基于垂直行业的5G核心网技术分析

基于垂直行业的5G核心网技术分析

刘洪波

吉林吉大通信设计院股份有限公司，吉林 长春 130012

摘要：5G核心网是推动行业变革的重要力量，需要紧紧围绕垂直行业服务需求不断钻研关键技术。未来要对标建设更可靠、更稳定、低时延、性能卓著的5G 网络，升级优化5G LAN、URLLC、5G TSN和5G-V2X等多项硬核技术，打磨精进核心网切片、边缘计算和小型化等多维能力，实现多应用场景的集成耦合。

关键词：5G；核心网；垂直行业；技术

引言：随着5G技术不断更新，移动通信技术的关键核心网也取得了长足发展。目前已经实现点对点精准传输业务，将业务耦合后架构独立体系。第一版5G标准R15已于2018年出台。第一阶段的标准已经具备服务垂直行业的基本框架，实现灵活的架构体系。但面向垂直行业的具体网络技术仍有巨大的发展研究空间。未来需要以典型场景为切入点，因地制宜升级解决方案为行业赋能。

一、5G LAN技术提高局域网覆盖质量

5G LAN 技术能实现终端组内直接通信，实现对群组有效的动态归集管理。组内终端的所有签约信息均由UDM维护，垂直行业客户可以根据需要和能力灵活地在群组内增减终端。当开放接口时，行业客户可配置指定终端IP地址。5G网络将UDM存储的静态IP分配给行业终端，这样用5G LAN DNN 创建会话时，接入终端能无缝衔接行业内网应用服务器，实现行业专属信息互联互通，形成对行业信息广覆盖的定制“局域网”。5G LAN摒弃传统通过N6口上路由器或应用服务器介入来通信的方式，支持终端间借助UPF直接通信，大大提高数据转发效率。终端接入的多重网关UPF取代了路由器，像构建了多条直连隧道和高速公路一样，保障终端互相发送的海量数据不需要中介直接在最短的传输路径上实现最高效的触达。此外，5G LAN 技术可以与多项技术耦合，比如SD-WAN。集成UPF同时外设SD-WAN，既可以增大5G覆盖力，又可以打造行业信息专属通道，保证行业终端接入质量与效率。

5G LAN 技术最大的优势在于能帮助客户基于行业需求实现对终端的个性化配置。同时提供有效的安全隔离，保障不同等级的终端和群组独立运行，提高技术运用的灵活性、自主性和安全性。该技术仅需改造核心网，不涉及终端和基站，升级成本相对较小，可在垂直行业优先引入。

二、URLLC技术提高传输可靠性和时效性

URLLC技术能帮助业务可靠性等级达到5个9，同时将端到端的时延控制在毫秒级，大大提高传输可靠性和时效性。URLLC技术将被运用于多个行业场景中，包括工业控制和远程手术等高精密性领域，以及智能电网差动保护和自动驾驶等智能化领域。

URLLC技术传输的可靠性在于其可以构建冗余传输链路。一般为了对抗无线信道波动，5G网络都会建立两条由UE发起的链接到同一个DN的端到端会话，这两条会话路径互相平行。在此基础上，URLLC技术引入了N3冗余隧道机制。正常建立PDU会话时，RAN和UPF会互相配合，复制上下行数据包并去重，构建两条N3隧道，保证底层传输链路独立不受干扰。

URLLC技术的低时延性在于对端到端时延情况的实时测量和监控。一旦发现时延超过阈值，或调整网络拓扑或调整QoS策略。监控可以测算QoS流粒度指标或者节点粒度指标。RAN构建携带时间戳的数据包用于测量空口时延，并将信息上报给UPF，依据时间戳记录可以测算出上行和下行链路传输时延。

URLLC技术的引入除了要升级核心网，还需要实现终端和基站双连接，配置灵活帧结构，强化周期性数据包检测功能。

三、5G TSN技术构建5G确定性网络

TSN技术在URLLC技术基础上进一步增强了对传输可靠性和时延性的控制，是构建有界时延、低抖动、精确可靠和时间同步的5G确定性网络的关键技术。

TSN技术首先增强了架构，搭建TSN转换器（TT）提高5G系统用户面的交互体验，包括终端侧和网络侧TSN转换器，即DS-TT和NW-TT。同时实现IEEE 802.1AS时间同步机制，提高端到端的时间敏感性。核心网中会有5G时间域和TSN时间域两个同步域。5G时间域主时钟要与DS-TT和NW-TT等同步，5G系统内的TSN转换器需要支持IEEE 802.1AS时间感知系统。

此外，5G系统与TSN系统协调门限控制和配置机制，实现了时间通信QoS控制。时延敏感GBR机制保障业务流，单周期内，QoS流只能传输一个数据块，数据块大小以最大数据突发量（MDBV）参数为准。分组时延预算（PDB）要根据TSN系统荷载调整。PDB被PCF分解为CN-PDB和AN-PDB，可以精确控制时延和数据流调度传输。

四、5G-V2X技术助力自动驾驶业务

5G-V2X技术旨在构建车、人、路和网的全方位有效链接，实现车和人、人和人、车与路间的有效多维互动，目前已经成为助力自动驾驶和智能交通行业的关键技术。自动驾驶目前一共6个等级，V2X技术能辅助L2级别业务。在5G网络的加成下，V2X技术未来将助力于L3甚至更高级别系统研发。

5G-V2X将V2X控制功能引入PCF中，便于参数制定和下发，授权终端服务通信配置。NR-PC5既可以组播也可以单播通信。V2X控制模块识别终端ID，并匹配大小合适的组播对象。单播通信可根据具体情况面向业务或者特定终端建立单播链路。单播链路需要发起方和接收方在端口交互地址信息，交换QoS协商，在此基础上才能建立安全连接。NR-PC5和Uu口支持QoS控制，能提高V2X系统服务质量。基站可以配置多等级QoS作为备选，当资源受限时，可以根据实际情况改变QoS等级并及时将更改状况通知业务终端，给予车联网接口段更多的时间响应，实现业务的平稳流畅衔接与运行。

5G-V2X技术是更为集成的技术系统，需要RLLC技术、TSN技术等支撑，单向延迟低，带宽高，直连通信，移动灵活性极强。在多等级QoS机制和PC5通信机制关键模块组合支持下，5G高性能车联网切片运用范围日益广泛，除了自动驾驶已经拓展到无人机和云游戏等领域。

五、结语

基于垂直行业的5G核心网目前仍存薄弱环节需要深入研究。未来要根据典型场景因地制宜发展关键技术，精准化回应行业需求，不断夯实5G网络赋能产业基石。技术的设计理念主要有三方面：第一，精细化。秉持着微服务设计理念，网络服务需要被拆解为更细的维度，被拆解的功能可以自由组合更有针对性地满足日益多变的行业场景需求；第二，兼顾韧性与可靠性。5G核心网部署需要嵌入云化基础设施和云计算建设中，实现常态化与风险应对的平衡发展，提高系统适应性；第三，多样化。基本服务框架搭建离不开网络切片和边缘计算，只有抓住核心模块才能更高效赋能垂直行业，并不断拓展网络延展能力。

参考文献：

[1]贺丽杰.基于垂直行业的5G核心网技术研究[J].中国新通信,2022,24(10):38-40.

[2]邹兴聪.基于垂直行业的5G核心网技术研究[J].长江信息通信,2022,35(11):219-221.

[3]王丹,孙滔,段晓东,李永竞,刘棠青.面向垂直行业的5G核心网关键技术演进分析[J].移动通信,2020,44(1):8-13