5G核心網(wǎng)技術(shù)演進及挑戰(zhàn)

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司，北京 100032）

(China United Network Communications Limited, Beijing 100032, China)

1 核心網(wǎng)技術(shù)演進回顧

移動通信大約每10年就出現(xiàn)新一代的技術(shù)，通過引入關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量數(shù)倍的增長，并推動新業(yè)務(wù)類型不斷涌現(xiàn)。自20世紀80年代以來，移動通信技術(shù)經(jīng)歷了4個發(fā)展階段，均對經(jīng)濟社會的數(shù)字化發(fā)展產(chǎn)生了廣泛而深遠的影響。從2G到4G，移動核心網(wǎng)網(wǎng)元之間基于固定鏈路完成信令交換，網(wǎng)絡(luò)的控制面和用戶面不斷分離以至解耦。與4G相比，5G使用全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠提供至少10倍于4G的峰值速率，以及毫秒級的傳輸時延和千億級的連接能力。5G核心網(wǎng)使能網(wǎng)絡(luò)全連接、全業(yè)務(wù)，提供“網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)”的能力，將以“網(wǎng)絡(luò)為中心”的服務(wù)模式轉(zhuǎn)為“客戶+云雙中心”新型服務(wù)模式，同時基于云化、虛擬化等關(guān)鍵技術(shù)按需提供差異化的能力和服務(wù)[1-2]。

5G核心網(wǎng)對傳統(tǒng)架構(gòu)進行了重構(gòu)，以網(wǎng)絡(luò)功能（NF）的方式重新定義了網(wǎng)絡(luò)實體，同時還引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)云化。各NF對外按獨立的功能（服務(wù)）提供功能實現(xiàn)并可互相調(diào)用，即將一個NF進一步拆分成若干個自包含、自管理、可重用的NF服務(wù)。NF相互之間解耦，具備獨立升級、獨立彈性的能力，具備標準接口與其他NF服務(wù)互通的能力，并且可通過編排工具根據(jù)不同的需求進行編排和實例化部署。3GPP定義的服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，每個5G NF定義了一組具備對外互通標準接口的NF服務(wù)，從而實現(xiàn)了從傳統(tǒng)的剛性網(wǎng)絡(luò)向基于服務(wù)的柔性網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變、從固態(tài)網(wǎng)絡(luò)到動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化、網(wǎng)絡(luò)功能的解耦和服務(wù)化[3]。其次，控制功能的集中化、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的分布化處理，使得NF可以進一步下沉并靠近用戶和應(yīng)用，大幅度提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量，降低業(yè)務(wù)時延[4]。

2 5G核心網(wǎng)技術(shù)演進

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)化架構(gòu)

5G核心網(wǎng)技術(shù)演進主要體現(xiàn)在以下幾個方面：隨著技術(shù)標準演進，新功能的引入、原有架構(gòu)的完善；微服務(wù)、容器等云計算技術(shù)的廣泛采用，使得5G核心網(wǎng)從虛擬化向云化發(fā)展；基于人工智能（AI）技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)自動化和智能化。

2.1 5G核心網(wǎng)功能增強與演進

3GPP作為5G標準化工作的引領(lǐng)者，在R15中就對5G核心網(wǎng)技術(shù)進行了規(guī)范，并完成了5G核心網(wǎng)整體架構(gòu)及基本功能的定義。R15主要支持增強移動寬帶（eMBB）業(yè)務(wù)場景的基礎(chǔ)特性。

R16重點對5G核心網(wǎng)特性進行了增強，具體包括4方面的內(nèi)容：

1）服務(wù)化架構(gòu)增強：增強服務(wù)化架構(gòu)（eSBA）對5G核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)的代理服務(wù)發(fā)現(xiàn)及間接通信進行了增強，通過引入新的功能實體——服務(wù)通信代理（SCP）實現(xiàn)服務(wù)化消息的非直接通信；提出基于NF集群和服務(wù)集群的可靠性增強，使得同樣類型的NFV實體或NFV服務(wù)實體組成一個集群，且服務(wù)發(fā)現(xiàn)以集群為粒度，提升服務(wù)交互可靠性。

2）超可靠低時延通信（URLLC）特性增強：提出5G_URLLC支持基于冗余傳輸方案的高可靠性通信方案和基于冗余用戶面路徑機制的移動性過程中會話連續(xù)性的方案。

3）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能（NWDAF）功能增強：5G網(wǎng)絡(luò)自動化關(guān)鍵技術(shù)（eNA）項目圍繞NWDAF的5G核心網(wǎng)自動化管理架構(gòu)，完善了數(shù)據(jù)收集、反饋的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

4）會話管理功能（SMF）/用戶面功能（UPF）拓撲增強：5G網(wǎng)絡(luò)中SMF和UPF拓撲增強研究（ETSUN）項目重點面向用戶的移動性管理場景，通過由目標對話管理功能（AMF）控制插入一個中間SMF（I-SMF）解決跨SMF管理區(qū)域的移動性流程。

R17重點關(guān)注場景支撐和能力增強，先后立項5G多播組播架構(gòu)增強（5MBS）、邊緣計算特性增強（enh_EC）、無人機增強（ID_UAS）、近場通信（5G_ProSe），并針對用戶標識使用增強、UPF服務(wù)化和用戶設(shè)備（UE） Policy增強開展進一步研究。

1）增強的無人機系統(tǒng)項目EAV：主要完善3GPP網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)對各種無人機應(yīng)用場景所要滿足的關(guān)鍵性能指標（KPI）。

2）非公共網(wǎng)絡(luò)（NPN）服務(wù)：重點針對NPN網(wǎng)絡(luò)與公眾網(wǎng)絡(luò)的互通、業(yè)務(wù)連續(xù)性及運維問題。

3）邊緣計算增強：主要實現(xiàn)支持增強移動邊緣計算（MEC）功能，為典型的MEC應(yīng)用場景提供部署指南。

4）5G 局域網(wǎng)（LAN）功能增強：5G LAN支持在一組接入終端間構(gòu)建二層轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)，并通過5G SMF與UPF的交互實現(xiàn)終端組內(nèi)數(shù)據(jù)交換和用戶面路徑選擇。5G LAN組管理的能力可以通過網(wǎng)絡(luò)開放功能（NEF）供業(yè)務(wù)平臺使用。

2.2 云原生及軟件技術(shù)

3GPP在R15中引入基于服務(wù)的體系架構(gòu)SBA，結(jié)合了IT中云原生的概念，通過對5G核心網(wǎng)的虛擬化、云化以及軟件架構(gòu)的微服務(wù)化，實現(xiàn)網(wǎng)元的持續(xù)交付和快速迭代，支撐業(yè)務(wù)的快速上線和敏捷部署。云原生技術(shù)在5G核心網(wǎng)中主要體現(xiàn)在無狀態(tài)設(shè)計和服務(wù)化解耦兩個方面。在無狀態(tài)設(shè)計方面，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)處理、數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)的完全解耦，保證了當單個業(yè)務(wù)處理節(jié)點發(fā)生故障時，業(yè)務(wù)消息被負載均衡分發(fā)到其他正常狀態(tài)的業(yè)務(wù)處理節(jié)點，新的業(yè)務(wù)處理節(jié)點與后臺數(shù)據(jù)庫可及時同步用戶狀態(tài)并正常處理用戶的業(yè)務(wù)消息。在服務(wù)化解耦方面，將單體式應(yīng)用架構(gòu)拆解為多個獨立的服務(wù)模塊，并基于開放應(yīng)用程序編程接口（API）以服務(wù)化方式通信以及服務(wù)治理框架進行管理，實現(xiàn)靈活組合和獨立升級，支持新業(yè)務(wù)快速上線。

在技術(shù)實現(xiàn)上，依靠虛擬化和微服務(wù)架構(gòu)，使用Docker+Kubernetes的技術(shù)組合，實現(xiàn)對微服務(wù)的運行支撐、編排管理和有效治理[5]。微服務(wù)架構(gòu)是一個天然分布式的服務(wù)框架，可以對服務(wù)進行更小粒度的劃分，實現(xiàn)系統(tǒng)組件的高內(nèi)聚和低耦合。每個子系統(tǒng)可以獨立運行、升級和測試，具備較高的可靠性，同時加快了軟件的迭代開發(fā)和上線。但是微服務(wù)之間的數(shù)據(jù)一致性、安全訪問，以及服務(wù)數(shù)量龐大帶來的實施和管理復(fù)雜度等問題需要重點關(guān)注。5G核心網(wǎng)網(wǎng)元功能和接口雖然在3GPP標準協(xié)議中有明確的定義，但是網(wǎng)元功能如何拆分成微服務(wù)以及拆分后如何進行高效的迭代管理，則由各個廠商實現(xiàn)；而實現(xiàn)的結(jié)果關(guān)系到5G核心網(wǎng)網(wǎng)元是否可以滿足未來5G業(yè)務(wù)快速上線、部署和迭代的需求。

2.3 網(wǎng)絡(luò)自動化、智能化

5G核心網(wǎng)正在經(jīng)歷向云原生的轉(zhuǎn)變，更多的5G核心網(wǎng)NF將越來越多地根據(jù)云原生原則進行設(shè)計。這種深刻的變化對NFV管理和編制提出了更高的自動化要求，以滿足前所未有的操作靈活性和效率。

針對5G網(wǎng)絡(luò)面臨的規(guī)建維的挑戰(zhàn)和問題，眾多標準和開源組織都開展了自動化、智能化的相關(guān)研究和應(yīng)用。TMF在2019年發(fā)布的白皮書中提出了對自治網(wǎng)絡(luò)進行L0—L5的分級，并基于增強業(yè)務(wù)流程框架（eTOM）模型給出了其具體在運維效率、能源效率、資源效率、用戶體驗提升等方面的分級自治框架和具體目標場景映射[6]。此外，3GPP、ITU-T、ETSI、CCSA等標準組織，在應(yīng)用場景和架構(gòu)上開展了相關(guān)標準化工作，開源組織和運營商紛紛牽頭成立了Acumos、CubeAI等開源項目[7]，旨在探索人工智能技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的應(yīng)用，帶來網(wǎng)絡(luò)能力和業(yè)務(wù)感知的全面提升。

當前，自動化和智能化的實際應(yīng)用探索主要集中在無線領(lǐng)域和網(wǎng)絡(luò)傳輸領(lǐng)域[8-9]，在5G核心網(wǎng)方面尚未形成較為完善的場景和架構(gòu)體系。針對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和運行維護的一個典型全生命周期流程如圖2所示。在該流程中，可以利用自動化和智能化技術(shù)提升流程效率和效果，降低人力成本支出。例如，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方面，可以通過對用戶行為、終端能力、業(yè)務(wù)情況等綜合分析，通過業(yè)務(wù)預(yù)測來提升網(wǎng)絡(luò)規(guī)則的準確度，提升規(guī)劃效率，有效縮短網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期，并使得建設(shè)容量也更為精準。在維護方面，針對日常重復(fù)性工作，可以通過引入自動化工具，來實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和指標的自動收集和預(yù)警；針對復(fù)雜場景故障定位，可以引入AI技術(shù)，通過對歷史問題的挖掘和根因規(guī)則的建立，實現(xiàn)故障的快速定位和預(yù)防預(yù)測。

3 5G核心網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

5G核心網(wǎng)的演進采用了多種新技術(shù)，提升了網(wǎng)絡(luò)能力；但是對于運營商來說，在創(chuàng)新應(yīng)用與服務(wù)能力、網(wǎng)絡(luò)成本和自主性把控等方面存在諸多挑戰(zhàn)。

3.1 創(chuàng)新應(yīng)用與服務(wù)能力不足

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)自動化、智能化流程示意

5G引入服務(wù)化架構(gòu)是一種全新的技術(shù)創(chuàng)新，其在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)層面進行了開放，有利于運營商通過細粒度的服務(wù)實現(xiàn)按需編排和升級，滿足網(wǎng)絡(luò)長期演進的需求。在3GPP R15規(guī)范中，給出了NEF的相關(guān)規(guī)范定義：作為5G網(wǎng)路能力開放功能，面向應(yīng)用功能（AF）提供了標準能力開放服務(wù)，通過這些服務(wù)可提供服務(wù)質(zhì)量（QoS）能力、事件監(jiān)控、參數(shù)配置、設(shè)備觸發(fā)、數(shù)據(jù)包流描述（PFD）管理、流量引導、背景流量以及策略計費等服務(wù)能力。然而，當前產(chǎn)業(yè)進展仍然相對滯后，5G核心網(wǎng)服務(wù)化能力提供對內(nèi)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)的能力，無法滿足業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)層能力、B域側(cè)能力、O域側(cè)能力等的服務(wù)化調(diào)用，面對客戶的行業(yè)類定制能力及場景化能力需求需要定制開發(fā)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)高成本

5G核心網(wǎng)采用了云化部署方式，但是并沒有讓運營商遠離專用設(shè)備的復(fù)雜性和高成本，而是將這些復(fù)雜性和高成本從硬件轉(zhuǎn)移到軟件上[10]。對于運營商來說，網(wǎng)絡(luò)云化是技術(shù)驅(qū)動的，云計算技術(shù)的復(fù)雜性、IT技術(shù)迭代升級的短周期，以及網(wǎng)絡(luò)IT人才的匱乏，都使運營商面臨更為復(fù)雜的技術(shù)問題，而這些都只能依靠設(shè)備商來解決。這將給存量網(wǎng)絡(luò)遷移和新網(wǎng)絡(luò)的引入帶來大量的成本壓力。

設(shè)備商對于云操作系統(tǒng)（CloudOS）、SDN等技術(shù)的鎖定，存在系統(tǒng)的封閉性，難以實現(xiàn)靈活的架構(gòu)部署，不利于實現(xiàn)共享，會再次形成煙囪式部署；建設(shè)和維護以及引入新功能成本較高，也不利于自主創(chuàng)新以及靈活的迭代式部署升級。目前主流的NFV方案基本由設(shè)備廠商把持，傳統(tǒng)的IT方案廠商被邊緣化，根本的原因是VNF仍然由設(shè)備商來主導，設(shè)備商需鎖定自家的虛擬化軟件才能保證性能和可靠性。

未來的5G通信云資源池部署既要考慮網(wǎng)絡(luò)層次化架構(gòu)，又要充分利用云資源池集約化部署優(yōu)點，構(gòu)建多云生態(tài)，同時還需要考慮進一步降低網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部耦合（如N4接口），推動網(wǎng)絡(luò)的全開放性。

3.3 運營商自主性

無論是基礎(chǔ)設(shè)施硬件、CloudOS，還是上層的5G VNF應(yīng)用，目前均嚴重依賴于商用系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部集成和創(chuàng)新仍不盡如人意，如云自身的靈活性仍難以發(fā)揮，運營商無法自己完成網(wǎng)絡(luò)云化遷移。

從對網(wǎng)絡(luò)的控制角度來看，運營商更像一個云租戶，而不是運營者。在網(wǎng)絡(luò)軟件化的時代下，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)需要向前一步，直接面向用戶和市場需求，提供產(chǎn)品化的迭代創(chuàng)新能力，以更好地服務(wù)一線運營。在采購?fù)|(zhì)化設(shè)備廠商產(chǎn)品的情況下，運營商如果要比競爭對手更快響應(yīng)市場，提供更多的差異化服務(wù)，并降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本，需要更多地依賴于自身的創(chuàng)新和自主研發(fā)水平，通過相關(guān)工具能力的建設(shè)，提升網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)之間的協(xié)同效率。

5G核心網(wǎng)使能網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新，是實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)差異化的主要手段。5G核心網(wǎng)的建設(shè)，需要基于自主研發(fā)推進產(chǎn)品原型走向市場，在運營中迭代更新，并且要加快IT人員轉(zhuǎn)型和人才隊伍建設(shè)，加速培養(yǎng)自主研發(fā)支撐力量。

4 結(jié)束語

5G核心網(wǎng)技術(shù)演進帶動了電信網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)型。在網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型的探索期中，技術(shù)創(chuàng)新、商業(yè)模式和自主研發(fā)均面臨著重重挑戰(zhàn)。運營商需要堅持以服務(wù)客戶為中心，不斷提升網(wǎng)絡(luò)云化、開放化、自動化和智能化能力，并通過提升自主研發(fā)力量自主掌控網(wǎng)絡(luò)，才能最終實現(xiàn)5G的商業(yè)愿景。