5G融合网络架构关键技术分析与研究

谭文欣

（中国联合网络通信有限公司哈尔滨软件研究院，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引 言

随着信息技术的发展，移动通信技术已经成为广大人们群众生活与工作中的重要组成部分，渗透到人们生活中的方方面面。目前，移动通信技术已经进入到5G发展时代，逐步在各个行业进行了示范应用与推广。相比于4G时代而言，5G技术在数据连接密度与移动性方面有着良好的技术体验，总体的数据传输效率显著提升，能够为用户带来高品质的数据传输体验。纵览各国5G技术的快速发展，中国处于第一层发展阶段，在总体基站的部署数量、各个行业的示范应用方面具有优势。随着5G技术的进一步发展，未来能够极大地降低通信相关成本，与各个行业进行融合使用，有力保障各个行业的信息化与应用水平，为民族复兴提供坚实的支撑力量[1]。

2020年，中国的发展表现成为全球经济阴霾下的一抹亮色。尤其是在信息通信产业中，中国已经建设成为名副其实的5G网络大国。在产业链的共同努力下，中国交出了一份沉甸甸的5G答卷，已建成全球最大的5G网络。这一年我国的5G网络建设稳步推进，新增约5.8×105万个5G基站，建成共享5G基站3.3×105个，累计建成5G基站7.18×105个。中国的5G网络实现了5个“全球第一”：全球第一张且规模最大的共建共享5G网络；全球第一个200 MHz大带宽高性能5G网络；全球第一张时分双工（Time Division Duplexing，TDD）+频分双工（Frequency Division Duplexing，FDD）混合组网的5G网络；全球第一个规模最大规模5G独立组网（Standalone，SA）网络；全球第一个5G SA共享网络。

1 5G网络及其技术优势

1.1 5G网络

目前，整个移动通信技术的发展已经进入到第五代，简称5G网络。与前四代移动通信技术相比，此网络技术的主要特点在于传输效率更快、功能更强大。整个数据信息的传输效率理论上每秒能够达到近数十GB，相比于4G网络的最高传输速度而言，其能够达到近几十倍的效果，因此在许多需要大数据量的处理场景中，总体优势更为明显。

在整个5G网络的发展过程中，虽然国内主要的大城市已经完成了5G独立组网，但是相比于4G通信技术，其总体普及率仍然较低，需要后期在业务推广时结合业务场景进行分析。在行业应用中，需要加强5G网络的安全性，针对不同行业的业务数据提供安全保护策略，推动5G网络的广泛应用[2]。

1.2 技术优势

相比于前四代通信技术，5G网络技术的主要特点包括时延性低、传输效率快以及容量大等。通过高效率的传输，使得日常业务场景需要的文件传输需要的时间更短，能够有效提升工作效率。5G传输技术的稳定性使得其能够应用到工业互联网和智慧城市等多种应用场景，有效保障数据信息传输的可靠性。此外，目前网络通信过程中的低频传输资源越来越紧张，而5G网络的核心就是高频传输技术，推动5G技术打破不同类型物联网设备之间的界限，以此来提升大规模设备的连接。

2 5G网络融合架构

在整个5G网络架构中，给用户提供数据业务主要靠软件定义网络（Software Defined Network，SDN）、网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）等技术来进行。核心的业务功能模块主要包括3种，第一个是会话管理功能（Session Management Function，SMF）模块，第二个是用户平面功能（User Plane Function，UPF）模块，第三个是接入和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）模块，其中UPF业务功能属于用户面，主要采用传统的技术架构与接口，另外两个属于控制面，主要采用服务化的架构方式来进行。在用户面与控制面中采用的接口为N4，控制面与终端、无线网之间采用的接口为N1与N2。

在整个5G融合架构中，用户面主要承载的内容是会话管理，通过控制转发分离架构来实现各类移动性设备的管理，在同一时间通过各类用户面中的网元来完成各类会话的管理。通过本地分流及远端流量的管理操作，完成相关业务管理。目前，核心的5G网络架构主要有两类，第一类呈现的方式是通过参考点方法进行，第二类通过服务化架构方法来进行，信令的传输通过控制面的应用平面接口（Application Program Interface，API）来进行[3]。

3 5G融合网络组成

3.1 网元与功能

5G接入网（Access Network，AN）有无线侧网络架构和固定侧网络架构。无线侧，手机或者集团客户通过基站接入到无线接入网，将信号传递给平衡计分卡（Balanced Score Card，BSC）或无线网络控制器（Radio Network Controller，RNC），然后再将信号传递给核心网，其中内部的网元通过IP承载网来承载。固网侧，家客和集客通过接入网接入，接入网主要是无源光接入系统（Gigabit-Capable PON，GPON），包括光网络终端（Optical Network Terminal，ONT）、光分配网络（Optical Distribution Network，ODN）以及光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）。信号从接入网出来后进入城域网，城域网又可以分为接入层、汇聚层以及核心层。宽带远程接入服务器（Broadband Remote Access Server，BRAS）为城域网的入口，主要作用是认证、鉴定、计费。信号从城域网走出来后到达骨干网，在骨干网处又可以分为接入层和核心层。

在整个5G网络之中，主要的网元包括AMF、网络仓储功 能（Network Repository Function，NRF）、UPF、策略控制（Policy Control Function，PCF）、统一数据管理功能（Unified Data Management，UDM）等，这些网元的作用不同。其中AMF网元的主要作用是完成安全上下文、接入与移动等方面的管理；UPF网元的主要作用是对用户面上的业务进行处理；NRF网元的主要作用是网络注册，发现、选择与注册管理各类网络功能；PCF网元的主要作用是策略控制，包括会话策略与移动性策略等方面；UDM网元的主要作用是实现数据的统一管理，以此来完成存储签约等事务的管理[4]。

3.2 网络切片功能

在整个5G融合网络架构中，网络切片是重要的应用技术，根据不同业务处理场景的需要，将各类物理网络分为虚拟网络，以此实现不同业务对可靠性、安全性以及移动性等方面的需要。这些分割的虚拟网络之间的物理逻辑是独立的，此技术通过分布云架构、云计算、SDN与NFV等进行协同管理。

在5G网络中，同时能够支持大规模物联网、高速数据业务、虚拟现实（Virtual Reality，VR）及增强现实（Augmented Reality，AR）等应用，这些场景对可靠、实验、安全、计费方式等要求有所不同。若采用之前的网络架构，则需要完成多种物理网络的建设才可以满足业务处理要求，而采用此切片技术仅需将单一的物理网络进行分割就能够满足应用场景的处理需求，以此来降低网络的投资与建设复杂度。

通过此网络切片技术的应用，使得运营商能够快速了解整个网络资源的利用情况。在5G的无线侧基站中，网络切片功能主要依靠集中单元（Centralized Unit，CU）与分布单元（Distributed Unit，DU）两个部分实现，这两个单元都是来源于基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）的拆分管理。通过业务单元的解耦，实时业务的处理由DU单元来进行，集中承载非实时业务由CU来进行处理。因此，在5G应用的管理中，CU单元主要处理时延相关性不大的功能；而DU单元主要处理时延性强的业务，以此满足不同类型5G业务场景的处理需要。

3.3 处理技术

在整个5G网络中，处理技术主要包括SDN与NFV。SDN技术能够将数据与控制业务进行分离，以此降低业务程序之间的耦合度。目前，借助通用化、商用化的交换机设备来实现控制面的编程管理，核心云之中的网元与边缘元通过SDN进行连接处理。NFV处理技术能够将整个网络设备的功能进行解耦操作，使其能够脱离硬件设备。通过NFV与SDN处理技术，网络架构发生了革命性的变化，有效提升了整个网络的灵活性，使得整个网元设备的商用化与通用化不再通过以往的专用设备来进行，能够有效降低网络复杂程度[5]。

NFV技术具备安全性高、性价比高、敏捷以及可维护等特点，能够快速完成5G网络的配置与部署，以此来完成整个不同行业中的业务处理需求，适应客户提出的新需求。同时在NFV技术中能够将防火墙与虚拟空间管理进行有效结合，满足5G业务应用的安全性要求。

4 结 论

在整个4G网络时代，其网络信息主要依靠各个终端设备。但是进入到5G发展时代，其网络服务的对象变得更为宽泛，在移动终端设备的基础上，添加了各类型的物联网设备。目前，总体5G的应用场景主要分为3种，第一种是需要海量大连接应用的场景，第二种是需要低时延、高可靠性的业务需要场景，第三种是需要增强移动宽带的业务场景。

5G技术相比4G技术更为复杂，在整个通信技术的延时、安全性以及用户策略控制等方面的技术指标要求更高，具体表现在时延、用户体验速率、连接数密度等。5G场景中的用户体验速率涵盖低速到高速，满足不同行业的业务处理需要。随着5G技术的快速发展，万物互联成为未来发展的趋势，通过5G传输技术将行业业务与通信技术进行深度融合处理，以此满足不同类型的业务场景处理需要，提升各个行业信息化的水平。