原標(biāo)題：5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

聶衡1，趙慧玲2，毛聰杰1

(1.中國電信股份有限北京研究院，北京102209；

2.工業(yè)和信息化部通信科學(xué)技術(shù)委員會，北京100804)

【摘要】下一代5G網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)已經(jīng)基本完成R15的規(guī)范制定，基于發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)對5G核心網(wǎng)的組網(wǎng)方式，一些關(guān)鍵技術(shù)包括服務(wù)化架構(gòu)、支持邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)切片等進行了研究，總結(jié)了5G核心網(wǎng)與傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡(luò)不同的全新架構(gòu)和技術(shù)的主要特征，分析了這些技術(shù)的應(yīng)用場景以及還存在的問題，提出了相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用和研究發(fā)展建議。

【關(guān)鍵詞】5G核心網(wǎng)；服務(wù)化架構(gòu)；邊緣計算；網(wǎng)絡(luò)切片

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.001

文章編號：1006-1010(2019)01-0002-05

引用格式：聶衡,趙慧玲,毛聰杰. 5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 移動通信, 2019,43(1): 2-6.

1引言

目前國際標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)基本完成5G核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(3GPP R15)的制定，標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)覆蓋了5G核心網(wǎng)的基本特性，可以滿足5G三大基礎(chǔ)場景之一的eMBB(enhanced Mobile Broadband，增強的移動寬帶)場景[1]。R15的5G核心網(wǎng)涉及到的標(biāo)準(zhǔn)化包括：網(wǎng)絡(luò)切片、服務(wù)化架構(gòu)、支持能力開放、支持邊緣計算、接入和移動性管理、會話管理、用戶面管理、會話與業(yè)務(wù)連續(xù)性、QoS模型、策略框架、支持不可信的非3GPP接入、支持IMS、SMS over NAS服務(wù)、4G/5G互操作與演進、認證框架、計費等。5G核心網(wǎng)采用了與傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡(luò)不同的全新架構(gòu)和技術(shù)，開啟了傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)向IT技術(shù)全面重構(gòu)的第一步，并且與行業(yè)深度融合，滿足垂直行業(yè)終端互聯(lián)的多樣化需求。

本文研究和分析了5G核心網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，提出了相關(guān)的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展建議，可以為未來部署5G通信網(wǎng)絡(luò)來發(fā)展各種業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。

25G核心網(wǎng)的整體架構(gòu)

5G核心網(wǎng)架構(gòu)為用戶提供數(shù)據(jù)連接和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)，基于NFV和SDN等新技術(shù)，其控制面網(wǎng)元之間使用服務(wù)化的接口進行交互。5G核心網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)主要特征如下：

(1)承載和控制分離：承載和控制可獨立擴展和演進，可集中式或分布式靈活部署；

(2)模塊化功能設(shè)計：可以靈活和高效地進行網(wǎng)絡(luò)切片；

(3)網(wǎng)元交互流程服務(wù)化：按需調(diào)用，并服務(wù)可重復(fù)使用；

(4)每個網(wǎng)元可以與其他網(wǎng)元直接交互，也可通過中間網(wǎng)元輔助進行控制面的消息路由；

(5)無線接入和核心網(wǎng)之間弱關(guān)聯(lián)：5G核心網(wǎng)是與接入無關(guān)并起到收斂作用的架構(gòu)，3GPP和非3GPP均通過通用的接口接入5G核心網(wǎng)；

(6)支持統(tǒng)一的鑒權(quán)框架；

(7)支持無狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)功能，即計算資源與存儲資源解耦部署；

(8)基于流的QoS：簡化了QoS架構(gòu)，提升了網(wǎng)絡(luò)處理能力；

(9)支持本地集中部署的業(yè)務(wù)的大量并發(fā)接入，用戶面功能可部署在靠近接入網(wǎng)絡(luò)的位置，以支持低時延業(yè)務(wù)、本地業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)接入。

圖1為非漫游情況下的5G核心網(wǎng)的架構(gòu)(服務(wù)化方式)[2]：

其中5G核心網(wǎng)涉及到的主要網(wǎng)元和功能如下：

(1)AMF(接入和移動性管理功能)：負責(zé)用戶的接入和移動性管理；

(2)SMF(會話管理功能)：負責(zé)用戶的會話管理；

(3)UPF(用戶面功能)：負責(zé)用戶面處理；

(4)AUSF(認證服務(wù)器功能)：負責(zé)對用戶的3GPP和非3GPP接入進行認證；

(5)PCF(策略控制控制)：負責(zé)用戶的策略控制，包括會話的策略、移動性策略等；

(6)UDM(統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理)：負責(zé)用戶的簽約數(shù)據(jù)管理；

(7)NSSF(網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能)：負責(zé)選擇用戶業(yè)務(wù)采用的網(wǎng)絡(luò)切片；

(8)NRF(網(wǎng)絡(luò)功能注冊功能)：負責(zé)網(wǎng)絡(luò)功能的注冊、發(fā)現(xiàn)和選擇；

(9)NEF(網(wǎng)絡(luò)能力開放功能)：負責(zé)將5G網(wǎng)絡(luò)的能力開放給外部系統(tǒng)；

(10)AF(應(yīng)用功能)：與核心網(wǎng)互通來為用戶提供業(yè)務(wù)。

UPF屬于用戶面，除了UPF之外的5G核心網(wǎng)網(wǎng)元都屬于控制面。控制面網(wǎng)元全部都采用了服務(wù)化架構(gòu)設(shè)計，彼此之間通信采用服務(wù)化接口；用戶面繼續(xù)采用傳統(tǒng)架構(gòu)和接口。控制面和用戶面之間的接口(N4)目前還是傳統(tǒng)接口，控制面和無線網(wǎng)以及控制面與終端之間也是傳統(tǒng)接口(N2和N1)。

將5G核心網(wǎng)與4G核心網(wǎng)EPC進行比較，可以看出5G相比4G在基本功能如認證、移動性管理、連接、路由等方面不變，但是方式和技術(shù)手段發(fā)生了變化，更加靈活。主要體現(xiàn)在：移動性管理(AMF)和會話管理(SMF)分離，AMF和SMF的部署可層級分開；承載與控制分離，UPF和SMF的部署層級也可以分開；AMF和UPF根據(jù)業(yè)務(wù)需求、信令和話務(wù)流量以及傳輸資源靈活部署；采用服務(wù)化架構(gòu)設(shè)計，網(wǎng)元功能進行了模塊化解耦，接口進行了簡化。總體上看，5C核心網(wǎng)的組網(wǎng)更加靈活，但部署靈活性也對傳輸、以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)運營管理等能力提出更高的要求。

從無線網(wǎng)與核心網(wǎng)的關(guān)系角度看，主要的方式有兩大類：SA(Standalone，獨立組網(wǎng))和NSA(Non-Standalone，非獨立組網(wǎng))。這兩大類又有多種具體的無線網(wǎng)與核心網(wǎng)的組合選擇(option)。對于國內(nèi)運營商近期的組網(wǎng)選擇，主要有兩種：采用option2的SA，此時5G無線網(wǎng)(NR)與5G核心網(wǎng)(5GC)直接連接；采用option3的NSA，此時NR與4G核心網(wǎng)(EPC)連接，不需要5G核心網(wǎng)，終端與NR和4G無線網(wǎng)(eNB)采用雙連接機制。如圖2所示：

option3的NSA方式核心網(wǎng)繼續(xù)采用EPC而沒有采用5GC，是5GC還沒有成熟階段的過渡方案，立足于盡快部署5G無線網(wǎng)絡(luò)。NSA方式需要終端支持在4G和5G無線之間的雙連接，這對終端也有較高的要求，并且4G和5G無線網(wǎng)需要同廠家部署。由于沒有5GC，NSA方式在業(yè)務(wù)方面只是繼承了傳統(tǒng)的移動寬帶業(yè)務(wù)。option2的SA方式采用了5GC，可以利用5GC新型的網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)能力，例如切片、支持邊緣計算等，是5GC產(chǎn)業(yè)成熟階段的目標(biāo)方案。目前不同運營商對于5G商用初期采用option2的SA還是option3的NSA有各自不同的考慮，取決于5G商用的時間點、5GC的成熟度、對5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)訴求等綜合因素。

當(dāng)前業(yè)界部署的EPC主要是傳統(tǒng)設(shè)備，并不具備向云化的5GC升級的能力。從EPC向5GC演進，主要有兩種方案。一種是直接在云資源池部署5GC，傳統(tǒng)EPC隨著4G用戶逐步遷移到5G而退網(wǎng)。另一種是先在云資源池部署vEPC，滿足近期4G業(yè)務(wù)發(fā)展需求，并積累云化運營經(jīng)驗，然后適時將vEPC升級為5GC。采用哪種方案取決于運營商自身的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展規(guī)劃，并且都需要考慮EPC與5GC/vEPC如何協(xié)同組網(wǎng)。

3 5G核心網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 服務(wù)化架構(gòu)

5G核心網(wǎng)的控制面采用服務(wù)化架構(gòu)(SBA，Service Based Architecture)設(shè)計，借鑒IT系統(tǒng)服務(wù)化的理念，通過模塊化實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能間的解耦和整合，各解耦后的網(wǎng)絡(luò)功能(服務(wù))可以獨立擴容、獨立演進、按需部署；各種服務(wù)采用服務(wù)注冊、發(fā)現(xiàn)機制，實現(xiàn)了各自網(wǎng)絡(luò)功能在5G核心網(wǎng)中的即插即用、自動化組網(wǎng)；同一服務(wù)可以被多種NF調(diào)用，提升服務(wù)的重用性，簡化業(yè)務(wù)流程設(shè)計。關(guān)鍵技術(shù)點如下：

(1)服務(wù)的提供通過生產(chǎn)者(Producer)與消費者(Consumer)之間的消息交互來達成。交互模式簡化為兩種：Request-Response、Subscribe- Notify，從而支持NF之間按照服務(wù)化接口交互，如圖3和4所示。

1)Request-Response模式下，NF_A(網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)消費者)向NF_B(網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)生產(chǎn)者)請求特定的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)，服務(wù)內(nèi)容可能是進行某種操作或提供一些信息；NF_B根據(jù)NF_A發(fā)送的請求內(nèi)容，返回相應(yīng)的服務(wù)結(jié)果。

2)Subscribe-Notify模式下，NF_A(網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)消費者)向NF_B(網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)生產(chǎn)者)訂閱網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)。NF_B對所有訂閱了該服務(wù)的NF發(fā)送通知并返回結(jié)果。消費者訂閱的信息可以是按時間周期更新的信息，或特定事件觸發(fā)的通知(例如請求的信息發(fā)生更改、達到了閾值等)。

(2)實現(xiàn)了服務(wù)的自動化注冊和發(fā)現(xiàn)。NF通過服務(wù)化接口，將自身的能力作為一種服務(wù)暴露到網(wǎng)絡(luò)中，并被其他NF復(fù)用；NF通過服務(wù)化接口的發(fā)現(xiàn)流程，獲取擁有所需NF服務(wù)的其它NF實例。這種注冊和發(fā)現(xiàn)是通過5G核心網(wǎng)引入的新型網(wǎng)絡(luò)功能NRF來實現(xiàn)的：NRF接收其它NF發(fā)來的服務(wù)注冊信息，維護NF實例的相關(guān)信息和支持的服務(wù)信息；NRF接收其它NF發(fā)來的NF發(fā)現(xiàn)請求，返回對應(yīng)的NF示例信息。

(3)采用統(tǒng)一服務(wù)化接口協(xié)議。R15階段在設(shè)計接口協(xié)議時，考慮了適應(yīng)IT化、虛擬化、微服務(wù)化的需求，目前定義的接口協(xié)議棧從下往上在傳輸層采用了TCP，在應(yīng)用層采用HTTP/2.0[3]，在序列化協(xié)議方面采用了JSON，接口描述語言采用OpenAPI3.0，API的設(shè)計方式采用RESTFul。

可以看出，目前5G核心網(wǎng)采用服務(wù)化架構(gòu)的接口協(xié)議棧與傳統(tǒng)移動核心網(wǎng)的協(xié)議相比，變得更加復(fù)雜。用同樣的硬件來實現(xiàn)的話，其性能相對傳統(tǒng)協(xié)議是下降的，因此需要通過高性能的云資源來抵消接口性能的損失。對于服務(wù)化架構(gòu)的自動化組網(wǎng)，目前能力也還不完善，例如在容災(zāi)和過載控制方面和在多NRF級聯(lián)方面。這都需要在標(biāo)準(zhǔn)組織進行進一步的推動和研究，在實際網(wǎng)絡(luò)部署和運營中也需要加以注意。

3.2 支持邊緣計算

相比于4G核心網(wǎng)對邊緣計算(Edge Computing)支持能力不足而帶來種種問題，5G核心網(wǎng)在架構(gòu)中就考慮了支持邊緣計算需求，在網(wǎng)絡(luò)層面和能力開放層面都支持邊緣計算。在網(wǎng)絡(luò)層面，5G核心網(wǎng)支持多種靈活的本地分流機制、支持移動性、支持計費和QoS以及合法監(jiān)聽。在能力開放層面，5G核心網(wǎng)支持APP路由引導(dǎo)、支持對未網(wǎng)絡(luò)及用戶的信息獲取和控制。對于本地分流機制，5G核心網(wǎng)支持如下幾種：

(1)上行分類器UL-CL(Uplink Classifier)：可以基于目的地址進行本地分流UL-CL的機制如圖5所示。

根據(jù)邊緣計算業(yè)務(wù)需求，當(dāng)UE移動到某個位置時SMF插入本地的UPF進行分流，UPF根據(jù)SMF下發(fā)的分流規(guī)則(Uplink Classifier)過濾上行數(shù)據(jù)包IP地址，將符合規(guī)則的數(shù)據(jù)包分流到本地DN。UL-CL機制下UE只有一個IP地址，不感知數(shù)據(jù)分流，對UE沒有特別要求。

(2)IPv6多歸屬(IPv6 Multi-homing)：基于源地址進行本地分流IPv6 Multi-homing的機制如圖6所示：

此機制利用了IPv6多歸屬的特性，將UE的一個IPv6地址用于邊緣計算業(yè)務(wù)。SMF根據(jù)UE位置選擇本地的共同UPF(Branching Point)進行分流，不同的IP錨點通過這個Branching Point UPF實現(xiàn)用戶面路徑的分離。Branching Point UPF根據(jù)SMF下發(fā)的分流規(guī)則過濾上行數(shù)據(jù)包源IP地址，符合規(guī)則的數(shù)據(jù)包分流到本地DN。IPv6 Multi-homing機制下UE需要支持IPv6 Multi-homing，一個PDU會話分配兩個IPv6前綴，并且UE能感知并控制數(shù)據(jù)分流。

(3)本地區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)(LADN，Local Area Data Network)：基于特定的DNN進行本地分流

LADN機制與前面兩種不同，需要UE建立新的PDU會話接入本地DN來用于邊緣計算業(yè)務(wù)。UE在5G核心網(wǎng)注冊成功后，AMF告知UE其LADN信息(服務(wù)區(qū)域、LADN DNN)。UE移動到LADN服務(wù)區(qū)域內(nèi)時發(fā)起PDU會話，SMF根據(jù)UE的位置選擇本地UPF，將會話路由到LADN。UE離開區(qū)域后SMF發(fā)起會話釋放。LADN機制下UE需要支持LADN，并且能感知并控制數(shù)據(jù)分流。

5G核心網(wǎng)支持邊緣計算的分流機制提供了多種靈活的方式，每種方式有其特點和對網(wǎng)絡(luò)和終端的能力要求。在提供5G網(wǎng)絡(luò)的邊緣計算服務(wù)時，需要根據(jù)技術(shù)的成熟度、終端的能力、對網(wǎng)絡(luò)的影響、運營成本等多方面綜合考慮來選擇合適的方案。另外，由于邊緣計算需要將5G核心網(wǎng)的UPF盡量下沉以滿足業(yè)務(wù)時延、服務(wù)覆蓋范圍等要求，運營商部署邊緣計算能力時需要結(jié)合自身網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的DC化改造進程，選擇具備能力的相應(yīng)層級的數(shù)據(jù)中心。

3.3 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片是5G網(wǎng)絡(luò)的重要使能技術(shù)，實現(xiàn)了基于業(yè)務(wù)場景按需來定制網(wǎng)絡(luò)，不同的網(wǎng)絡(luò)切片之間可共享資源也可以相互隔離。網(wǎng)絡(luò)切片是端到端的邏輯子網(wǎng)，涉及核心網(wǎng)絡(luò)(控制平面和用戶平面)、無線接入網(wǎng)、IP承載網(wǎng)和傳送網(wǎng)，需要多領(lǐng)域的協(xié)同配合。目前來看，核心網(wǎng)切片的標(biāo)準(zhǔn)相對進展更快，5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和終端支持切片的功能、流程基本完成，但是切片管理還不完善。無線網(wǎng)切片由于具有一定的技術(shù)難度，業(yè)界還在進行技術(shù)和方案研究。承載網(wǎng)切片目前相對獨立發(fā)展，缺乏與移動網(wǎng)跨專業(yè)間的聯(lián)動/打通。

5G切片的定制和自動化部署是通過切片管理來完成的[4]，網(wǎng)絡(luò)切片管理架構(gòu)如圖7所示：

網(wǎng)絡(luò)切片管理架構(gòu)包括通信業(yè)務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)切片管理、網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理。其中通信業(yè)務(wù)管理功能(CSMF)實現(xiàn)業(yè)務(wù)需求到網(wǎng)絡(luò)切片需求的映射；網(wǎng)絡(luò)切片管理功能(NSMF)實現(xiàn)切片的編排管理，并將整個網(wǎng)絡(luò)切片的SLA分解為不同切片子網(wǎng)(如核心網(wǎng)切片子網(wǎng)、無線網(wǎng)切片子網(wǎng)和承載網(wǎng)切片子網(wǎng))的SLA；網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理功能(NSSMF)實現(xiàn)將SLA映射為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實例和配置要求，并將指令下達給MANO，通過MANO進行網(wǎng)絡(luò)資源編排。對于承載網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度，將通過與承載網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的協(xié)同來實現(xiàn)。

可以看出，切片是在NFV/SDN之上的一種業(yè)務(wù)，其運維難易程度與NFV/SDN技術(shù)的成熟度是相關(guān)的，因此需要盡快促進NFV/SDN技術(shù)的落地和運營。鑒于5G網(wǎng)絡(luò)端到端的切片還不成熟，當(dāng)前需要加強網(wǎng)絡(luò)切片的設(shè)計、編排以及管理方面的研究，例如網(wǎng)絡(luò)切片管理/網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理與MANO的相互協(xié)同[5]、切片管理與OSS/BSS的融合、切片的跨專業(yè)(核心網(wǎng)、無線、承載)協(xié)同。由于任何UE都需要在網(wǎng)絡(luò)切片框架下使用5G網(wǎng)絡(luò)，在初期可以先提供簡單的eMBB核心網(wǎng)切片，掌握5G網(wǎng)絡(luò)的基本運營能力，然后再逐步細分切片，面向垂直市場打造行業(yè)切片，提供差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，充分挖掘切片的商業(yè)價值。

4結(jié)束語

下一代5G通信網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)基本完成，本文基于發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)研究了5G核心網(wǎng)的幾大關(guān)鍵技術(shù)和其特征，包括：服務(wù)化架構(gòu)、支持邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)切片，對SA和NSA進行了比較，分析了5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)特點和應(yīng)用場景，并且研究了還存在的問題和限制，提出了相關(guān)的技術(shù)研究和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展建議，可為5G核心網(wǎng)技術(shù)的后續(xù)發(fā)展和完善發(fā)展、部署和運營提供參考。

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.001

文章編號：1006-1010(2019)01-0002-05

引用格式：聶衡,趙慧玲,毛聰杰. 5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 移動通信, 2019,43(1): 2-6.

作者簡介

聶 衡：高級工程師，碩士畢業(yè)于北京交通大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司北京研究院，研究方向為移動通信。

趙慧玲：現(xiàn)任工業(yè)和信息化部通信科學(xué)技術(shù)委員會專職常委，信息通信網(wǎng)絡(luò)專家組組長，中國通信學(xué)會信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)委員會主任委員，中國通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)能力技術(shù)工作委員會主席，中國電信科技委常委兼核心網(wǎng)組負責(zé)人，國際標(biāo)準(zhǔn)組織MEF顧問董事，SDN、NFV產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟技術(shù)委員會副主任。

毛聰杰：碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任中國電信股份有限公司北京研究院團隊負責(zé)人，研究方向為移動通信。

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總結(jié)

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