緣計算功能實現終端與云端的有效銜接。一方面，5G移動通信技術擴大了人工智能的應用范圍，促進實現萬物互聯；另一方面，人工智能可以優化調整5G 移動通信技術參數配置和網絡架構，自行修復故障問題，進而促進5G 移動通信技術發展。因此，5G 移動通信技術與人工智能相輔相成。

1 5G 核心網的整體架構

5G 核心網涉及的主要網元包括應用功能（Application Function，AF）、網絡開放功能（Network Exposure Function，NEF）、網絡存儲功能（Network Repository Function，NRF）、網絡切片選擇功能（Network Slice Selection Function，NSSF）、統一數據管理功能（Unified Data Management，UDM）、策略控制功能（Policy Control Function，PCF）、鑒權服務功能（Authentication Server Function，AUSF）、用戶平面功能（User Plane Function，UPF）、會話管理功能（Session Management Function，SMF）以及接入和移動管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）。5G 核心網主要網元除UPF 外均屬于控制面，UPF 屬于用戶面，服務化架構設計用于控制面網元，服務化接口負責彼此間通信，傳統架構和接口用于用戶面。5G 移動通信技術雖然比4G 移動通信技術在會話管理、移動性管理分離、模塊化解耦以及組網靈活等方面更具優勢，但是對網絡運營管理、網絡規劃以及傳輸等能力提出了更高要求。5G 移動通信技術發展的過程中，5G 核心網/虛擬化的演進型分組核心網（5G Core/virtualized Evolutionary Packet Core，5GC/vEPC）與演進型分組核心網（Evolved Packet Core，EPC）的協同組網需得到重視[1]。

2 5G 核心網部署特征

5G 核心網架構能夠虛擬隔離業務且統一部署控制面功能（Control Plane Function，CPF），部署中需要虛擬隔離控制面、用戶以及業務。該部署方式能夠利用核心機房集中管理各項業務的運營，并根據業務需求利用分布式的UPF 實現本地分流，滿足低延時場景的需要，保證部署高效準確。此外，該部署方式在第三方客戶服務方面發揮著重要作用，能夠利用各種基礎信息滿足企業創新和拓展本地化的需求。核心網構架中，利用5G 網絡軟件和網絡功能虛擬化技術能夠將智能化技術應用于5G 核心網，同時靈活地、可編程地開放和擴展5G 網絡[2]。

3 5G 移動通信技術的核心網構架

3.1 前期的安裝準備

5G 基站前期的安裝質量和效果會影響后期的安裝和維護質量，因此相關運營商應該高度重視。前期的安裝準備主要包括3 個步驟：首先，要開箱驗貨，核對貨物的數量和完整度，及時補齊不足的貨物或者壞掉的材料，為后續工作節省時間；其次，要完善現場評估工作，其中最重要的一環就是要檢查施工現場是否存在危險源，若存在危險源，則應當采取合理措施將其消除，避免發生安全事故；最后，要進行工器具、安全防護用具以及工作人員等的安全檢查工作。

3.2 天饋系統安裝

完成5G 基站前期安裝準備工作后，就可以著手安裝天饋系統，即安裝集成射頻模塊和天線模塊。該過程要遵循先安裝抱桿，再安裝天饋系統的規則。抱桿是天線的重要載體，安裝人員在安裝抱桿時，需要注意4 方面的問題：一是，要保證抱桿和信號塔之間的距離不能少于3 m，定向距離不大于1 m；二是，在對抱桿進行固定和接地時，要嚴格遵循工程的施工要求；三是，設計抱桿的額定方位角和下傾角的過程中，要充分結合工程設計的基本要求，實現二者的有效融合，確保額定方位角和下傾角的精確性、有效性；四是，安裝天饋系統時，要根據天饋系統的型號來設置天饋系統的俯視角度和仰視角度。

3.3 5G 移動網絡切換技術性能優化

采用對網絡切換功能進行優化的方式，提高復雜環境下5G 移動通信網絡的強度。在設計中，可借助信號管理機制，遵循模糊邏輯原則，進行信號頻譜資源的比對，通過該方式掌握信號在傳輸過程中的穿透性，解決網絡信號在傳輸與通信中的中斷問題，改善5G 移動通信網絡的質量。需要注意，所有的信號切換都需要做好對網絡資源調度的控制，一旦出現資源不匹配或資源短缺的問題，就需要在其他網絡鏈路進行資源調度，以此保證網絡通信的均衡性。當網絡通信信號較弱時，終端可通過對鏈路的主動選擇，進行移動網絡的主動切換。在具體實施技術性能優化措施時，致力于提高5G 頻譜效率從而優化通信網絡質量，尤其在5G 獨立組網的部署的前期階段，但由于小區網絡的規劃并不完善，難以實現5G 的完整部署。為優化該問題，不僅需要滿足5G 獨立組網部署初期的網絡接入量的需求，還需要實現網絡邊緣用戶的網絡質量的改善。從當前多維度角度對城市復雜環境下的5G 移動通信的網絡優化，具有加高的可行性。

3.4 智能交通層面

智能交通綜合了交通、信息、控制工程以及通信技術等科學領域。其依托于既有的交通基礎設施和運載工具，發揮5G 移動通信技術的效能，支持人工智能在交通運輸行業的應用，如車輛控制系統、車輛管理系統以及交通監控系統等，有助于構建安全、高效、經濟以及綠色的綜合交通運輸網絡，進而改善用戶出行體驗。例如：車聯網是具有代表性的智慧交通建設成果之一，其通過融入5G 移動通信技術，既能確保車載系統更加靈敏，又能實現人與車、車與物等各個環節之間的信息互通，根據出行目的地規劃最佳出行路線，及時匯報道路擁堵、信號燈變化等路況信息，甚至能夠實現自動駕駛與自動泊車，改善用戶出行體驗；智能停車場通過借助5G 移動通信技術高速率和大寬帶的優勢，能夠實現海量數據信息的實時存儲與運算管理，既能實現停車誘導、車位預定、反向尋車、電子自助付費、快速出入以及保存車輛進出場記錄等功能，又能借助模塊化設計功能，滿足用戶遠程異地監控、診斷以及升級等個性化使用需求[3]。

3.5 后期的安裝收尾工作

完成前期的安裝準備、天饋系統安裝工作后，需要進行安裝收尾工作。使用萬用表測量外部接入電源和地間的電阻，確保所有設備不存在短路問題。該過程中，需要注意上電流程。首先，測量供電設備輸出電壓是否正常，顯示正常之后才能對設備進行上電操作。其次，檢查指示燈是否正常，顯示正常才能確定上電完成；如果某一環節出現異常狀態如測量供電設備輸出電壓不正常，應該先排除故障，重新測量，再對設備上電。最后，確定所有工作完成到位，清理現場并對機房進行上鎖，通知網管中心，在確定無告警之后離站。

4 5G 時代虛擬化核心網的組網結構演進

4.1 5G VPDN 網絡

基于5G 技術與虛擬專用網撥號網絡（Virtual Private Dialup Networks，VPDN）技術構建5G VPDN網絡。5G VPDN 網絡中，通過使用第2 層隧道協議（Layer Two Tunneling Protocol，L2TP）或者通用路由封裝（Generic Routing Encapsulation，GRE）隧道技術，以隧道封裝的方式在5G 核心網內部建立與公共互聯網隔離的虛擬專用網絡，從而建立2 個5G 業務終端之間高效、安全的數據互聯通道，實現低時延的跨區域數據交互。與普通數據通信通道相比，基于5G VPDN 網絡有如下特點。

（1）數據保密傳輸。2 個5G 業務終端進行端到端通信的過程中，公網隔離虛擬隧道能夠保護用戶數據，確保用戶數據的安全性。

（2）傳輸時延低。網絡中的2 個5G 業務終端在通過專用網絡隧道進行業務數據交互時，可最大幅度地減少數據在公網中的中轉次數，實現低時延的數據傳輸。

（3）網際互連協議（Internet Protocol，IP）地址綁定。為實現端到端通信，具有端到端通信需求的2 個業務終端在公網中的IP 地址需固化。以中國聯合網絡通信集團有限公司5G 網絡為例進行分析，基于VPDN網絡的數據流如圖1 所示，普通移動網絡的數據流如圖2 所示。對比圖1 和圖2 的數據傳輸方式可知，普通移動通信網絡數據傳輸需經過終端設備A →基站→核心網→服務器→核心網→基站→終端設備B，通過的網絡節點數要多于VPDN 網絡，且服務器端處理數據有一定時延。5G VPDN 網絡內，終端設備之間可以通過隧道直接互訪，無須第三方服務器進行中轉，因此VPDN 網絡時延顯著優于普通移動通信網絡[4]。

圖1 基于VPDN 網絡的數據流

圖2 普通移動網絡的數據流

4.2 5G 移動網絡切換技術性能優化

采用優化網絡切換功能方式，增強復雜環境下5G 移動通信網絡信號的強度。設計中，可借助信號管理機制，遵循模糊邏輯原則比對信號頻譜資源。通過該方式，可以掌握信號在傳輸過程中的穿透性，以此解決網絡信號在傳輸與通信中的中斷問題，改善5G 移動通信網絡的質量。需要注意的是，所有的信號切換都需要做好對網絡資源調度的控制，一旦出現資源不匹配或資源短缺的問題，就需在其他網絡鏈路調度資源，以此保證網絡通信的均衡性。當網絡通信信號較弱時，終端可通過主動選擇鏈路，進行移動網絡的主動切換。在具體實施技術性能優化措施時，致力于提高5G 頻譜效率，從而優化通信網絡質量，尤其在5G 獨立組網的部署的前期階段。但是，小區網絡的規劃并不完善，因此難以實現5G 的完整部署。針對這一問題進行優化，要求不僅需要滿足5G 獨立組網部署初期的網絡接入量的需求，還需要改善網絡邊緣用戶的網絡質量。從當前多維度角度優化城市復雜環境下的5G 移動通信的網絡，具有較高的可行性[5]。

4.3 維護5G 基站的干擾

建設5G 基站的過程中，為擴大5G 移動通信網絡的覆蓋面，需要部署許多無線設備。但是，根據實際情況，無線設備的數量多、安裝部署地點不固定等問題易導致不同基站之間相互干擾。其原因是5G 移動通信網絡運行的過程中，設備本身的故障會導致射頻單元傳輸錯誤信號，進而嚴重影響基站的信號質量。此外，5G移動通信網絡設備安裝與配置的不標準、不規范會影響5G 信號，導致信號的靈敏度降低，非常不利于5G 移動通信網絡信息的傳輸。進行5G 基站的維護工作時，相關工作人員應該定期檢驗和測試設備，以便及時發現并解決問題，進而有效避免信號干擾對5G 基站帶來的影響，保障5G 移動通信設備的穩定可持續運行。

5 結 論

隨著5G 技術的不斷發展，5G 通信系統的部署成本將不斷降低，經濟性也會不斷改善，并獲得更加廣泛的應用。同時，隨著5G 切片技術的不斷成熟，未來相關控制網絡將采用5G 切片網絡，將系統中無線接入網、傳輸網以及核心網側的網絡設備進行切片，并應用于該系統，能夠進一步降低控制時延，提升網絡和系統的魯棒性與安全性。