基于移動(dòng)通信技術(shù)的5G時(shí)代核心網(wǎng)架構(gòu)研究

石麗梅 朱又敏 鄭穎 譚艷春

摘? ?要：隨著通信網(wǎng)絡(luò)的更新迭代，5G網(wǎng)絡(luò)的研發(fā)與應(yīng)用已被提上日程。文章結(jié)合5G三大應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)目前5G核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)及改進(jìn)方向進(jìn)行分析，對(duì)5G核心網(wǎng)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討和研究。

關(guān)鍵詞：5G核心網(wǎng);服務(wù)化架構(gòu);軟件定義網(wǎng)絡(luò)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展、信息化時(shí)代的到來，移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，人們的生活方式和工作方式都發(fā)生了翻天覆地的變化，但是在繁榮發(fā)展的同時(shí)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。移動(dòng)通信技術(shù)在不斷升級(jí)演進(jìn)和發(fā)展的同時(shí)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也需要不斷革新。從1G到目前的4G乃至臨近的5G，移動(dòng)通信技術(shù)在不斷升級(jí)、演進(jìn)和發(fā)展。移動(dòng)通信為滿足每一代新系統(tǒng)的性能和業(yè)務(wù)要求，與其相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也必須要進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的調(diào)整。因此，為了移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠匹配新系統(tǒng)性能和業(yè)務(wù)要求，就亟需對(duì)5G時(shí)代核心網(wǎng)的架構(gòu)進(jìn)行重新規(guī)劃。

1? ? 5G核心網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

5G核心網(wǎng)的架構(gòu)是不斷進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)的。目前，5G核心網(wǎng)架構(gòu)還有許多的問題和挑戰(zhàn)亟需解決，具體包括以下幾個(gè)方面。

1.1? 5G三大應(yīng)用場(chǎng)景及需求差異

國(guó)際電信聯(lián)盟無線電通信組標(biāo)準(zhǔn)化組織定義了5G 3類主要應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、海量機(jī)器通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）、超高可靠低時(shí)延通信（Ultra Reliable&Low Latency Communication，uRLLC）。這里eMBB場(chǎng)景可以進(jìn)一步劃分為連續(xù)廣覆蓋場(chǎng)景和熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景兩種。三大應(yīng)用場(chǎng)景的需求和關(guān)鍵技術(shù)如表1所示。

5G通信需求多樣化，3類主要應(yīng)用場(chǎng)景的需求和關(guān)鍵指標(biāo)是不同的，甚至是矛盾的。5G當(dāng)中不同的應(yīng)用場(chǎng)景所面臨挑戰(zhàn)是不同的。在不同的場(chǎng)景中，用戶體驗(yàn)率、流量密度、延遲、能效和連接數(shù)量都有可能成為具有挑戰(zhàn)性的指標(biāo)，在面對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景差異化性能指標(biāo)的挑戰(zhàn)下，單一網(wǎng)絡(luò)很難支持，5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)面臨著極大的挑戰(zhàn)[1]。

1.2? 用戶平面與控制平面分離不徹底

移動(dòng)通信從GPRS（2G）到EPC（4G），它們的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在演進(jìn)過程中具有相似的體系架構(gòu)，但仍然在一定程度上體現(xiàn)了控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離，不過它們分離得并不徹底。如EPC核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中HSS，MME以及新引入的PCRF都是純控制平面的網(wǎng)元，但eNodeB，S-GW，P-GW等主要網(wǎng)元在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能的同時(shí)仍然需要兼顧部分控制平面功能。這就導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面分離不徹底，帶來處理時(shí)延高、網(wǎng)絡(luò)靈活性差等問題。

對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)來說，這里以eMBB場(chǎng)景為例，eMBB場(chǎng)景分為連續(xù)廣覆蓋場(chǎng)景和熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景，兩種場(chǎng)景的需求和組網(wǎng)方式如表2所示。

5G網(wǎng)絡(luò)中的控制平面與用戶平面未分離時(shí)，當(dāng)在連續(xù)廣覆蓋場(chǎng)景下為了對(duì)覆蓋進(jìn)行改善時(shí)，就需要增加宏基站，這樣會(huì)在用戶平面上進(jìn)行擴(kuò)容，導(dǎo)致相當(dāng)一部分投資被浪費(fèi)。但是當(dāng)在熱點(diǎn)高容量的場(chǎng)景下需要對(duì)基站進(jìn)行擴(kuò)容的時(shí)候，就會(huì)導(dǎo)致一部分投資需要浪費(fèi)在控制平面上。

1.3? 軟件與硬件緊密耦合

由于運(yùn)營(yíng)商依托的移動(dòng)通信服務(wù)是通過大型專屬硬件設(shè)備不斷升級(jí)來實(shí)現(xiàn)，因此，不斷更新的新業(yè)務(wù)會(huì)給運(yùn)營(yíng)商在專屬硬件設(shè)備的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和升級(jí)等方面帶來巨大的壓力。例如當(dāng)有一項(xiàng)新網(wǎng)絡(luò)服務(wù)投入使用時(shí)，需要將與之對(duì)應(yīng)的專屬硬件設(shè)備整合到現(xiàn)存的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)致設(shè)備投入的成本增加、能耗增加以及后續(xù)維護(hù)復(fù)雜性。

2? ? 5G核心網(wǎng)架構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

相比于4G，5G核心網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)生了巨大的變化。隨著5G多種應(yīng)用場(chǎng)景的出現(xiàn)，移動(dòng)通信系統(tǒng)核心網(wǎng)架構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)要遵循一定的設(shè)計(jì)原則，這樣才能更好地滿足5G的需求。5G核心網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)如下。

2.1? 控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)行分離

根據(jù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)趨勢(shì)的啟發(fā)，5G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方向需要將5G網(wǎng)絡(luò)中控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面進(jìn)行相分離，這里分別由不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)承載，形成兩個(gè)獨(dú)立的功能平面?？刂泼媾c轉(zhuǎn)發(fā)面分離優(yōu)勢(shì)是使得網(wǎng)元功能更加獨(dú)立，這樣靈活性和伸縮性都提高了。針對(duì)控制面和用戶面不同的需求與特征，可以分別進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化與獨(dú)立擴(kuò)展，最終才能滿足5G不同應(yīng)用場(chǎng)景的核心網(wǎng)絡(luò)需求。

2.2? 軟件與硬件解耦

隨著虛擬化技術(shù)在電信領(lǐng)域的不斷深入，使得傳統(tǒng)核心網(wǎng)中的網(wǎng)元有了軟硬件解耦的趨勢(shì)。只有軟硬件解耦，才能更靈活實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。軟件與硬件解耦優(yōu)勢(shì)在于可進(jìn)一步支持網(wǎng)元功能的模塊化、虛擬化，以滿足按需組網(wǎng)的需求。

2.3? 服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

服務(wù)化架構(gòu)由第3代合作伙伴計(jì)劃所定義，它是將一個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能拆分成多個(gè)可重用、自管理、自包含的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)，尤其是它們之間可以進(jìn)行解耦。服務(wù)化架構(gòu)還具備獨(dú)立彈性、獨(dú)立升級(jí)能力，它的標(biāo)準(zhǔn)接口可以與其他網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)之間進(jìn)行互聯(lián)互通，而且還可以通過編輯工具對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)需求進(jìn)行編輯和實(shí)例化的部署。

3? ? 5G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)采用基于功能平面的架構(gòu)設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)與網(wǎng)元綁定的網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行抽離和重組，重新劃分為3個(gè)功能平面：接入面、控制面和數(shù)據(jù)面[2]。其中，控制平面采用服務(wù)化架構(gòu)（Service Based Architecture，SBA），每個(gè)網(wǎng)元功能模塊可集中化處理，這樣可組成融合的控制面?？刂破矫嫣峁┌葱杞尤?、移動(dòng)性管理和會(huì)話管理，而且可以支持精細(xì)化資源管控和全面開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)能力。

為了解決5G核心網(wǎng)面臨的3個(gè)挑戰(zhàn)，5G核心網(wǎng)絡(luò)引入了軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）兩種關(guān)鍵技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面分離、軟硬件解耦，并以SBA為目標(biāo)進(jìn)行自我重構(gòu)。

3.1? SDN技術(shù)：轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面分離

SDN是一種全新網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理念，本質(zhì)上是一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。它將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)平面進(jìn)行分離，從而通過集中控制器中的軟件平臺(tái)去實(shí)現(xiàn)可編程化的控制底層硬件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源靈活地按需調(diào)配[3]。因此，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，SDN具有3個(gè)顯著特征：（1）控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)行分離。（2）控制面處理集中化。（3）控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面之間的接口滿足開放且可編程。

3.2? NFV技術(shù)：實(shí)現(xiàn)軟件與硬件解耦

NFV是從運(yùn)營(yíng)商角度出發(fā)提出一種軟件和硬件分離的架構(gòu)。軟件和硬件之間的解耦在很大程度上降低兩者對(duì)彼此的依存程度。NFV技術(shù)基礎(chǔ)主要是云計(jì)算和虛擬化[4]。一方面，虛擬化技術(shù)可以將通用平臺(tái)的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等硬件設(shè)備劃分成為許多種虛擬的資源，這樣有助于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用與硬件之間的解耦，最終實(shí)現(xiàn)根據(jù)需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能的按需部署。另一方面，云計(jì)算技術(shù)可以將應(yīng)用彈性進(jìn)行伸縮、資源和業(yè)務(wù)負(fù)荷進(jìn)行匹配，這樣不僅提高了資源利用率，還可以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3.3? SBA技術(shù)：服務(wù)化架構(gòu)

為了適應(yīng)5G多種應(yīng)用場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)要求，5G核心網(wǎng)架構(gòu)需要采用SBA進(jìn)行設(shè)計(jì)。SBA是將原來具有多個(gè)功能的網(wǎng)元，分拆為多個(gè)具有獨(dú)自功能的網(wǎng)元，每個(gè)網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)自己的微服務(wù)[5]。SBA設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)更符合資源開放、更加適用于新業(yè)務(wù)架構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新。

SBA是5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中非常重要的變革。它具備靈活且可編排、軟硬件解耦、網(wǎng)絡(luò)開放等優(yōu)點(diǎn)，這是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所不具備的優(yōu)點(diǎn)?；赟BA服務(wù)化架構(gòu)5G核心網(wǎng)，會(huì)在萬(wàn)物互聯(lián)的應(yīng)用中展現(xiàn)巨大的能力。

3.4? 網(wǎng)絡(luò)切片

為實(shí)現(xiàn)5G三大應(yīng)用場(chǎng)景，引入網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)切片是指對(duì)于不同用戶的業(yè)務(wù)流量，無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)進(jìn)行不同的處理。其中，網(wǎng)絡(luò)切片的核心思想是在同一套物理網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)3個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，分別支持eMBB，mMTC和uRLLC。這就使得5G核心網(wǎng)本質(zhì)上可通過在相同的一張物理網(wǎng)絡(luò)上劃分出來許多虛擬的“專用”邏輯網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，進(jìn)而提供端到端、按需定制和相互隔離的服務(wù)，從而滿足5G時(shí)代多樣化的通信需求。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合5G三大應(yīng)用場(chǎng)景需求和指標(biāo)差異，分析目前核心網(wǎng)架構(gòu)面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)5G核心網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究。其中，SDN和NFV技術(shù)使得5G核心網(wǎng)架構(gòu)更加靈活、更加彈性化，并通過SBA服務(wù)化架構(gòu)為目標(biāo)進(jìn)行自我重構(gòu)，這使得網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)成為可能，而網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)又滿足了5G多種應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李同同.5G應(yīng)用的前景與面臨的挑戰(zhàn)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（12）：75-76.

[2]朱浩，項(xiàng)菲.5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展[J].電信科學(xué)，2016（4）：126-132.

[3]華一強(qiáng)，郭曉琳，楊艷松.NFV及其在IP網(wǎng)中應(yīng)用的探討[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2015（2）：11-16.

[4]徐一鷗，任哲，楊磊，等.中國(guó)聯(lián)通5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋影響因素解析[J].中國(guó)新通信，2019（10）：4-5.

[5]朱奮起，張建強(qiáng)，付道繁，等.5G通信需求下核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)研究[J].電信快報(bào)，2019（3）：10-12.

Research on core network architecture in 5G era

Shi Limei1， Zhu Youmin1*， Zheng Ying2， Tan Yanchun1

（1.Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China;

2.School of Electrical Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150000， China）

Abstract：With the update iteration of communication network， the research and application of 5G network has been put on the agenda. Based on the three application scenarios of 5G， this paper analyzes the challenges and improvement directions of the network architecture of 5G core network， and discusses and studies the key technologies of 5G core network architecture.

Key words：5G core network; service based architecture; software defined network