5G核心網(wǎng)商用關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057）

(ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China)

1 5G核心網(wǎng)的現(xiàn)狀和需求

1.1 標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

針對(duì)5G標(biāo)準(zhǔn)版本，3GPP定義的第1個(gè)版本是R15，該版本主要聚焦增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）場(chǎng)景，其功能已于2018年6月凍結(jié)。目前R15架構(gòu)穩(wěn)定，功能、流程以及業(yè)務(wù)能力完備，已完全滿足eMBB商用要求，為業(yè)界主流運(yùn)營商5G網(wǎng)絡(luò)商用的首選版本。第2個(gè)5G版本是R16，該版本是在R15的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多方面的增強(qiáng)，包括架構(gòu)演進(jìn)、多接入和智能化等，同時(shí)聚焦超可靠低時(shí)延通信（URLLC）場(chǎng)景，增加了對(duì)垂直行業(yè)功能需求的支持。該版本計(jì)劃在2020第2季度凍結(jié)，目前處于完善和改錯(cuò)階段。第3個(gè)5G標(biāo)準(zhǔn)版本是R17，該版本聚焦海量機(jī)器類通信（mMTC）場(chǎng)景，目前正在方案研究階段，計(jì)劃于2021第3季度凍結(jié)[1]。

針對(duì)5G部署模式，3GPP在R15中定義了5種模式，即Option 2—5和Option 7[2]，運(yùn)營商可以綜合自身發(fā)展需求以及產(chǎn)業(yè)鏈成熟度等條件選擇其中一種模式。目前業(yè)界主流運(yùn)營商選擇 Option 2或 Option 3。

1） Option 2部署模式（獨(dú)立組網(wǎng)）：類似于2G/3G/4G，5G與前代系統(tǒng)的架構(gòu)相互獨(dú)立，采用全新核心網(wǎng)。5G基站直接與5G核心網(wǎng)相連，終端以單連接方式接入5G或4G。

2）Option 3部署模式（非獨(dú)立組網(wǎng)）：5G基站依附于4G基站的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，無法獨(dú)立組網(wǎng)。利用舊的4G核心網(wǎng)，5G基站作為輔助基站接入到4G基站，終端采用雙連接方式同時(shí)接入到5G和4G。

1.2 商用現(xiàn)狀

5G 非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）部署模式是基于傳統(tǒng)4G核心網(wǎng)來構(gòu)建5G網(wǎng)絡(luò)，只需要將5G基站作為輔助基站接入到4G基站，即可實(shí)現(xiàn)5G部署。該模式商用成本低、建設(shè)速度快，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的影響較??；因此，在2020年之前，5G NSA方案是所有追求5G商用時(shí)間領(lǐng)先的運(yùn)營商的首選。目前，全球已宣稱商用的5G網(wǎng)絡(luò)采用的均為該方案。全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)（GSMA）研究報(bào)告[3]指出：截至2019第4季度，全球已有53個(gè)運(yùn)營商、28個(gè)市場(chǎng)發(fā)布5G NSA商用網(wǎng)絡(luò)，用戶連接數(shù)已達(dá)1 000萬；預(yù)計(jì)到2020第4季度，全球?qū)⒂?78個(gè)運(yùn)營商、61個(gè)市場(chǎng)發(fā)布5G商用網(wǎng)絡(luò)，用戶連接數(shù)將達(dá)到3 900萬。

2019年被稱為5G元年或5G NSA元年，在這個(gè)階段，5G發(fā)展追求的是“快速”； 2020年被稱為5G 獨(dú)立組網(wǎng)（SA）元年，在這個(gè)階段，5G發(fā)展追求的是“質(zhì)量”。2020年是全球5G商用部署的關(guān)鍵一年，5G SA尤其是新核心網(wǎng)的創(chuàng)新技術(shù)、原生行業(yè)應(yīng)用支撐能力將掀起一場(chǎng)顛覆式的產(chǎn)業(yè)變革，會(huì)給5G生態(tài)的參與者乃至每一個(gè)行業(yè)，帶來一場(chǎng)全新的革命。

1.3 關(guān)鍵需求

5G網(wǎng)絡(luò)肩負(fù)應(yīng)對(duì)OTT（指互聯(lián)網(wǎng)公司越過運(yùn)營商）挑戰(zhàn)、拓展垂直行業(yè)和增加業(yè)務(wù)收入的使命，需要具備快速定制能力、基于切片的運(yùn)營能力、高度自動(dòng)化的智能運(yùn)維能力。基于傳統(tǒng)4G核心網(wǎng)（EPC）組網(wǎng)架構(gòu)建設(shè)的5G NSA網(wǎng)絡(luò)，無法滿足上述使命。不同于5G NSA，SA是一個(gè)全新架構(gòu)的5G網(wǎng)絡(luò)，采用全新的5G核心網(wǎng)和獨(dú)立組網(wǎng)的5G基站，可以平滑演進(jìn)到3GPP最新版本。同時(shí)SA架構(gòu)也是5G目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具備先進(jìn)性。該架構(gòu)不僅滿足普通用戶的需求，也能滿足萬物互聯(lián)的需求。先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不僅可以避免重復(fù)投資和網(wǎng)絡(luò)頻繁改造，也有助于運(yùn)營商取得領(lǐng)先的市場(chǎng)地位，并快速切入垂直行業(yè)的新藍(lán)海市場(chǎng)。因此，采用5G核心網(wǎng)的組網(wǎng)架構(gòu)，非常符合全球最先進(jìn)運(yùn)營商的戰(zhàn)略創(chuàng)新目標(biāo)和5G商用總體需求。

5G核心網(wǎng)采用了全新技術(shù)，商用成本高，建設(shè)速度慢，按照常規(guī)技術(shù)和方法無法滿足運(yùn)營商快速商用的迫切要求，無法滿足千行百業(yè)的大帶寬、低時(shí)延、大連接、高可靠的迫切需求。因此，5G核心網(wǎng)的關(guān)鍵需求是必須具備快速商用部署能力，提供眾多創(chuàng)新技術(shù)以滿足快速創(chuàng)新的需求。

此外，5G初期主要是eMBB應(yīng)用場(chǎng)景，典型的新業(yè)務(wù)如云增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、云游戲、視頻直播等沉浸式實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)，都只是5G的第1波應(yīng)用。隨著URLLC、mMTC等應(yīng)用場(chǎng)景的引入，5G將迎來第2波、第3波的應(yīng)用，催生萬物互聯(lián)的產(chǎn)業(yè)變革。5G核心網(wǎng)的另一個(gè)關(guān)鍵需求是具備持續(xù)平滑演進(jìn)的能力，以滿足5G各階段的萬物互聯(lián)的差異化需求。

2 5G核心網(wǎng)商用關(guān)鍵技術(shù)

2.1 商用挑戰(zhàn)

自從2018年7月開始，基于SA的5G核心網(wǎng)就被提上了全球運(yùn)營商商用部署議程。核心網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)的核心和大腦，其商用技術(shù)方案一方面需要遵循3GPP 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，另一方面需要滿足運(yùn)營商5G快速商用的要求。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)商用涉及到的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、產(chǎn)品功能、服務(wù)質(zhì)量和運(yùn)維運(yùn)營等全方位的要求，5G核心網(wǎng)面臨著5個(gè)方面的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

1）5G核心網(wǎng)的網(wǎng)元和接口數(shù)量多，同時(shí)又采用全新的用戶數(shù)據(jù)和計(jì)費(fèi)架構(gòu)，技術(shù)規(guī)范的制定、功能和接口的測(cè)試與驗(yàn)證等部署工作量巨大，從而導(dǎo)致其無法快速部署商用；因此，急需要減少5G核心網(wǎng)網(wǎng)元和接口數(shù)量，減少部署工作量來實(shí)現(xiàn)5G快速部署需求。

2）5G核心網(wǎng)基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)[4]，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元商用部署的資源統(tǒng)一、按需分配。按照組件間解耦與否來組合，NFV技術(shù)有多種方案，而運(yùn)營商如何選擇一個(gè)合適的方案來滿足5G業(yè)務(wù)的快速部署要求，并能實(shí)現(xiàn)資源的最大共享和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定商用，是其需要面對(duì)的問題。

3）網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以在一張物理網(wǎng)絡(luò)上按需生成多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，來滿足不同業(yè)務(wù)的差異化需求，降低運(yùn)營商的建網(wǎng)成本。5G初期，切片管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還不成熟，跨域、跨廠家互聯(lián)互通難度大；因此，如何快速商用部署端到端網(wǎng)絡(luò)切片需要重點(diǎn)考慮。

4）運(yùn)營商可以通過邊緣計(jì)算減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)荷，降低設(shè)備系統(tǒng)的響應(yīng)延時(shí)，滿足行業(yè)業(yè)務(wù)差異化性能和成本需求。隨著邊緣節(jié)點(diǎn)數(shù)量的大量增加，如何快速部署，降低部署成本，簡(jiǎn)化運(yùn)維，是運(yùn)營商面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。

5）5G網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)切片網(wǎng)絡(luò)，在物理層、鏈路層、虛擬層、網(wǎng)絡(luò)層和用戶層將會(huì)產(chǎn)生多元化的海量數(shù)據(jù)。5G核心網(wǎng)須具有自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的能力，以自動(dòng)編排、生成、維護(hù)和終止網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，提升運(yùn)維效率，降低運(yùn)營商的運(yùn)維成本。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

我們可以采用一些關(guān)鍵技術(shù)來解決如上所述的挑戰(zhàn)，進(jìn)而滿足運(yùn)營商快速商用部署和創(chuàng)新的需求。

2.1.1 極簡(jiǎn)5G核心網(wǎng)技術(shù)

極簡(jiǎn)5G核心網(wǎng)主要使用網(wǎng)元融合、功能和接口簡(jiǎn)化等技術(shù)來減少部署工作量和測(cè)試驗(yàn)證時(shí)間。

1）網(wǎng)元融合。5G核心網(wǎng)的部署需要盡可能考慮網(wǎng)元融合方案。該方案一方面可以解決不同接入方式的互操作問題，另一方面可以減少部署工作量和測(cè)試驗(yàn)證時(shí)間。網(wǎng)元融合主要包括3種：

（1）4G/5G互操作的融合：支持統(tǒng)一用戶數(shù)據(jù)、策略控制、會(huì)話錨點(diǎn)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)錨點(diǎn)；

（2）多接入類型的融合：支持2G/3G/4G/5G網(wǎng)元融合，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)業(yè)務(wù)統(tǒng)一；

（3）多部署場(chǎng)景的融合：除了支持Option 2部署模式，還需要支持Option 3—5和Option 7的部署模式，實(shí)現(xiàn)全部署場(chǎng)景的支持。

2）功能簡(jiǎn)化。5G核心網(wǎng)的新建需要部署融合的統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理平臺(tái)（UDM）+歸屬簽約用戶服務(wù)器（HSS），提供統(tǒng)一的2G/3G/4G/5G用戶簽約數(shù)據(jù)集中管理，實(shí)現(xiàn)用戶不換卡不換號(hào)，提升用戶體驗(yàn)；但需要將原有2G/3G/4G用戶遷移至新建的融合UDM+HSS中，遷移工程工作量大、風(fēng)險(xiǎn)高。為了避免遷移，可以通過功能簡(jiǎn)化技術(shù)快速接入5G，即新建獨(dú)立的UDM并內(nèi)置小功能，通過網(wǎng)絡(luò)互通功能（IWF）和現(xiàn)網(wǎng)HSS交互獲取簽約數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)用戶不換卡不換號(hào)。這樣一來，就無須新建融合UDM+HSS，也無須2G/3G/4G用戶數(shù)據(jù)的遷移，便可實(shí)現(xiàn)5G快速的商用。

3）接口簡(jiǎn)化。5G網(wǎng)絡(luò)中引入了基于服務(wù)化架構(gòu)的在線/離線融合計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，與現(xiàn)網(wǎng)的在線/離線計(jì)費(fèi)分離架構(gòu)差別很大。在5G建設(shè)初期，5G新計(jì)費(fèi)架構(gòu)的采用會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)網(wǎng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、開通系統(tǒng)改造工程量大，改造時(shí)間長(zhǎng)，無法快速商用5G。為了避免該問題，可以利用融合的會(huì)話管理功能（SMF）+分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)控制面（PGW-C）天然支持4G計(jì)費(fèi)接口。在5G網(wǎng)絡(luò)中繼續(xù)延用4G計(jì)費(fèi)接口方式，只需要現(xiàn)網(wǎng)的接口增加可以支持5G接入類型和位置信息等即可，這樣就可以避免現(xiàn)網(wǎng)計(jì)費(fèi)以及開通系統(tǒng)的大規(guī)模改造。

2.1.2 虛擬化解耦技術(shù)

ETSI NFV架構(gòu)只定義了各組件間的通信接口或兼容性接口，具體部署方案依賴于運(yùn)營商的選擇。5G核心網(wǎng)是基于NFV構(gòu)建的，可以根據(jù)各組件解耦的開放性不同，將其部署方案分為單廠家、共享資源池、硬件獨(dú)立、全解耦4種，如圖1所示。這4種部署方案的對(duì)比分析如表1 所示。

針對(duì)部署方案，目前運(yùn)營商主要有兩種傾向：一部分運(yùn)營商對(duì)成本、成熟度和部署時(shí)間有要求，較為傾向于方案1和方案3。另一部分運(yùn)營商對(duì)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)、信息與通信技術(shù)（ICT）融合有要求，較為傾向于方案4；但考慮到虛擬資源層的成熟度，有可能這部分運(yùn)營商中還會(huì)有一部分先使用方案3，再演進(jìn)到方案4。以上4種虛擬化部署方案均滿足5G核心網(wǎng)商用技術(shù)要求，運(yùn)營商可以綜合商用時(shí)間要求、測(cè)試驗(yàn)證情況等選擇其中最合適的一個(gè)。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片是5G核心網(wǎng)的核心特性，它與傳統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量（QoS）、接入點(diǎn)名稱（APN）/數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱（DNN）的技術(shù)差異在于：QoS只能提供單類用戶的性能保障，APN/DNN只能選擇服務(wù)接入點(diǎn)，無法區(qū)分無線能力；網(wǎng)絡(luò)切片可以提供端到端的專用網(wǎng)絡(luò)來保障用戶的服務(wù)等級(jí)協(xié)議（SLA）要求，滿足行業(yè)用戶差異化的網(wǎng)絡(luò)需求，更好地適應(yīng)垂直行業(yè)快速創(chuàng)新需求。

圖1 5G核心網(wǎng)的4種部署方案

表1 5G核心網(wǎng)的4種部署方案對(duì)比

目前網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)準(zhǔn)涉及6大行業(yè)組織，但各自分工，協(xié)同進(jìn)展緩慢，存在較大不足，制約了切片端到端的商用。3GPP只對(duì)核心網(wǎng)+無線的切片做了定義，在R15版本中已發(fā)布了滿足核心網(wǎng)+無線構(gòu)建eMBB切片能力的標(biāo)準(zhǔn)；但切片管理規(guī)范尚不完善，且傳輸網(wǎng)不在3GPP工作組范圍內(nèi)。ITU、IETF定義了傳輸網(wǎng)的端到端切片標(biāo)識(shí)/管理接口等，但與核心網(wǎng)+無線的聯(lián)動(dòng)機(jī)制等規(guī)范都未定義；ETSI ZSM制訂了端到端切片管理實(shí)現(xiàn)框架和解決方案，目前僅發(fā)布了初稿，處于草案狀態(tài)；TMF正在研究3GPP切片管理架構(gòu)與TMF現(xiàn)有架構(gòu)的融合，目前也僅發(fā)布了初稿，處于架構(gòu)階段；GSMA定義了切片應(yīng)用場(chǎng)景和通用的切片模板，已發(fā)布8大場(chǎng)景切片參數(shù)和技術(shù)要求。

為了盡快部署切片，考慮到5G初期行業(yè)應(yīng)用有限，可優(yōu)先在核心網(wǎng)+無線實(shí)現(xiàn)端到端切片，如圖2所示。運(yùn)營商需要逐步開展基于5G核心網(wǎng)+無線的網(wǎng)絡(luò)切片試點(diǎn)部署及驗(yàn)證。初期運(yùn)營商重點(diǎn)聚焦于典型的eMBB切片，例如高清視頻、AR/VR、高清游戲等業(yè)務(wù)，并適當(dāng)?shù)嘏浜虾诵木W(wǎng)用戶面下沉部署，實(shí)現(xiàn)部分超低時(shí)延業(yè)務(wù)需求。在該階段可以將切片與行業(yè)應(yīng)用示范相結(jié)合，充分驗(yàn)證5G切片對(duì)不同場(chǎng)景差異化SLA的支撐能力。

圖2 端到端網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

隨著5G切片標(biāo)準(zhǔn)的成熟，端到端網(wǎng)絡(luò)切片逐步引入傳輸/無線子切片，并在前期構(gòu)建的編排管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加切片設(shè)計(jì)、保障分析、策略等功能，具備對(duì)端到端切片的全生命周期管理能力。在切片業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，需要同步考慮切片的運(yùn)營模式，包括切片的交付、定價(jià)、計(jì)費(fèi)、能力開放等，為網(wǎng)絡(luò)切片商業(yè)化運(yùn)作積累經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)積累。

2.1.4 邊緣計(jì)算技術(shù)

傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)采用集中建設(shè)的模式，隨著業(yè)務(wù)規(guī)模的日益擴(kuò)大，其網(wǎng)絡(luò)日益變得臃腫，同時(shí)這種中心化網(wǎng)絡(luò)難以適應(yīng)新興業(yè)務(wù)發(fā)展的需要。邊緣計(jì)算作為5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以在接入邊緣就近部署計(jì)算、存儲(chǔ)、分流、大數(shù)據(jù)分析等功能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營商業(yè)務(wù)本地化、分布式處理，提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理效率，加速網(wǎng)絡(luò)中各項(xiàng)內(nèi)容、服務(wù)及應(yīng)用的快速下載，滿足終端用戶的極致體驗(yàn)，滿足垂直行業(yè)網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、大流量、安全等訴求。

邊緣計(jì)算可以按照不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景以及時(shí)延的需求靈活部署，通?？刹渴鹪诮尤霗C(jī)房、匯聚機(jī)房、地市核心機(jī)房等位置。由于受限于邊緣站點(diǎn)機(jī)房的環(huán)境（空間、散熱、承重等）以及部署成本等因素，需要為邊緣計(jì)算進(jìn)行“瘦身”，減少平臺(tái)和管理部分占用的資源，實(shí)現(xiàn)輕量化部署，提高資源利用率?！笆萆怼敝饕ㄒ韵聨讉€(gè)關(guān)鍵技術(shù)，如圖3所示。

1）集中管理。邊緣計(jì)算的規(guī)模較小，數(shù)量較多且位置分散，這給其規(guī)劃、部署、運(yùn)維、運(yùn)營帶來了極大的復(fù)雜性；因此，需要在上級(jí)匯聚站點(diǎn)部署統(tǒng)一的邊緣計(jì)算管理平臺(tái)，對(duì)下級(jí)邊緣站點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理。各邊緣計(jì)算上只部署計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，減少管理模塊的資源占用。集中管理方案包括以下幾種：

（1）可用域（AZ）拉遠(yuǎn)模式，本地?zé)o虛擬基礎(chǔ)設(shè)施管理（VIM）：采用AZ拉遠(yuǎn)模式進(jìn)行部署和管理，地市/區(qū)縣級(jí)邊緣數(shù)據(jù)中心（DC）部署完整的VIM，區(qū)縣/接入級(jí)邊緣DC不部署VIM，資源作為AZ接入遠(yuǎn)端VIM集中管理，本地?zé)o管理開銷。這對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求高，AZ模式管理計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限。

（2）Cell拉遠(yuǎn)模式，本地?zé)oVIM：采用Cell拉遠(yuǎn)模式進(jìn)行部署和管理，地市/區(qū)縣級(jí)邊緣DC部署完整的VIM，區(qū)縣/接入級(jí)邊緣DC不部署VIM，本地只部署消息隊(duì)列和數(shù)據(jù)庫，資源作為Cell接入遠(yuǎn)端VIM集中管理。這對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求高，Cell模式管理計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)量多。

（3）VIM本地輕量化，多VIM集中遠(yuǎn)程運(yùn)維：采用本地輕量化VIM模式進(jìn)行部署和管理，地市/區(qū)縣級(jí)邊緣DC部署完整的VIM和多VIM管理模塊，區(qū)縣/接入級(jí)邊緣DC部署輕量化VIM，輕量化VIM接入遠(yuǎn)端多VIM管理模塊集中管理，對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求低[5-6]。

2）融合部署。為實(shí)現(xiàn)輕量化部署，可以考慮3個(gè)層面的融合：

（1）硬件層面的融合，即將分布式存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)部署在計(jì)算節(jié)點(diǎn)上；

（2）運(yùn)維的融合，即分布式存儲(chǔ)運(yùn)維節(jié)點(diǎn)部署于控制節(jié)點(diǎn)計(jì)算；

（3）虛層的融合，即云平臺(tái)同時(shí)支持虛機(jī)和容器雙核技術(shù)，實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用的按需部署，便于快速部署和升級(jí)。

2.1.5 自動(dòng)化運(yùn)維

面對(duì)5G基站數(shù)量大量增加、控制面云化部署、用戶面下沉到邊緣實(shí)現(xiàn)分布式部署等因素的影響，運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)變得越來越復(fù)雜，用戶網(wǎng)絡(luò)行為和網(wǎng)絡(luò)性能也變得比以往更加動(dòng)態(tài)化并難以預(yù)測(cè)；因此，5G核心網(wǎng)需要充分利用人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化，以降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維復(fù)雜度和提升效率。

圖3 端到端網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

1）自動(dòng)化設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)工具自動(dòng)生成開局腳本，包括DC資源、網(wǎng)絡(luò)、虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（VNF）、切片的高級(jí)設(shè)計(jì)文檔（HLD）和低級(jí)設(shè)計(jì)文檔（LLD）的生成；提供硬件、云平臺(tái)、MANO、VNF、切片的端到端自動(dòng)化部署；自動(dòng)化完成業(yè)務(wù)配置和測(cè)試，加速業(yè)務(wù)上線時(shí)間。

2）自動(dòng)化排障。面對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)每時(shí)每刻產(chǎn)生的大量告警，需要充分利用機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)告警關(guān)聯(lián)、根因定位，并結(jié)合故障自動(dòng)診斷和恢復(fù)程序，將潛在的故障形成自動(dòng)閉環(huán)，減少派往一線的工單數(shù)量，提升運(yùn)維效率?；贏I和專家經(jīng)驗(yàn)鑄就的智能根因分析（RCA）系統(tǒng)，內(nèi)置人工智能引擎，同時(shí)支持模糊匹配和精確匹配，將資源層告警進(jìn)行模型抽象。VNF只需關(guān)心引發(fā)告警的資源屬性原因，如網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)存、CPU、主機(jī)、云盤等；VNF與資源層的關(guān)聯(lián)規(guī)則通過抽象的資源屬性打通，方便VNF與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施解決方案（NFVI）解耦。

3）灰度升級(jí)。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速迭代，滿足行業(yè)的差異化需求，可以通過灰度升級(jí)實(shí)現(xiàn)新老版本快速平滑升級(jí)和回退，保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性?；叶壬?jí)可以通過靈活的灰度策略，按用戶群、APN、鏈路等逐步割接用戶和業(yè)務(wù)；通過A/B測(cè)試提前發(fā)現(xiàn)或降低故障對(duì)商用環(huán)境的影響，從而最大程度減少升級(jí)后程序bug引起的災(zāi)難性后果。

3 5G核心網(wǎng)長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)研究

3.1 演進(jìn)挑戰(zhàn)

5G定義萬物互聯(lián)時(shí)代，賦能于各行各業(yè)，推動(dòng)全社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并向海量連接、大帶寬、低時(shí)延的大連接時(shí)代邁進(jìn)。全球各大運(yùn)營商及組織積極探索5G與行業(yè)結(jié)合的應(yīng)用，研究5G與垂直行業(yè)融合的需求和解決方案，開展試驗(yàn)與應(yīng)用示范，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)應(yīng)用與推廣。面對(duì)全行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、產(chǎn)品功能、服務(wù)質(zhì)量和運(yùn)維運(yùn)營不斷提出的更高要求，5G核心網(wǎng)將面臨著如下的長(zhǎng)期演進(jìn)挑戰(zhàn)：

1）差異化需求的挑戰(zhàn)。5G網(wǎng)絡(luò)不僅滿足個(gè)人需求，更是滿足各個(gè)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)需求。與個(gè)人需求不同的是，行業(yè)需求差異性非常大，即使是同一行業(yè)，其應(yīng)用場(chǎng)景的不同需求差異性也比較大。例如，在電力行業(yè)中，差動(dòng)保護(hù)對(duì)時(shí)延和可靠性要求非常高，時(shí)延要在10 ms以內(nèi)，而可靠性則要達(dá)到“6個(gè)9”，但對(duì)帶寬要求并不高；電力抄表則是需要更多的網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)量，但對(duì)時(shí)延和帶寬不敏感。5G核心網(wǎng)需要繼續(xù)按需提供差異化、可保障的網(wǎng)絡(luò)能力。

2）安全可靠性的挑戰(zhàn)。5G網(wǎng)絡(luò)將連接70億人、萬億級(jí)設(shè)備，服務(wù)各行各業(yè)，直接關(guān)系工業(yè)生產(chǎn)。這也同時(shí)意味著任何故障可能造成嚴(yán)重的破壞性事件，安全服務(wù)必須放在首位。近年來，電信網(wǎng)絡(luò)“黑天鵝”事件頻發(fā)，安全可靠網(wǎng)絡(luò)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)商用非常重要，5G核心網(wǎng)安全可靠持續(xù)增強(qiáng)不可或缺。

3）網(wǎng)絡(luò)分建的挑戰(zhàn)。在5G初期，個(gè)人需求和行業(yè)需求差異性比較大，為了保障個(gè)人網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠，可以將個(gè)人網(wǎng)絡(luò)和行業(yè)網(wǎng)絡(luò)分開建設(shè)。隨著行業(yè)不確定需求的逐步確定、個(gè)人用戶和行業(yè)用戶的深度融合以及新興技術(shù)的日益成熟，個(gè)人網(wǎng)絡(luò)、行業(yè)網(wǎng)絡(luò)分開建設(shè)將帶來網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本的增加、深度融合的個(gè)人和行業(yè)用戶體驗(yàn)下降等方面的問題。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 行業(yè)專網(wǎng)使能技術(shù)

垂直行業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求差異化比較大，有些行業(yè)對(duì)時(shí)延比較敏感，希望構(gòu)造時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)；有些行業(yè)對(duì)接入要求隨時(shí)隨地，希望定制化專屬廣域“局域網(wǎng)”；有些行業(yè)對(duì)安全可靠要求比較高，希望擁有一張5G專網(wǎng)。根據(jù)行業(yè)的需求，目前如下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)可供靈活選擇或組合，從而提高5G網(wǎng)絡(luò)的敏捷性，滿足萬物互聯(lián)的差異化需求。

1）5G時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)（TSN）技術(shù)[7]是新一代以太網(wǎng)技術(shù)，具備精準(zhǔn)的流量調(diào)度能力，可以保障多種業(yè)務(wù)高質(zhì)量的共網(wǎng)傳輸，并將TSN網(wǎng)絡(luò)無線化，可以更好地支持工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用。5G TSN將5G網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)TSN橋，確保用戶面功能（UPF）和用戶設(shè)備（UE）之間的確定性時(shí)延，主要技術(shù)包括：與TSN系統(tǒng)互通架構(gòu)、5G高精度時(shí)鐘同步技術(shù)、Bridge端口和協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）會(huì)話的映射、QoS映射、針對(duì)確定周期性傳輸?shù)腝oS控制、針對(duì)TSN數(shù)據(jù)流的緩存技術(shù)、同一UPF下的UE-UE直接通信以及確定性通信的能力開放等。

2）5G局域網(wǎng)（LAN）技術(shù)是為垂直行業(yè)客戶提供定制化的廣域網(wǎng)——“局域網(wǎng)”，使得企業(yè)終端與企業(yè)云隨時(shí)隨地處于一個(gè)虛擬化局域網(wǎng)（或虛擬組）中，無縫接入企業(yè)專網(wǎng)和企業(yè)私有云。5G LAN主要技術(shù)包括：5G用戶虛擬組管理技術(shù)，以支持對(duì)虛擬組成員的動(dòng)態(tài)加入、刪除和修改，實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬組內(nèi)終端通信的會(huì)話控制；增強(qiáng)策略控制技術(shù)，以控制UPF內(nèi)和UPF間直接包交換，實(shí)現(xiàn)虛擬組內(nèi)終端點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的直接通信；虛擬組內(nèi)路由快速收斂和隧道調(diào)度控制優(yōu)化技術(shù)，自適應(yīng)感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，實(shí)現(xiàn)路由快速收斂，避免路由震蕩，提升傳輸效率。

3）5G專網(wǎng)（NPN）技術(shù)是基于閉合接入組（CAG）和網(wǎng)絡(luò)切片的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)端到端資源隔離，限制非垂直行業(yè)終端嘗試接入專屬基站和頻段，保障行業(yè)客戶網(wǎng)絡(luò)安全和資源獨(dú)享，提供為工業(yè)領(lǐng)域特定用戶組服務(wù)的專有網(wǎng)絡(luò)，例如在工廠內(nèi)專門為機(jī)器人控制服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。為了和公網(wǎng)進(jìn)行區(qū)分，NPN網(wǎng)絡(luò)具有獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)（NID），可以實(shí)現(xiàn)終端接入公網(wǎng)或私網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)選擇，以及公有網(wǎng)絡(luò)和專屬網(wǎng)絡(luò)的互訪控制。

4）增強(qiáng)型車用無線通信（eV2X）是一種全新V2X技術(shù)，通過Uu接口或直連接口（PC5）實(shí)現(xiàn)。PC5接口支持單播、廣播和組播3種方式，PC5 QoS支持基于QoS流的QoS控制；而在Uu接口方式下，可以通過QoS Profile機(jī)制進(jìn)行QoS控制，即網(wǎng)絡(luò)下發(fā)多個(gè)QoS profile給基站，基站再根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的QoS profile實(shí)行QoS控制。

3.2.2 安全可靠技術(shù)

3.2.2.1 端到端控制面可靠性增強(qiáng)

控制面池化技術(shù)是多個(gè)核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)資源池，無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）節(jié)點(diǎn)連接到這個(gè)資源池中的所有核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)選擇某個(gè)核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)來為用戶提供移動(dòng)服務(wù)。該技術(shù)存在的問題是在資源池內(nèi)如果任何一個(gè)核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，RAN節(jié)點(diǎn)都可以選擇另外一個(gè)可用核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)來提供服務(wù)。此時(shí)，用戶業(yè)務(wù)可以繼續(xù)使用，但不能提供業(yè)務(wù)無縫連續(xù)性，無法滿足高可靠的行業(yè)業(yè)務(wù)要求如遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動(dòng)駕駛等。因此，需要針對(duì)現(xiàn)有資源池機(jī)制進(jìn)行增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)功能（NF）/網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)（NFS）集群概念就被提出來了，如圖4所示。

網(wǎng)絡(luò)功能集群在資源池技術(shù)上做了如下幾點(diǎn)增強(qiáng)，從而保障任何一個(gè)網(wǎng)元故障時(shí)用戶業(yè)務(wù)仍能實(shí)現(xiàn)無縫連續(xù)，滿足了垂直行業(yè)的高可靠要求。

1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高可靠增強(qiáng)：采用統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理，實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)共享；靈活的同步機(jī)制保證數(shù)據(jù)一致性（網(wǎng)絡(luò)QoS良好時(shí)，采用同步復(fù)制；網(wǎng)絡(luò)QoS差時(shí)，采用異步復(fù)制）；四級(jí)備份和恢復(fù)保障數(shù)據(jù)安全可靠，內(nèi)存/磁陣/本地硬盤/外部存儲(chǔ)設(shè)備組成四保險(xiǎn)；用戶的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存。

2）業(yè)務(wù)處理的高可靠增強(qiáng)：無狀態(tài)云化架構(gòu)采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)處理與數(shù)據(jù)分離；業(yè)務(wù)處理由N+M負(fù)荷分擔(dān)替代原1+1主備，降低成本提升資源利用率；實(shí)現(xiàn)秒級(jí)彈縮，提升用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維可靠性。

3）豐富容災(zāi)組網(wǎng)的高可靠增強(qiáng)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)支持N+K地理容災(zāi)，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景；接入網(wǎng)元根據(jù)權(quán)重，在集群內(nèi)靈活接管業(yè)務(wù)；多用戶面和多控制面混合組網(wǎng)，可保障任何一個(gè)網(wǎng)元故障，用戶仍能正常無縫連續(xù)接入。

3.2.2.2 端到端用戶面可靠性增強(qiáng)

在3GPP R15及之前的電信網(wǎng)絡(luò)中，終端和網(wǎng)絡(luò)、無線和核心網(wǎng)的用戶面數(shù)據(jù)傳輸都是單連接的，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，都會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)短時(shí)間中斷。為了滿足垂直行業(yè)可靠性要求，需要對(duì)端到端用戶面進(jìn)行可靠性增強(qiáng)，增強(qiáng)方案如圖5所示。

其中，主要的增強(qiáng)點(diǎn)為：

1）終端通過雙連接技術(shù)和核心網(wǎng)建立兩個(gè)獨(dú)立的PDU會(huì)話，利用兩個(gè)PDU會(huì)話傳輸數(shù)據(jù)；

2）每個(gè)PDU會(huì)話分別承載在獨(dú)立的無線5G基站（gNB）和核心網(wǎng)UPF上，任何一個(gè)網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)故障都不會(huì)影響其他PDU會(huì)話業(yè)務(wù)連續(xù)性；

3）應(yīng)用層進(jìn)行包復(fù)制和重復(fù)包檢測(cè)，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，通過端到端雙鏈路機(jī)制都能收到完整的業(yè)務(wù)報(bào)文，確保業(yè)務(wù)連續(xù)性。

3.2.3 ToB/ToC融合建網(wǎng)

在5G建設(shè)初期，有個(gè)人用戶（ToC）和垂直行業(yè)用戶（ToB）之分，差異顯著，主要體現(xiàn)在：個(gè)人用戶業(yè)務(wù)類型單一，主要以eMBB為主，市場(chǎng)成熟，需求穩(wěn)定，和現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)系緊密；而行業(yè)用戶業(yè)務(wù)類型多樣，包括eMBB/URLLC/mMTC等多種場(chǎng)景，市場(chǎng)處于培育期，需求多變，可不依賴現(xiàn)網(wǎng)單獨(dú)發(fā)展。因此，針對(duì)ToC和ToB的情況，可采取分開建網(wǎng)的策略，這有利于5G快速建網(wǎng)和創(chuàng)新、簡(jiǎn)化規(guī)劃和運(yùn)維。

在5G建設(shè)中后期，考慮到運(yùn)營商ToB/ToC網(wǎng)絡(luò)都已經(jīng)成熟，降低成本和持續(xù)演進(jìn)則成為關(guān)鍵需求。這就急需一個(gè)ToB/ToC融合核心網(wǎng)，面向5G ToB/ToC用戶的融合，并同時(shí)滿足2G/3G/4G/5G/Fixed的全接入，如圖6所示。

在ToB/ToC網(wǎng)絡(luò)融合階段，需實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)方面的融合。

1）統(tǒng)一業(yè)務(wù)使能層：統(tǒng)一入口，業(yè)務(wù)集中建設(shè)、集中運(yùn)維、集中發(fā)放，滿足個(gè)人和行業(yè)用戶深度融合需求，提升用戶體驗(yàn)；

圖4 網(wǎng)絡(luò)功能集群架構(gòu)圖

圖5 用戶面可靠性增強(qiáng)架構(gòu)圖

圖6 ToB/ToC融合演進(jìn)圖

2）統(tǒng)一管理編排：采用統(tǒng)一的資源管理系統(tǒng)和切片編排系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)ToB和ToC網(wǎng)絡(luò)的資源統(tǒng)一調(diào)度，統(tǒng)一編排，按需分配，提升資源利用率，降低設(shè)備成本；

3）統(tǒng)一資源池：采用統(tǒng)一的虛擬層軟件，減少運(yùn)維工作量，降低管理成本；

4）融合控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面：個(gè)人和行業(yè)用戶共享融合控制和用戶面，確保個(gè)人和行業(yè)用戶深度融合用戶能按需訪問業(yè)務(wù)，同時(shí)提升資源利用率，降低網(wǎng)絡(luò)整體成本。

4 結(jié)束語

5G核心網(wǎng)在支撐5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和承載5G業(yè)務(wù)方面起到非常重要的作用。面對(duì)第1波eMBB快速商用需求，第2波乃至更多波次的垂直行業(yè)應(yīng)用差異化需求和演進(jìn)挑戰(zhàn)，以及網(wǎng)絡(luò)切片、人工智能、邊緣計(jì)算、垂直行業(yè)使能技術(shù)等的引入，中興通訊提出了基于意圖的精準(zhǔn)核心網(wǎng)產(chǎn)品，圍繞自動(dòng)化、智能化、全融合、全業(yè)務(wù)的理念實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)的能力構(gòu)建和持續(xù)演進(jìn)，為運(yùn)營商快速部署5G，為垂直行業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展做好充分準(zhǔn)備，在5G萬物互聯(lián)時(shí)代助力運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)超越。