5G网络通信技术及核心网架构研究

朱文雄

（广东南方电信规划咨询设计院有限公司，广东 深圳 518038）

0 引 言

互联网时代的发展迅速，5G 通信技术在我国多个行业领域中应用的深度和广度不断加深，应用范围也逐渐扩大，推动了我国网络科技领域的技术更新和发展。为进一步保障5G 通信技术的应用质量，需要全面建立和完善移动互联网络，其中核心网结构始终占据重要地位，在技术标准和框架构建等方面需保持更高水平，文章针对5G 网络通信技术及核心网架构进行专题研究和分析具有重要意义。

1 5G 网络通信技术概述及主要发展背景

1.1 5G 网络通信技术

当前，我国的5G 网络通信技术仍处于发展和研究阶段，与2G、3G、4G 等多种类型网络技术相比，5G网络通信技术的信息传播速度更快、通信效率水平更高、网络通信传播、覆盖区域更广泛。但是，应用5G 网络通信技术进行信息传播和沟通，需要损耗更多资源和能源，为保障5G全覆盖，需要投入更多建设资金和成本。多入多出技术（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）和波束聚合技术是5G 网络通信技术的运行基础。

当前，世界上将近20 个国家已经获得了5G 移动通信商用牌照。从5G 通信技术的应用方面看，该技术的传输波为毫米波，且体现为连续性频谱，虽然运行稳定性和通信质量水平高，但是技术衍射和绕射能力相对较弱，因此很多专业研究人员将5G 网络通信技术和波束聚合技术紧密联系，以实现5G 技术覆盖范围的扩大和信号覆盖广度的加深，全面推进5G网络通信技术的全方位发展和进步[1]。

1.2 5G 网络通信技术的发展背景

近年来，5G 技术成为了我国通信领域和学术领域广泛关注并讨论的热点话题之一。不论是商业应用还是家庭应用，4G 网络通信技术的运行越发稳定，但是该技术逐渐与社会发展和通信需求之间出现了不匹配情况，对此5G 以其更高水平的网络通信技术，成为了众多研究人员的工作重点研究对象。当前，时代社会飞速发展，移动网络设备的应用越发普遍，移动数据的通信需求也大幅度增加。为了保障现有通信系统的平稳高效运转，需要积极应用更高水平的移动通信技术，提升信号覆盖率，加速通信网络架构的建设。5G 网络通信技术大幅度提高了通信效率，与全面增长的网络通信容量更加匹配，避免网络能耗增加，导致通信工程企业无力负担。与此同时，当网络通信流量大幅度增长，其原有频谱也会发生必要的变化，因此为保障通信网络的稳定性，可以应用5G 网络通信技术优化网络使用流程，改善用户体验效果。

2 5G 网络通信技术主要类型

2.1 超密集异构结构

随着现代互联网及物联网的飞速发展，移动通信和网络通信数据流量大幅度提升，不仅需要增加频谱带宽和频谱利用率，更应该扩增无线系统容量。如果直接以传统类型小区分裂形式减小小区半径，实现加密部署和空间复用度提升，那么其整体效率相对较低，且在一定程度上无法真正实现小区分裂，对此可以直接应用超密集组网形式设置热点区域，部署低功率小基站。此类超密集组网和超密集异构结构，更加符合5G 网络通信技术的应用特点。超密集异构结构发挥了低功率密度节点优势价值，既保障了5G 网络的覆盖率，又提高了无线技术的传输水平，实现了更加个性化且多功能的服务类型。构建超密度异构体结构网络，能够大幅度打破以往4G 网络通信技术应用过程中的局限性，大幅度缩短了通信终端与通信节点之间的距离，全面提高通信质量水平[2]。

2.2 MIMO 技术

将MIMO 技术应用于移动通信领域可以有效提升系统容量，拓展系统和移动信号覆盖范围。MIMO技术如图1 所示，可以实现多个天线的接收及发送信号，并且针对不同空间方位和传输路径的信号能够进行区分，在不占用带宽的前提下可以有效提升系统容量和信噪比水平。但是值得注意的是，MIMO 技术复杂程度高，如果信号接收或发送过程中出现问题，则很容易导致实际应用和通信效果受到影响，对此如何开发与应用MIMO 技术成为了5G 网络通信技术领域的核心要点之一。

图1 MIMO 技术

2.3 全双工无线通信技术

全双工无线通信技术区别于单工通信技术，二者主要差距在于信号传输方向，双工无线通信技术中信号可以实现双向传输。当前，我国5G 网络通信技术研究领域中将全双工通信技术作为研究热点之一，该技术在理论层面中能够提升频谱利用效率，同时可以进一步缓解信息技术应用过程中出现的频谱资源短缺问题。例如，以往传统无线通信网络中应用的半双工通信技术，其自身通信渠道容量相对较小，此类缺陷难以有效解决，而应用全双工通信技术再加上其自干扰消除技术，可以有效提升网络通信信号的接收效率和信息传输水平。

2.4 毫米波频段通信技术

当前5G频段主要可以分为SUB-6 GHz和毫米波，前者多频段相对于拥挤且不同电子设备容易造成相互之间的干扰，而后者频段信号带宽更强、信道容量更大、通信效率更高，同时能够提供远超全球定位系统（Global Positioning System，GPS）精度的定位服务。毫米波频段通信技术在应用过程中也存在诸多缺陷，例如毫米波的露损和雨衰，毫米波信号在空间范围内的传播频率与衰减成正比，甚至其衰减效果更高。因此，如何提高毫米波信号传输效率是5G 网络通信技术中的重大挑战之一[3]。

3 5G 网络通信技术核心网架构分析

3.1 核心网架构设计原则

为了进一步适应5G 网络通信技术在各行业领域和不同使用功能需求基础上的全方位拓展，需要打破以往4G 时代中网络设备和核心网架构方面的固化问题，重新搭建5G 网络通信技术的核心网架构，提高网络资源传播效率。因此，开展核心网架构设计需要遵从适应性、高效性、拓展性以及简化性4 大原则。

适应性原则需要不断提升5G 网络通信技术在不同通信场合和不同应用区间中的应用效果，可以结合软件系统实现去中心化，以适应不同通信场合的特点。高效性原则需要发挥5G 网络通信技术和核心网络结构的综合优势，提高资源利用效率，避免发生高额信令费用数据传输时延等多方面问题。拓展性原则可以将5G 网络通信技术核心网结构引入软件中，进行功能拓展，确保能够提供更全面灵活和高效便捷的服务类型，既满足了5G 网络升级需要，也更好地满足了功能应用需求。简化性原则搭建5G 网络通信技术的核心网构架需要实现去中心化结构，对此能够将已有网络系统功能进行简单化分解，避免造成网络系统功能冗余、处理难度大等多方面问题[4]。

3.2 核心网架构关键技术

当前我国5G 网络通信技术的网络体系主要涵盖了服务架构等多种类型，其中服务架构模式是最为常见且应用效率最高的架构模式，需要在原有互联网技术（Internet Technology，IT）服务架构的基础上，结合5G 网络通信技术的应用特点进行重新构建。服务化架构模式如图2 所示，此类服务化架构模式需要对不同信号连接端口和网络功能重新定义，以轻量级接口协议为架构基础，充分考虑不同行业领域在实际工作过程中应用5G 网络通信技术的特点和需求。构建5G 核心网架构模式时，如果直接应用传统类型的思维方法，则难以适应多元化、多样化的核心网需求，因此基于服务化架构，全面优化5G 网络通信技术的核心网架构。

图2 服务化架构模式

在原有网络功能的基础上，增加鉴权服务器功能，支持第三代合作伙伴计划（Third Generation Partnership Project，3GPP）接入和不信任的非3GPP接入认证，增加接入和移动性管理功能，实现对接入网的有效规划和控制管理。会话管理功能主要对标用户面功能，是外部分组数据单元，可以成为SGW-U和PGW-U 功能的集合化。以往的4G 网络通信技术核心网需要应用安全控制设备，并结合扩容设备扩大网络业务覆盖范围，但5G 网络通信技术的覆盖面和应用效率大幅度提升，因此可以直接应用用户平面开展架构控制，实现控制与转发之间的分离。网络切片技术的应用能够满足不同功能场景和需求类型的技术应用特点，结合网络切片模式，实现不同类型硬件平台和网络功能需求之间的同时解耦[5]。

3.3 5G 核心网架构模型实现

应用5G 网络通信技术进行核心网设计和架构模型具体步骤如下。首先，需要立足于专业技术和网络平台，具体落实时，需要在核心网构建和设计前，提前明确5G 网络通信技术的实际业务能力，统筹安排5G 网络通信技术的部署情况，既提出了专项网络架构的需求，也要立足于后续网络架构的特点，保障核心网架构的可应用性和运行稳定化效果。其次，需要结合网络功能虚拟化要素，对现有核心网体系进行全面完善和升级，充分考虑广大5G 用户的实际需求，将5G 技术和网络功能虚拟化基础设施进行紧密联系和融合，进一步降低信息传输过程中的共享难度，提高客户使用效率水平。从3 个层次角度入手，合理分配5G 网络通信技术的架构模型，如图3 所示。应用层为各类商业应用特点及需求，控制层体现为软件定义网络（Software Defined Network，SDN）和网络服务，网络基础设施层体现为各类网络硬件[6,7]。

图3 5G 网络技术软件应用架构

开展设计优化时，除了常规类型的5G 网络通信技术和核心网架构要素之外，需要增加安全监测预警架构。立足于现有业务模型和用户需求，在应用层各类商业应用内容中增加安全监测应用层内容，在控制层中增加监测单元、预警单元以及扩展单元，实现对控制软件网络服务的实时合理监测[8]。针对网络基础设施，如网络硬件监测，需要结合安全监测设备，保障安全监测效果。通过单独运行的网络监测预警机制和结构模式，打破以往通信技术网络运行过程中系统应用的局限性和弊端性，保障了5G 网络通信技术和网络架构的可应用性效果[9]。

3.4 5G 核心网组网结构演进方向

在未来5G 时代发展和5G 网络通信技术应用过程，其组网结构演进方向主要可以分为网络功能虚拟性结构和网络切片部署2 个维度。一方面，在网络技术功能虚拟建构中，应用虚拟化的软件手段和媒介，让不同软件系统直接实现虚拟软件的运行操作，打破了硬件设施对功能的影响和限制，同时进一步减少运营商总体投入。另一方面，在网络切片部署策略中，可以将原有切片服务类型增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）服务逐渐发展至超高可靠超低时延通信（ultra-Reliable Low-Latency Communications，uRLLC）/大规模物联网（massive Internet of Things，mIoT）模式，既拓展了网络信息应用需求，也能优化完原有切片系统设计，确保运营商能够实现自主化产品设计[10]。

4 结 论

文章论述了5G 网络通信技术的概念、发展背景以及主要类型，重点围绕5G 网络通信技术的核心网架构开展专项分析，分别探讨核心网架构设计原则、核心网架构关键技术、5G 核心网架构模型实现以及5G 核心网组网结构演进方向，以期对我国5G 技术的普及化应用和专项研究水平的提升提供参考。