□ 文 贾聿庸 汤建欢

1 概述

2019年6月6日，工信部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G商用牌照，业界瞬间一片沸腾。上半年，韩国、美国、英国等均已发布商用5G手机。随着我国正式步入5G时代，我国的各大设备商陆续推出5G手机等终端。3GPP定义的5G具有良好的性能，并制定相应的5G场景，让我们享受到万物互联的便捷，有了良好的用户体验。

2 5G技术架构和设计原则

5G关键能力比前几代移动通信更加丰富，其用户体验速率、连接设备数量的密度、端到端时延、峰值速率和移动性等都是5G的关键性能指标。5G支持更多样化的场景，融合多种无线接入方式，为5G的发展提供了广阔的应用前景。

2.1 5G技术架构

5G技术架构是按照服务化架构来定义的，5G核心网（5GCore）控制平面的网络功能（NF）使用服务化接口来进行交互。国际标准组织3GPP为5G制定了全新的系统架构，以实现网络时延、传输可靠性、连接密度、网络吞吐量和能效等关键性能指标。标准的5G系统架构如图1所示。

5G技术架构通过一系列的网络功能（NF）来完成端到端的系统流程，为用户提供AMF（访问和移动管理功能），UDM（统一数据管理），AUSF（鉴权服务器功能）等功能服务，以确保用户数据安全的情况下，完成这些服务的发现、授权、注册和去注册等流程。

下图深色框的地方，表示3GPP定义的控制面（由AMF、SMF等组成），5G核心网的应用平面是由用户平面功能（UPF）构成的，其数据流量是由用户平面功能转发的，控制面与用户面通过特定的通信原则和协议构成了5G核心网。5G核心网的设计不仅提高了传统服务的数据速率和性能，还支持5G场景的新用例。

图1 5G非漫游的技术架构

2.2 5G网络设计原则

对于5G网络，3GPP组织把接入网（5G NR：New Radio新空口）和核心网（5G Core）进行拆分，使接入网和核心网独自演进到5G时代，这样5G不仅满足移动宽带设计，而且还促进了5G三大场景的发展。为了满足5G网络优质、灵活、智能、友好的整体发展趋势，5G网络需要通过基础设施平台和网络架构两个方面的技术创新和协同发展，实现网络优化部署。

◆ 5G基础设施平台

5G核心网主要采用的是SBA（Service Based Architecture）架构，该服务化架构支持网络功能和服务的按需部署，使其能灵活地管理网络切片。SDN（软件定义网络）和NFV（网络功能虚拟化）是5G核心网中的关键技术，是实现5G基础设施平台的关键技术，两者在网络层面互不依赖。

软件定义网络（SDN）更偏向于硬件分离管理，网络功能虚拟化（NFV）偏向部分传统硬件功能的软件化，网络功能虚拟化（NFV）技术通过软件与硬件的分离，为5G网络提供更具弹性的基础设施平台，组件化的网络功能模块实现控制面功能可重构。网络功能虚拟化（NFV）可以方便快捷地把网元功能部署在网络的任意位置，同时对通用硬件资源实现按需分配和动态伸缩，以达到最优的资源利用率。软件定义网络（SDN）技术的实现，有利于通过网络控制平面从全局视角来感知和调度网络资源，实现网络连接的可编程。

◆ 5G网络架构

为了满足业务需求与运营需求，将5G接入网和5G核心网进行分离，使逻辑功能界面更加清晰，部署方式更加灵活。5G核心网是负责处理和管理数据的中枢网络，其网络功能在演进的分组核心网（EPC）的基础上进一步简化与重构，以提供高效灵活的网络控制与转发功能。

5G接入网是一个满足多场景的以用户为中心的多层异构网络，利用宏站和基站结合的方式，统一采用新空口（NR：New Radio）的多种接入技术，来提升小区边缘协同处理效率，提高无线和回传资源利用率。5G NR是一种新空口技术，其特点是不依赖、不受限于频谱资源，在低、中、高频段均可实现网络的部署，在发射端和接收端支持数量众多的、方向可控的天线单元。

3 5G关键技术分析

5G系统支持灵活、开放和可扩展性的网络环境，并给整个生态系统带来良好的技术功能，提供这种灵活性的技术功能包括网络切片，网络能力开放功能，可扩展性和多样化的移动性。其他网络操作要求解决必要的控制和数据平面资源效率，以及通过最终用户和应用服务器之间的路由来优化服务交付的网络配置，增强的计费和安全机制处理以不同方式连接到网络的新类型的UE。

3.1 网络切片

网络切片允许运营商根据用户需求提供定制的网络服务，例如，对功能（例如，优先级、计费、策略控制、安全性和移动性），性能要求的差异（例如，延迟、移动性、可用性、可靠性和数据速率）有不同的要求，或者他们只能为特定用户（例如，MPS（4G系统）用户、公共安全用户、企业客户）提供服务。网络切片可以提供完整网络的功能，包括无线电接入网络功能，核心网络功能（例如，可能来自不同供应商）和IP多媒体系统（IMS）功能。

5G中的网络切片支持同一网络切片中为家庭和漫游用户提供连接服务，在共享5G网络配置时，每个运营商可根据5G网络架构的灵活性合理分配网络资源，定义和更新网络切片中支持的一系列服务和功能。

3.2 网络能力开放功能

随着5G的出现，新的网络功能需要提供给第三方，以让第三方提供特定的服务给用户，例如，允许第三方在服务托管环境中管理受信任的第三方应用程序以改善用户体验，并有效地利用反馈信息和应用程序资源。5G网络应根据运营商政策提供合适的API，允许可信的第三方创建、修改和删除为第三方使用的网络切片。根据运营商策略，5G网络应提供合适的API，以允许受信任的第三方将UE分配给用于第三方的网络切片，将UE从用于第三方的一个网络切片移动到用于第三方的另一网络切片，并且基于由网络切片提供的订购，UE能力和服务从用于第三方的网络切片中移除UE。

3.3 资源利用率提升

5G引入设计系统的概念，该系统被优化以支持不同的UE和服务。虽然EPS（4G系统）提供了对物联网的支持，但是有效的资源利用仍有改进的空间可以设计到5G系统中，而在4G系统中很难进行改装。与5G网络中的UE的有效配置、部署和使用相关联的潜在服务和网络操作要求的一些基本原理包括批量配置，资源有效接入，UE发起的数据传输的优化以及基于减少的需求效率，与固定UE和具有受限移动范围的UE的移动性管理有关。

5G网络对控制平面或用户平面进行了优化，提高UE的高连接密度，满足物联网设备的大量连接要求，未来云机器人等云应用程序在网络中而不是在UE中执行计算，这要求系统在上行链路中具有高数据速率并且具有非常低的往返延迟，对于未来部署高密度云机器人，5G系统将发挥优化资源效率的功能。

3.4 兼容4G的网络能力

早期5G商用，绝大部分用户还在使用4G提供的服务，要求5G系统除了支持新功能外，还需要支持大多数现有的4G系统服务功能，5G系统应考虑5G核心网络和EPC之间的迁移流程，以减少对用户体验的影响。

在漫游环境下，假设能够支持5GC NAS（即移动性管理和会话管理）流程的UE也能够支持EPC NAS在传统网络中操作，UE将根据自己的核心网络来选择使用EPC NAS流程还是5GC NAS流程。为了达到平滑迁移，假设EPC和5GC可以访问公共用户数据库，即EPC下的HSS（归属签约用户服务器）和5GC下的UDM，作为给定的主数据库，PCF（策略控制功能）可以访问UDR（用户数据寄存器），该UDR（用户数据寄存器）充当由SUPI（签约用户永久标识）基于服务标识的给定用户的公共订户数据库，其UE在4G核心网与5G核心网的迁移方案结构如图2所示。

5G系统将为该案例提供一种机制，用于网络运营商将UE指引到伙伴关系网络上，以便根据运营商之间的协议在伙伴网络上路由全部或部分UE用户平面和相关联的控制平面业务。

3.5 5G网络安全功能

图2 EPC和5G CN迁移方案

互联网成为当代沟通、支付的主要媒介，网络安全成为每一个利益相关者关注的重点，3GPP制定的5G网络安全架构访问控制包含六大功能：网络选择、身份认证和鉴权、授权、接入控制、策略控制和合法监听，这些功能确保了用户设备能正常访问5G网络，3GPP为5G定义了相关的安全架构及流程，具体安全架构如图3所示。

5G网络安全架构涉及的网络访问安全性、网络域安全性、用户域安全性、应用程序域安全性、SBA域安全性、安全性的可见性和可配置性，这6大安全域满足了5G多元化的场景安全需求，5G技术推动了对IoT设备处于活动状态时无缝访问的独立安全的需求。我们生活中的智能手机、无人机和工厂自动化等设备设施都需要防止盗窃和欺诈，再扩展到企业，车辆和公共安全市场都需要对最终用户的隐私进行保护，可见，应研究5G系统的安全需求，确保与3GPP系统一致的安全性。

4 5G应用场景分析

图3 5G网络安全架构示意图

随着5G技术的稳定发展，5G场景下的消费电子产品不仅发生新的变化，而且还带动物联网生态系统的发展，3GPP为5G定义三大不同的服务场景：eMBB（Enhanced Mobile Broadband增强型移动宽带）、mMTC（Massive Machine-type Communications海量机器类通信）和URLLC（Ultra-reliable and Low Latency Communications超可靠低时延通信）。

4.1 增强型移动宽带场景

今天的无线网络的频谱带宽和网络容量难以满足日益增长的消费者服务类型。3GPP已经确定增强型移动宽带的部署方案，这些方案侧重于高速度和大规模输入输出的天线阵列，该增强型移动宽带方案可提供高频谱效率，准确的信道预测，以及用于大规模输入输出的应用。增强型移动宽带的特点是可处理极高的数据速率，用户密度和流量、容量，适用于热点场景以及无缝覆盖和高移动性场景，并且提高使用数据的速率。

成功实施增强型移动宽带方案后，其网络可满足消费者对移动数据无止境的需求，自动驾驶车辆、高速列车和数据密集型应用等（如发布会现场）和增加覆盖范围和容量需求的一些应用场景、新的应用，如虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和特定需求的游戏都有适合其带宽和高容量的数据。希望运营商利用这一机会，制定属于他们的5G部署和运营战略，可获取巨大的经济效益。

4.2 海量机器类通信

海量机器类通信是以机器为中心而不是以人为中心的通信，其特点是大量连接的设备需要低功耗和低数据速率，能够提供与大量低成本、低复杂度设备连接的无线技术，海量机器类通信是扩大5GIoT所需的关键技术，该方案将成为自动化社会的支柱。若实施海量机器类通信的物联网连接解决方案将带来诸多优势，例如通过支持新业务模式增加收入，提高有效性和降低成本，而且还可以使用该物联网技术用于智能照明、废物处理、资产跟踪、流程监控和优化等。

在5G时代，海量机器类通信的应用被开发用于服务大量的设备。大规模的挑战推动了5G新无线技术的发展，特别是在M2M设备领域，主要目标是开发能够支持大量低成本设备的系统。这些设备分布在广泛的地区，将消耗超低功耗，并将支持各种类型的服务，如智能城市、智能计量、智能农业、物流和运输等应用程序。

4.3 超可靠低时延通信

超可靠低时延通信是5G中的一个新的业务场景，是5G范围内的关键使用场景之一，满足主要安全并具有严格延迟和可靠性要求的新兴业务和应用程序。5G在垂直领域的新服务和应用发挥着重要作用，如工厂自动化、自动驾驶领域等。可靠低时延通信最重要的关键性能指标是延迟、可靠性和可用性。

配电自动化的特点是对通信服务的可用性提出了更高的要求，配电系统存在于公共场所中，由于配电是一项基本的基础设施，因此通常由私人网络提供服务。智能交通系统与配电自动化系统一样，其设备出现在公众的眼中，智能交通系统支持街道交通的基础设施的自动化解决方案，此用例处理路边基础设施（例如，路边单元）与其他基础设施（例如，交通引导系统）的连接。

5 展望

今年是5G商用元年，是网络信息与大数据错综复杂的时代，同时也是万物互联的开端，其中5G关键功能和场景需求的研究关乎着5G技术的发展。近日，中美竞争激烈，我们需要雄厚的科学技术作为支撑，我们需要运营商、设备商及终端厂商的通力合作，推动国产芯片的研发及研究分析5G场景需求，齐心协力部署能支撑行业发展的具有灵活高效安全属性的5G网络，力争将5G相关场景发展同步推进，完成国家优先重点发展的5G技术，领跑全球5G技术发展。■