5G核心网架构及其关键技术探究.pdf

2023 年 6 月胡智5G核心网架构及其关键技术探究霖（广东南方电信规划咨询设计院有限公司，广东 深圳 518038）【摘要】随着 5G 技术的快速发展袁网络信息传输更为便捷袁改变人们生活习惯的同时袁对物联网及移动通信产生革命性冲击遥通过阐述 5G 网络架构袁对核心网的关键技术展开分析袁同时以广东省某运营商的 5G 核心网设计为例袁探讨 5G 核心网管理及编排架构设计的重要作用袁以供借鉴遥【关键词】5G曰移动通信曰核心网络曰关键技术【中图分类号】TN929.5【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2023）06-0040-030 引言随着 5G 时代的到来，5G 网络发展势头迅猛，人们对通信网络的需求呈爆炸式增长，亟须提升和优化 5G 网络运营环境。为解决上述问题，重点探讨 5G核心网架构及其关键技术势在必行。1 5G 网络架构5G 网络架构主要由接入网、核心网以及承载网组成，通过上述网络的有效运用，可实现数据收集、传输、管理、再传输运作。1.1 核心网5G 核心网是基于 x86 平台服务器的专用型虚拟化平台，将各种核心网的主要内容“移植”到该平台上，利用服务化架构，将这些内容设计成为具有独自功能的个体，用以实现 5G 网络中的各项服务，其实操性较为显著。与 4G 核心网相比，5G 核心网更具模块化及软件化特征。其中，模块化设计更能满足切片网络的布局需求，拥有较好的适用性和实用性。除此之外，5G 核心网更加灵活多变，能够在灵活控制硬件的同时不会对其他单元的正常运行产生影响，有利于资源的分配利用。1.2 接入网在 5G 网络中，接入网由多种技术融合而成，其以 4G 网络为基础完成更多功能及设备的布局。4G网络以分布式基站为基础，借助集中化程度较高的无线接入技术实现接入、分配虚拟资源的目的。这种将室内基带处理单元（bandwidth based unit,BBU）集中放置于中心机房的手段可实现资源的统一调度，从而进一步提升资源的利用效率。从网络部署角度来看，部署更多数量的虚拟蜂窝网络可以提高信号的传输效率。在集中化程度较高的无线接入网模式背景下，虚拟基站可在 BBU 基带池的统一调度下，实现用户数据信息共享，使虚拟基站集群之间可以形成良好的协作关系。对于 5G 网络而言，将 4G 网络的 BBU 等相关设备进行重新划分，为多种网络场景的网络部署提供便捷1。1.3 承载网5G 承载网具有更佳的用户体验，可为用户提供快速、低延迟和高可靠的网络连接，能够满足未来各种应用场景的多样化需求。在 5G 网络中，为实现网元间数据的畅通传递，需要借助光纤直连、有源波分复用（wavelength division multiplexing,WDM）、无源WDM 等技术实现信息传递，以便更好地满足网络通信需求，实现高效运作。2 5G 核心网的关键技术2.1 服务化架构5G 核心网是对 4G 核心网功能的重新划分，其可以优化具体的网络功能。在模块化背景下，受软件控制的各项服务单元更加容易升级维护，网络单元可更快速地展开功能性组合，进而满足第三方运营商组网需求。5G 网络所采用的服务化架构可将网元功能实现模块解耦，业务部署更加灵活，组网过程更加简便。5G 核心网服务化架构如图 1 所示。2.2 控制面与用户面分离为切实满足用户的超低时延需求，需要缩短 5G核心网的回传时间。因此，可以灵活应用控制面与用户面分离技术，不仅可以妥善解决传统难以缩短传输距离的问题，也能够保证 5G 网络做到毫秒级时延2。通信设计与应用402023 年 6 月2.3 网络切片在 5G 核心网中，应用网络切片技术能够满足不同应用场景的网络功能制定需求，也能保证不同应用场景之间独立运作，互不干扰，实现数据资源共享。网络功能虚拟化是网络切片的基础内容，硬件设备可通过网络功能虚拟化实现设备的功能优化和统一部署，保障正常运作，进而为不同用户提供具有针对性的特色服务。此外，因不同网络形式的网络功能需求存在差异，网络切片的应用效益愈发突出，只有合理应用网络切片技术，才能真正满足用户的个性化需求，在最大限度节约运作成本的同时，也能够提升网络通信服务质量。2.4 边缘计算5G 时代核心网主要依靠边缘计算技术来实现计算能力。随着技术的飞速发展，5G 网络所接收的数据在明显增加，因 5G 核心网支持本地分流机制，能够在综合考虑全网能力的前提下，对数据中心进行改造升级，实现更加快速的数据处理和响应，进而切实满足用户需求，保障服务质量。3 5G 核心网管理及编排架构设计与实例分析5G 网络有着高可靠性、低时延特征，可支持多台设备同时连接，实现万物互联，同时，也可将网络拆分细化，以满足不同应用场景的通信需求。在垂直行业多元化、定制化需求日益增加的环境下，5G 网络必须提高核心网的编排和管理能力，以便在面向多应用场景时，能够充分发挥核心网的性能，实现按需部署。3.1 案例概述广东省某运营商在网络战略资源和基础资源方面有较大优势，存量客户和增量客户数量多，市场占有率逐渐攀升，发展前景广阔。但在功能可扩展性及编排成效方面，面临着严峻挑战，难以做到高效管理。相关数据统计，截至 2022 年，网络覆盖率以及实体用户数已经明显超过其他运营商。为此，要想切实满足用户通信需求，该运营商必须充分发挥自身发展优势，合理设计 5G 核心网管理及编排架构，为用户的个性需求提供定制服务3。3.2 系统架构设计设计人员将 5G 核心网系统架构具体分为应用及管理编排两个方面，应用方面主要包含 5G 核心网的网络功能（network functions,NF）及其所占用的虚拟、物理资源等。而管理编排方面则主要是指实现NF 到资源层面的全方位管理及编排4。3.3 网络功能设计3.3.1 资源指标监控设计对 5G 核心网实现管理及编排期间，必须对各类资源指标进行监控，以此确保可实时掌握 5G 核心网运行状态，进而直观地优化对 NF 的管理及编排并落实成效。3.3.2 网络服务描述符管理设计网络结构数据库（network structured database,NSD）包含实例化网络服务中所需要的各种信息，其也会引用其他类别的描述符。可借助此描述符对核心网虚拟化方式、资源分配等各项参数实现逐一分图 1 5G 核心网服务化架构接入平面D谣RANC谣RANWi谣FiMacroMeshMTCD2D控制逻辑按需编排能力开放控制平面接入网汇聚网骨干网分组据网互联网网关内容分发服务加速转发平面通信设计与应用412023 年 6 月层定义，网络服务描述符管理功能的系统设计流程如图 2 所示。3.3.3 镜像管理功能设计在 5G 核心网管理编排期间，相关人员必须提高对镜像管理功能设计的重视程度，因核心网在实例化期间会对NF镜像精准度有一定的需求，若将镜像托管给第三方，会存在一定的安全风险，如果网络状况差，会延长核心网 NF 实际启动时间，因此，合理探究较为成熟的镜像管理功能设计十分关键，如图 3 所示。图 3 镜像管理功能设计调用者网络门户HTTP API 浏览器接口Docker 客户端基本服务代理核心任务服务日志收集器GC 控制器Chart Museum 服务器Docker 记录Notary 公证数据接入层K谣V 存储本地/远程存储SQL 数据库图 4 核心网实例状态伪接口删除创建未实例化终止实例化实例化扩缩容通信设计与应用3.4 管理及编排流程设计5G 核心网管理及编排的主要流程包含创建、实例化、扩缩容、终止及删除这 5 项，涵盖了 5G 核心网实例全生命周期。核心网实例状态如图 4 所示。核心网实例被创建前，除扩缩容不会出现状态改变外，其他操作都会使核心网实例状态发生改变。为此，在核心网实例创建流程期间，要充分考虑其中的问题，合理设计实际的创建流程，确保整体性能能够满足运作需求5。3.5 性能测试性能测试可以提升 5G 核心网管理及编排性能，可借助编译打包时间对比、启动时间测试及吞吐量测试等手段对 5G 核心网关键技术的使用成效展开测试，以及对管理与编排功能展开测试，为探究可行性及性价比是否满足具体需求提供支持6。4 结语5G 技术属于人类通信技术的进一步飞跃，其应用前景十分广泛。5G 技术发展创新必将成为未来的重点研究内容。在此背景下，相关人员必须注重技术的创新及攻关，通过对 5G 网络架构及关键技术的系统化分析，为 5G 网络更好发挥作用提供支持，进而满足用户的个性化通信需求。参考文献1 邹俊飞.第五代移动通信核心网络架构与关键技术分析J.电子测试，2020（23）：76-77.2 于邦超.基于 SDN/NFV 的 5G 核心网网络服务编排器的原型设计与实现D.北京：北京邮电大学，2018.3 叶钟燕.探析第五代移动通信网络体系架构及其关键技术J.中国新通信，2017，19（8）：16.4 杨兆铭，郭子恒.移动通信核心网络架构及重点技术探讨J.长江信息通信，2022，35（5）：191-193，196.5 林利军.5G 移动通信网络架构与关键技术要点探讨J.网络安全技术与应用，2019（11）：84-86.6 高欣，杨征，秦越.基于内容中心网络的 5G 高速移动通信网络架构研究J.科技资讯，2019，17（14）：25，27.作者简介院胡智霖（1982），男，汉族，江西兴国人，本科，高级工程师，主要从事传输通信工程、5G 通信工程、智慧城市建设项目工作。图 2 网络服务描述符管理功能的系统设计流程RESTful 架构应用程序编程接口（API）网络结构数据库（NSD）、虚拟化的网络功能模块描述符（VNFD）管理服务等查询、新增、更新、删除NSD、VNFD 存储等Mysql 数据库42