刘明亮，梁煜锋

（广州珠江数码集团股份有限公司，广东 广州 510010）

0 引 言

4G改变生活，5G改变社会。5G核心网借鉴IT领域中“微服务”和服务化架构的成功经验，通过模块化实现了网络功能之间的解耦。它将网元功能分解为多个可相对独立、可被灵活调用的功能模块。基于全新的架构设计，5G网络具备10 Gb/s的峰值速率、低于1 ms的传输时延以及每平方公里百万级别的连接能力，为自动驾驶和虚拟现实等技术的发展奠定了坚实基础，成为经济社会数字化转型的重要支撑。在推进5G发展的过程中，探索和促进5G在垂直行业中的普及，已成为5G发展成功的关键。

作为移动通信系统的关键建筑，核心网经历了4代演进。新一代5G核心网从以点到点的信令控制为主、各种业务紧密耦合、封闭的独立硬件设备体系，逐步演变成基于微服务架构的软件化功能形态。5G核心网灵活部署在通用IT基础设施上，使得运营商可以对5G核心网切片分配使用，为相关垂直行业部署小型化核心网提供了可能。5G核心网的控制面和用户面彻底分离，使得用户面功能下沉和分布式部署，可灵活满足增强型移动宽带（enhance Mobile Broadband，eMBB）、海量物联网通信（massive Machine Type Communication，mMTC）和高可靠低时延通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）3大类使用场景的行业需求。

广州珠江数码集团股份有限公司（以下简称“珠江数码”）在深耕广播电视有线网络业务的同时，积极研究5G网络技术和应用，大力推进广电网络无线和有线的融合发展。面对垂直行业拓展，研究云化核心网切片和小型化核心网技术，有助于满足不同业务在时延、带宽及连接数等方面的差异化业务需求。

1 5G核心网整体架构

中国广电是我国第4大电信运营商。由于没有2G、3G、4G的历史包袱，它可直接采用SA组网方式部署5G核心网。在5G核心网络建设初期，运营商需要考虑覆盖用户数量、网络冗余备份及网络建设成本等多种因素，其中最大的挑战是如何进行高效的架构设计，以建设既经济又科学的5G核心网。

中国广电5G核心网采用“中心-边缘”两级数据中心的组网方式，如图1所示。控制信令网元在同一地域集中组网，将大范围的跨区域信令交互转化为数据中心内部流量，优化信令处理时延［1］。在虚拟化管理平面上对网元进行集中统一管理，可以对网络进行灵活规划和配置，并根据业务的变化快速增加和缩减硬件资源，从而提高网络对业务的响应速度。

将用户转发网元和数据存储服务器部署在各广电分前端机房，可实现业务锚点下沉，缩短业务响应时间，降低承载网络负载。通过非集中式的网元部署方式，可把功能网元池化，提高网络服务能力的可靠性。此外，通过本地业务数据卸载，可以将数据策略路由至指定区域，从而满足行业专网场景的安全性需求。

图1 5G核心网组网架构

2 面向垂直行业的5G核心网关键技术

2.1 5G云化核心网切片技术

网络切片技术本质上是将物理网络划分为多个虚拟网络，每个虚拟网络满足不同的服务需求，如按时延、带宽、安全性及可靠性等来划分，以灵活应对不同的应用场景。网络切片技术是在通用的物理基础设施上提供具有不同弹性能力和特性的定制化网络，通过在性能、功能、隔离及运维等多方面进行灵活设计，使得运营商能够根据垂直行业的需求对专用网络进行定制化创建。5G网络端到端的切片能力需要从无线网、传输网及核心网3个方面实现，其中基于虚拟化技术的服务化架构5G核心网切片是最关键的环节［2］。

传统的核心网基于专用硬件，无法满足5G网络切片在灵活性和服务等级协议（Service Level Agreement，SLA）方面的需求。而基于虚拟化技术的服务化架构5G核心网，能将网络功能解耦为服务化组件。每个组件之间使用轻量级开放的接口进行通信，具备敏捷性、易拓展性、灵活性及开放性的高内聚低耦合结构，可以满足按需构建网络切片的高可靠性和动态部署弹缩要求。

网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）是切片的先决条件。NFV从传统网元设备中分解出软硬件部分。通用服务器统一部署硬件，不同的网络功能承担软件部分，以满足灵活组装的业务需求。核心网切片工作可以从资源视图和组网视图两个维度来划分隔离方案。其中，资源视图可划分为硬件资源层、虚拟资源层及网元功能层的隔离分配；组网视图主要针对的是核心网数据中心内的交换机/路由器等网络设备的隔离分配。结合行业实际需求，可以选择网元部分独占或完全独占的建设模式，在安全隔离需求和成本之间做到最佳平衡，从而满足各种行业的网络切片分级需求，如图2所示。

2.2 5G小型化核心网技术

图2 核心网切片网元建设模式

针对部分特需行业（如电力、公共安全及金融等）和企业对安全的极致需求，以及物理地域（如海上油田和野外勘测营地等场地）无法连接外网的特殊性，为了更加灵活地部署5G网络，珠江数码研究基于容器环境和虚拟机环境极简部署5G小型化核心网。有别于传统核心网，5G小型化核心网仅基于容器环境部署必要的核心网控制面网络功能（Network Function，NF），包括接入和移动管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）、会话管理功能（Session Management Function，SMF）、网络存储库功能（NF Repository Function，NRF）及网络切片选择功能（Network Slice Selection Function，NSSF）。用户面基于虚拟机环境部署用户面管理功能（User Plane Function，UPF）和非3GPP互通功能（Non-3GPP InterWorking Function，N3IWF）。

5G小型化核心网解决方案基于云原生平台的平台即服务（Platform as a Service，PaaS）架构，其核心网络功能由部署在云上的互连微服务实现。如图3所示，这些网络功能可分为5G核心网的控制面和用户面，由一些通用服务支持。5G小型化核心网基于微服务架构开发，控制面NF可以部署在通用X86架构服务器的容器环境中（即虚拟机内的容器或裸机上的容器），用户面NF建议部署在虚拟机环境。使用虚拟化技术，通过网络功能虚拟化基础设 施（Network Function Virtualization Infrastructure，NFVI）承载虚拟网络功能（Virtualization Network Function，VNF）灵活部署，旨在实现云化部署、灵活部署及高吞吐量的目标，节省核心网建设成本。

图3 核心网虚拟化平台

3 5G行业核心网赋能传媒行业的分析和实践

依靠高带宽和低延时的技术特性，5G赋予了媒体行业在高清视频采集、传输及制作方面新的技术实现方式，甚至改变了行业传统的制作架构。珠江数码联合广州广播电视台建立媒体应用实验室，立足5G网络技术特点，面向传统媒体制播领域，打造媒体领域5G创新技术方案，实现了5G+4K关键技术突破，形成了5G媒体行业应用。

3.1 基于5G云化核心网切片技术实现5G+4K/8K轻量级演播室

4G时代，直播背包已经开始在各地直播中应用。但是，面对4K/8K的直播场景，它在信源编码和信道传输两个层面遇到了难题。新型5G直播背包已经基本解决4K编码难题，但在实际使用中信道传输问题依然存在。由于直播区域多位于热点区域，信号回传缺乏保障，经常出现背包传输速率不达标甚至无法接入网络的问题。

珠江数码在云化核心网和无线侧实现端到端切片技术。在无线侧，通过RB资源预留技术为5G直播背包提供专网级别的网络接入能力；在核心网侧，根据广电系统播出平台物理隔离的安全播出要求，网元功能层采用部分独占模式，在安全隔离性需求和成本之间做到最佳平衡。

通过5G网络切片赋能，珠江数码为电视台建立了一张行业专网，使新闻直播业务能够独享网络资源。5G背包实现了4K/8K超高清信号的超低延时编码和高带宽传输功能。5G网络作为安全、高速及稳定的传输方式，将信号传输至解码服务器并输出给台内系统，替代了新闻直播车采用卫星回传的方式，如图4所示。同时，采编系统的实时音视频信号被及时返送，使得前方记者与后方演播厅可以进行双向视频沟通。目前，该方案在部分场景中可以代替传统的转播车方案，使媒体直播生产方式实现了跨越式升级。

3.2 基于小型化核心网实现5G+4K演播车机位灵活漫游

目前，体育赛事等大型活动多采用固定机位进行高清直播，并使用光电复合线缆回传到演播车的导播设备。这种有线的超高清视频回传方案存在敷设线缆耗时长、机位受限条件多以及移动性差的缺点。为了给观众带来更好的视听和互动体验，多维度的超高清直播必将成为未来大型活动和演唱会的视频直播标准。与高清标准相比，超高清技术在不同维度上都有质的改进和突破，同时对网络环境有更高的要求。在分辨率方面，超高清视频具有4K（3 840×2 160像素）分辨率，4K格式的像素是高清像素的4倍；在色域方面，超高清视频符合Rec.2020标准，相比高清的Rec.709标准，色彩量为后者的2倍；在量化深度方面，由8 bit升级到10 bit，图像的明暗层次扩大3倍；帧率提高至50 f/s以上。视频编码后，超高清摄像机的视频比特率达到60 Mb/s以上，需要非常高的网络上行带宽。因此，5G技术的商业应用成为4K超高清视频直播的重要驱动力［3］。

为了满足演播车灵活部署机位的场景需求，珠江数码设计了5G+演播车的组网方案，如图5所示。

图4 5G背包方案

图5 5G+演播车组网方案

该方案在演播车内搭建小型核心网，与车载宏站和接入终端组成移动专网。外场直播和制作设备可通过5G-CPE接入设备以无线方式连接至有源天线处理单元（Active Antenna Unit，AAU）。信号和数据经基带处理单元（Base Band Unit，BBU）进入5G核心网。通过核心网，信号和数据可以进入直播车内各制播系统，如解码系统、总控制台、制作系统及编辑系统等，从而形成整套基于5G的媒体应用体系。该组网方案也可以把数据转发面部署在直播车，相当于把核心网用户面UPF下沉到直播车，然后针对摄像机视频流量进行本地转发。视频流无需经过核心网即可实现接入终端与直播车之间的数据交互，为新业务和新场景提供端到端质量可保证的网络通信连接。技术方案设计基于5G专网提供隔离、专用以及质量可保证的端到端网络，以满足实际应用场景的需求。

4 结 语

4G网络时代，所有通信业务在同一个通信系统中运行。如果遇到网络拥塞，业务无法获得足够资源，会导致业务质量下降。5G网络时代，得益于端到端网络切片和NFV技术的成熟应用，通信技术在安全、可保障QoS/SLA、可靠性以及独立运维等方面的能力得到了革命性的提升，使通信网络从“应用适配网络”的4G时代演进到“应用定义网络”的5G时代。