5G网络架构和关键技术

5G网络架构和关键技术

郭刚、高晓成、马勇杰

中煤陕西榆林能源化工有限公司 陕西 省榆林市 719000   摘要：本文主要探讨 5G 核心网网络架构与关键技术，针对现阶段我国 5G 移动网络技术的应用与发展现状，从网络架构角度，系统分析其两种呈现方式与状态模型，从 Qos 机制、网络切片技术、边缘计算技术与网络能力开放四方面总结 5G 核心网关键技术的功能特点，为我国 5G 核心网网络架构设计的创新与优化和关键技术的高效利用提供可行性建议。

关键词：5G核心网；网络架构；关键技术

 引言

       满足多样化业务场景的需求是创新5G核心网的驱动力来源，由此加快对新型ICT技术的充分利用。确保在搭建广域范围的网络基础设施时加强灵活可配的优质性能，使得5G核心网在面向未来的发展进程中网络运营能力不断提升。在5G时代，应着重提升核心网络的分层化与虚拟化特征，构建资源开放式的网络架构，为新业务的开发提供方便。

1、 5G核心网网络架构

1.15G核心网络架构的两种呈现方式

      控制转发分离是5G核心网络主要应用的架构类型，从而有效分开会话管理与移动性管理，使得二者可以单独进行。从用户面上去除承载概念，将Qos参数直接运用到不同流的会话中，依托多样化的用户面网元，将各种会话在同一时间内加以构建，与此同时，还可以在同一时间内借助各种控制面网进行统一管理，共同操作本地分流与远端流量。服务化架构方法与参考点呈现方法是5G核心网络架构的两种主要方式。

     在服务化架构中，其传输信令主要依靠AP能力开放模式，在控制面进行操作，以传统的信令传输流程为例，在不同的流程内均会出现许多消息，提取较为相似或相同的消息，利用API能力形式予以调用，然后再统一封装处理，为其他网元的访问提供便利。在服务化架构形式中，其会替代原有的隧道建立模式，在交互信令的工作阶段更着重于对HTTP协议的运用[1]。

 1.25G核心网络的两种状态模型

      从5G网络架构可以看出，其充分借鉴了许多优质架构的成功经验，例如微服务化架构与IT系统服务化等。利用模块化的构造形式有效整合并解耦了各项网络功能，在将网络功能进行解耦后，其可以独立开展一系列的演进、扩容与按需部署等。利用服务化接口，实现不同NF与控制面板的交互，多种NF也可以调用同一种服务，有效降低NF之间接口定义的耦合度，满足对按需定制整网功能的切实需求，灵活支持多种业务场景与多样化的业务需求。

 2、5G核心网关键技术

 2.1 Qos机制

      A-Type与B-Type是5G Qos的两种参数，其中A-Type代表预设值，B-Type代表实时下发的参数数据，核心网主要决定对其可选功能是否进行激活，其指令产生于UE。向UE进行传达时可以借助信令面或用户面。在5G核心网中，Qos是一种框架，以Qos流为基础，Qos控制的最小粒度是QosFlow，在对Qos流进行标识时，主要借助Qos Flow ID。在一个PDU会话单位内，QFI是唯一的，若用户面的QFI相同，则其获取的转发处理方式也是一致的。于N3接口报头中封装QFI，则可以在类型不同的净荷内予以应用，包括以太网帧与IP数据包等。Reflective Qos机制也是5G核心网中的一项重要机制，其以下行数据包为基础，利用UE侧对上行数据的Qos规则进行推演，不需要SMF将上行Qos规则借助NAS予以提供。控制机制与退出机制是Reflective Qos机制在5G核心网中主要体现的两方面。

 2.2网络切片技术

       对于5G核心网络的架构而言，网络切片技术具有重要作用，多个虚拟模式的逻辑网络由单个物理网络分割而来。在各种应用场景内，每个虚拟网络都会与之相对应。按需定制网络是网络切片的主要特点，以通用的物理设施为基础，其可以为定制化的网络构建不同的弹性能力与特殊性质。网络切片主要包含两部分内容，一是公共部分，二是独立部分。在公共部分内，包含用以共用的相关功能模块，涉及信息签约、鉴权与策略等。在独立部分内，每个切片的功能都是按需定制的，包含移动性管理、会话管理等[2]。
3.网络功能虚拟化和网络切片

切片技术是5G网络中的一项关键技术，让其可以实现各种业务场景和业务类型，根据需求科学定制网络。5G核心网利用SDN技术，让5G核心网的硬件平台和网络功能可以解耦，形成各种网络功能模块，通过组合这些模块，形成特殊的网络切片。网络切片主要包括接入网络及核心网络等，各个网络切片间能够完成不同网络切片之间的资源共享，也能够将不同网络切片间的资源进行相互隔离。核心网络又包括两部分，控制平面以及用户平面。控制平面所采用的架构是服务化架构，而用户平面所采用的架构模式则可以根据转发性能的需求进行合理的选择。无线网接入在确保网络质量和系统容量等重要指标不受干扰的情况下，无线网络切片必须要基于无线网络DU分层架构，能够运用虚拟化技术，将一些基础设施资源进行共享。必须要重视空口时频资源的合理运用，采用相应的帧结构等不同技术相融合的方法，实现无线资源的智能调度，还可以利用无线网络参数对功能重新配置，以实现不同的切片功能。其中，网络切片管理功能可以实现切片编排管理，还可以将切片的SLA分解成切片子网的SLA。而通信业务管理能够实现从业务需求映射到网络切片需求。

4.边缘计算技术

边缘计算又称EC，使第三方业务平台和运营商对UE附着接入点完成部署，避免传输网的负载和端至端的时延问题，提升网络交付效率。5G核心网络边缘计算功能包含以下内容：通过5G核心网对UFP进行选择，进而将用户流量引至本地的数据网络中，同时保证业务和会话过程的连续性，对计费和QoS模块具备兼容性。在5G核心网中增加EMC既可以规避E2E的时延问题，同时能够优化用户的体验感，并借助本地泄流降低网络成本以及回传开销，加强互联网-移动网-EMC之间的深层次融合。

5.新型移动性管理和会话管理

网络侧移动性管理主要体现在两个方面，一是在激活态维护会话的连续性，二是在空闲态保证用户的可达性。根据终端的移动模型和其对应的业务特征，对移动性功能分为两种状态进行讨论，分别是激活状态和空闲状态，根据实际需求可对状态进行分析或者组合，通过不同的终端导向性，可选择相应的移动性管理机制。根据不同移动性层级的特征，可以分为有无移动性、高/低移动性以及低功耗终端，提供相对应的有效支持，有效满足5G网络新型移动性管理的大部分需求。在5G网络中，各业务场景存在差异性，相应地存在一些需要低功耗、位置较为固定而无需时刻在线的移动物联终端场景，这就需要网络对于终端的移动性状态及流程进行一定程度的优化。

结语

综上所述，5G核心网网络发展正逐渐趋于成熟，因此有必要加强对核心网络架构和关键技术进行优化升级，构建分布控制和集中控制相结合的移动网络管理机制，优化用户网路通信的体验质量，提升网络通信设备的信息传输效率，将网络通信范围拓展到全新的空间，满足复杂化、多元化的网络业务需求。

参考文献：

[1]梁雪梅，方晓农，朱林.3GPPR15冻结后的5G核心网关键技术研究[J].通信与信息技术，2018，000（006）：33-35.

[2]王卫斌，朱进国，王全.5G核心网演进需求及关键技术[J].中兴通讯技术，2020，026（001）：67-72.