基于垂直行业的5G核心网技术研究

摘要：5G核心网的成功吸收了服务化架构的发展经验，以模块化的形式为基础，优化了不同网络功能之间存在的解耦问题。其将所有网元功能，对应的分解成了可以灵活应用、处于独立形态的功能化模块。新型的架构设计中，5G网络本身具有10Gb/s的峰值速率以及平均一平方公里百万级别的连接能力，这些应用特征为虚拟现实、无人驾驶等技术的实现提供了有力的支撑，同样也是我国现阶段数字化转型过程的核心基础。因此本文针对基于垂直行业的5G核心网技术展开探讨分析，希望为相关人员带来一些参考。

关键词：垂直行业;5G核心网技术;网络切片

作为我国移动通信系统的重点建设方向，我国核心网的建设过程历经了四代过程。全新的5G核心网，将以点到点的控制信令作为核心，经过不同业务体系之间的密切耦合，构建起具备封闭化特征的独立式硬件设备体系，并由此为基础，逐渐构架起以微服务架构为核心的软件化功能状态。对于5G核心网而言，其在一般情况下会部设在IT基础设施之上，保障5G核心网切片可以由运营商分配性应用。通过这样的方式为小型核心网在垂直行业中的部署带来了更多的路径。而5G核心网中彻底将用户面与控制面板进行分离，并通过分布式的形式进行用户面功能的部署，能够满足日常生产生活中大部分使用场景的需要。

一、垂直行业5G核心网关键技术

（一）云化核心网切片技术

从本质上来看，网络切片技术实际上是将原有的物理网络，相应地划分为较多数目的虚拟化网络[1]。各个虚拟网络需具备差异化特征，以此来保障差异化的服务需求得以满足，例如可以按照宽带、时延、可靠性等特征进行划分，通过这样的方式保障在面对不同场景时具备充分的灵活性。对于网络切片技术而言，其建立在传统通用物理基础设施之上，并重点提供具备不同特征、弹性能力的定制网络，并在功能、运维、性能等几个方面展开灵活设计，保障各大运营商，可以按照垂直行业的基础需要，针对专业网络完成定制化创建工作[2]。

由于5G网络本身具备端到端的切片能力，因此其必須以传输网、无线网、核心网等多个方面加以首先，在这之中，以虚拟化技术为核心的服务化架构5G核心网切片是其中较为重点的环节之一。

对于传统的核心网来说，其核心内容为专用硬件，其无法使5G网络切片，完全满足其在服务登记、灵活性等有关方面的要求[3]。而由虚拟化技术为基本核心，构建起的服务化架构5G核心网，可以保障将原有的网络功能，转变为新式的服务化组件。而在各个组件之间，可以应用具备开放性、轻量级特征的接口，实现通信，其本身具备低耦合结构，这一结构呈现出拓展性强、灵活性出色、开放性高的基础特征，保障其能够满足网络切片构建的探索、高可靠性需求。

保障切片得以完成的首要条件，是网络功能虚拟化。依托NFV来将传统网元设备中的软硬件部分进行分解[4]。同时依靠通用服务器进行硬件的部署，差异化的网络功能，负责承担软件的不同部分，通过这样的方式保障灵活组装业务需求得以满足。此外，核心网切片工作的展开，能够根据组网视图、资源视图等多个维度进行隔离方案的划分。在这之中，可以将原有的资源视图，共划分为虚拟资源层、硬件资源层、网元功能层等多个隔离分配[5]。组网视图的应用，主要以核心网中心内的网络设备进行对应的隔离分配。在这一过程中，需要与行业内部的实践需求共同进行，同样可选取网元完全占据、部分独占的建设形式，使成本与安全隔离需求之间存在较为科学的平衡点，以此来保障行业内部的网络切片分级需求得以满足（如图1所示）。

（二）5G小型化核心网技术

对于一部分具备特殊需求的行业，例如公共安全、电力，以及各大企业本身对于网络安全性的高标准以及野外地质勘探、油田等这一类无法进行开展外网连接工作的特殊性场所而言[6]。为了能够通过更为灵活的形式进行5G网络的部署，某公司遵循虚拟机环境极简的基础部署需求，设置了5G小型核心网。相较于传统核心网而言，其本质上的区别在于，5G小型化核心网，更多的以容器环境部署为基础，针对具备必要特征的核心网控制面网络功能进行设置，这其中主要包含移动管理、接入、网络储存库、网络切片选择等一系列功能。用户面则可以以虚拟机环境为基础，对应的进行用户面管理功能的部署，并相应设计3GPP互通性功能，以此来达成灵活部署的建设目的，大幅降低核心网的建设资金投入。

二、5G行业核心网在传媒行业中的应用实践

根据低延时、高宽带的基本技术特征，新媒体时代广泛应用了5G技术中的传输、高清视频采集等方面的全新技术实现形式，其在一定程度上甚至打破了传统行业的制作架构局限性。某集团为了达成实践应用的目的，与该地区广播电视台，共同构建起了媒体应用实验室，以5G网络技术特点为核心基础，针对传统媒体直播领域，构建起全方位、多媒体英语的5G创新技术方案，并由此达成了5G配合4K的基础技术突破，最终实现了5G媒体行业实践应用[7]。

（一）5G+4K/8K演播室的构建

在传统的4G时代中，直播背包这一形式，已经受到了全国各个地区直播的应用。但现如今，面对4K/8K的直播场景后，4G技术在信道传输、信源编码等领域受到了阻碍和影响，由于全新5G直播背包的出现，却打破了原有4K编码难的局限性，但其在信道传输这一应用方面依然具备较大的局限性[8]。大部分直播区域都处在热点区域当中，其在信号问传方面，缺少足够的保障性，常常常会出现因直播背包传输速率无法达到标准，导致网络无法接入的弊端出现。

立足于这一背景下，某集团通过无线侧、运化核心网，进一步构建起了由端到端的实践切片技术[9]。在无线侧方面，依托RB资源预留技术的使用，在全新的5G直播背包中提供专网级别的网络接入能力;在核心网一侧，按照由广电系统播出的，以平台物理隔离需求为核心的安全播出要求，保障网元功能层始终应用部分独占的形式，通过这样的方式在保障尽可能缩小成本的同时，获得较强的安全隔离效果。

在5G网络切片赋能的大背景下，某集团为电视台，构建起了一张专业化的行业专网，通过这样的方式保障新闻直播业务与网络资源呈现出共享化趋势。而5G背包技术，也保障了4K/8K信号具备强大的宽带传输、低延时功能。作为具备稳定、安全特征的基础传输形式，通过将原有的信号传递到解码服务器，在相应进入到台内系统中，转变了原有新闻直播车的卫星回传信号传播形式。

与此同时，采编系统当中的实时性信号，可以被及时传递回返，通过这样的形式为演播厅与一线记者之间构建起了双向视频沟通的空间。直到目前为止，这一方案在大部分工作场景中，都可作为传统转播车方案的优化形式出现，保障媒体直播的基本生产完成了飞跃式的进步。

（二）5G+4K演播车机位灵活漫游

现阶段，我国大部分大型活动，包括体育赛事等，都应用了固定机位的形式开展高清直播，同时在传输信号的过程中，应用光电复合线缆将其传递到演播车等一系列导播设备中，这样一种有线化的超高清视频回传方案，往往存在机位受限条件较多、电缆设线、无法灵活移动的弊端和缺陷。而为了保障观众能够获得更加多样化的互动、感受体验，在未来多维度的超高清直播，将会逐渐成为演唱会等活动的基础视频直播标准[10]。

相较于原有的高清标准来说，超高清技术在各个维度方面有着质变式的跨越和发展，同样其对网络环境也提出了相对较高的标准。例如，在分辨率方面，超高清视频本身具备4K（3840×2160）的超强分辨率，而4k格式像素是传统高清像素的4倍以上;而在色域方面来讲，超高清视频的标准与rec2020的标准相符合，其在色彩量方面是高清的2倍以上;而从量化深度角度来说，其逐渐由传统的8bit提升到现阶段的10bit，同时图像本身的明暗层次而扩大了至少3倍以上;帧率也相应的强化到了50f/s以上。

经由视频编码结束之后，超高清摄像机的视频比特率至少达到了60Mb/s之上，必须在相对较高的网络上进行。这也意味着，未来5G技术广泛应用在商业方面，将成为未来4K超高清视频直播领域的重要推动力。

为了保障演播车极为部署的灵活性要求被满足，因此某集团针对5G+演播厅的组网方案进行设计和构建，实际情况如下图2所示。

本次方案设计通过在演播厅内部，进行小型核心网的构建，并与接入终端、车载宏站等共同构建出移动专网。而对应的制作设备、外场直播等，可以借由5G-CPE接入设备，经由无线连接的形式，来将其相应连接到有源天线处理单元中。同时有关数据、信号等则经过基带处理单元的处理，相应的进入到5G核心网当中[11]。

依托核心网的使用，可以保障数据、信号等，有序进入到直播车内的各个直播系统当中，例如总控制台、解码系统等，通过这样的方式构建起一整套以5G技术为核心的应用媒体体系，简单来说就是将原有的核心网用户面UPF相应的下沉到直播车当中，并最后通过摄像机视频流量的形式展开媒体转发。视频流不需要经过原有的核心网，就可以充分达成直播车、终端之间的数据交互行为，以此来为新式场景、新式业务等提供高质量、高稳定性的端到端网络通信连接。而技术方案的设计，则将5G专网为核心，提供具备较高质量、隔离性的可保障端到端网络，以此来确保实际应用场景需求得以满足。

三、结束语

在4G网络时代，大部分通信业务都会运行在一个完全相同的通信系统当中。一旦出现网络堵塞的情况，则有关业务很难获得充分的资源，这将导致实际业务质量逐渐降低。而在当前的5G网络时代，由于NFV技术、端到端网络切片技术的广泛应用，通信技术不仅能够保障充分的安全性，同样在运营可靠性、独立运维性等方面，获得了跨越性的升级，通过这样的方式保障通信网络，能够从传统的“应用适配网络”的4G时代，逐渐演化为如今的应用决定网络的5G时代。

能否做到与垂直行业互相融合，将是未来5G发展过程的关键所在，为了切实达到多元化赋能标准，本文建议以边缘计算、网络切片等作为基本框架，并按照行業的基础要求，有选择、有目的性的展开性能优化。同时在未来的5G车联网领域中，大力推动URLLC技术的发展和延伸，以此来达到未来自动驾驶场景业务连续、低时延的基本需求。强化推动5G硬核能力的基础构建，并构建出具备低时延、高开放、高稳定性的基础特征，保障其具备基本垂直行业的基本能力，通过这样的方式强化垂直行业的基础产业变革，以此来达成5G社会转变的目标。

作者单位：贺丽杰    中国电信股份有限公司北京分公司

参  考  文  献

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