5G 核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)分析

劉大暢 丁浩 曾晶

【摘要】? ? 首先介紹5G核心網(wǎng)及其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，隨后詳細(xì)闡述網(wǎng)關(guān)控制與轉(zhuǎn)發(fā)功能分離與控制平面功能重構(gòu)、移動邊緣計算、新型移動性管理和會話管理、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）及網(wǎng)絡(luò)切片，最后對5G核心網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)并展望。

【關(guān)鍵字】? ? 5G核心網(wǎng)? ? ?NFV? ? 邊緣計算? ? 網(wǎng)絡(luò)切片

引言

通信技術(shù)在近幾十年跟隨著現(xiàn)代科學(xué)的演變革新趨勢，也同樣發(fā)生了翻天覆地的變化，尤其是移動通信技術(shù)，在各項應(yīng)用中得到了廣泛的延伸，給人們生活的提供了很多便利。如今通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)主體已由過去幾年的4G廣覆蓋轉(zhuǎn)變?yōu)?G的逐步推行，自2012年起，第5代移動通信系統(tǒng)在業(yè)界成為關(guān)注的重點(diǎn)，5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與建設(shè)涉及的相關(guān)技術(shù)成為通信行業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。事實(shí)表明，5G將開啟一個大連接、全業(yè)務(wù)的時代。

一、5G及其核心網(wǎng)概述

5G相關(guān)技術(shù)帶來的移動通信產(chǎn)業(yè)的變化，讓未來通信不僅僅是在追求更大帶寬、更高速率，或是更強(qiáng)的空中接口技術(shù)，而是想要建設(shè)以用戶為中心的彈性智能網(wǎng)絡(luò)。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的建成，未來在任意時間和任意地點(diǎn)，人們之間、人和物之間、物與物之間的通信速率將能夠達(dá)到1Gbit/s，峰值下行速率甚至可達(dá)50Gbit/s。與此同時，用戶獲得的移動數(shù)據(jù)容量將更多、數(shù)據(jù)傳輸時延將更低、電池使用壽命將更長，而設(shè)備也可擁有更低的功耗、更多的終端連接。

而在整個5G網(wǎng)絡(luò)中，最為核心的便是5G核心網(wǎng)。核心網(wǎng)作為全連接和全業(yè)務(wù)的管理中樞，在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中處于至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，它能夠滿足端到端的業(yè)務(wù)體驗需求，按需提供服務(wù)，支持多種多樣化的無線接入場景，可實(shí)現(xiàn)高效的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營和靈活的網(wǎng)絡(luò)部署。

二、5G 核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為了滿足不同場景下多樣化業(yè)務(wù)的需求，按需靈活部署的核心網(wǎng)建設(shè)勢在必行。5GC（5G core，5G核心網(wǎng)）充分利用了各領(lǐng)域技術(shù)優(yōu)勢，打破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的限制，通過對4G 核心網(wǎng)的解耦與重構(gòu)，將傳統(tǒng)的4G EPC 核心網(wǎng)的網(wǎng)元按功能進(jìn)行拆分，5GC控制平面的網(wǎng)元在SBA微服務(wù)的架構(gòu)下使用統(tǒng)一的接口SBI（Service-based Interface，服務(wù)化接口）進(jìn)行相互間的數(shù)據(jù)傳輸，并隨著NFV（network function virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）和SDN（software defined networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）等技術(shù)的成熟，5G核心網(wǎng)通過這些新技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的重新部署，使得網(wǎng)絡(luò)由基于傳統(tǒng)的通信技術(shù)逐步向基于IT 技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型。

圖1 是基于服務(wù)的5GC 的主要架構(gòu)，5G 核心網(wǎng)從功能模塊拆分，主要可分為CP（Control Plane，控制平面）與UP（User Plane，用戶平面），包括的主要網(wǎng)絡(luò)功能模塊如下：

其中AUSF、AMF、SMF、NSSF、NEF、NRF、PCF、UDM為控制面功能模塊，UPF為用戶面功能模塊，通過控制面功能模塊下發(fā)的策略對用戶數(shù)據(jù)處理進(jìn)行控制。

UPF網(wǎng)元利用N6接口與運(yùn)營商數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)DN進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)，AMF和UPF兩個網(wǎng)元分別通過N2和N3接口與接入網(wǎng)AN進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且適用于不同類型的網(wǎng)絡(luò)接入，如3GPP接入和非3GPP接入。外部AF可通過NEF與5GC交流。

5G核心網(wǎng)的功能之一在于實(shí)現(xiàn)了將網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行了不同模塊的劃分，在網(wǎng)絡(luò)功能模塊化的基礎(chǔ)之上將網(wǎng)絡(luò)的控制功能與轉(zhuǎn)發(fā)功能進(jìn)行了完全的分離。其中，控制面可以實(shí)現(xiàn)集中化的模塊功能部署，同時實(shí)現(xiàn)調(diào)度并控制轉(zhuǎn)發(fā)平面的資源。用戶面則可進(jìn)行集中式或者分布式的部署，當(dāng)其部署在接近網(wǎng)絡(luò)邊緣時，可使用本地流量，提供就近的網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)，并能夠?qū)⒍说蕉藭r延降低至毫秒級。

三、5G 核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

5G 核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)主要包括網(wǎng)關(guān)控制與轉(zhuǎn)發(fā)功能分離與控制平面功能重構(gòu)、移動邊緣計算、新型移動性管理和會話管理、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）及網(wǎng)絡(luò)切片等。

3.1網(wǎng)關(guān)控制與轉(zhuǎn)發(fā)功能分離與控制平面功能重構(gòu)

現(xiàn)有EPC移動核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備不僅包含路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，同時還具備信令處理和業(yè)務(wù)處理等控制功能，控制功能與轉(zhuǎn)發(fā)功能之間呈現(xiàn)一種緊耦合的關(guān)系。而5G移動核心網(wǎng)，針對網(wǎng)關(guān)設(shè)備的控制功能與轉(zhuǎn)發(fā)功能進(jìn)行了功能的分離處理，以一種網(wǎng)絡(luò)控制功能的集中化、轉(zhuǎn)發(fā)功能的分布化的技術(shù)趨勢發(fā)展。

由于基于5G技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)相對應(yīng)的終端和應(yīng)用類型各有不同，其報文結(jié)構(gòu)、移動規(guī)律、會話類型以及安全性需求等也具有差異。所以，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行不同的功能設(shè)計才能應(yīng)對不同應(yīng)用場景的服務(wù)需求。5G網(wǎng)絡(luò)源于IT技術(shù)中“微服務(wù)”的技術(shù)思想，不同的功能通過分模塊的方式進(jìn)行設(shè)計實(shí)現(xiàn)，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能組件可以通過各種形式按相應(yīng)的需求組合，結(jié)合各種應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)不同邏輯網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，以滿足不同終端及應(yīng)用的通信需求，為網(wǎng)絡(luò)切片和按需組網(wǎng)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

3.2移動邊緣計算

傳統(tǒng)核心網(wǎng)中的網(wǎng)元往往是通過集中化的部署，在核心區(qū)域進(jìn)行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的分析與計算，而當(dāng)核心網(wǎng)所部署的機(jī)房與用戶設(shè)備尤其是邊緣的用戶距離較遠(yuǎn)時，會造成所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸時延普遍較大。而5G核心網(wǎng)采用控制面與用戶面的分離，兩者通過N4接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在控制面用于集中控制的前提下，由于用戶名主要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的操作，可實(shí)現(xiàn)分布式的部署。移動邊緣計算由ETSI組織提出，是為了保障用戶端也能夠進(jìn)行相應(yīng)的一些數(shù)據(jù)的分析與計算，在移動網(wǎng)絡(luò)邊緣通過部署相應(yīng)的通用服務(wù)器，可直接提供IT服務(wù)環(huán)境以及邊緣的計算能力。總的來說，UPF與MEC想結(jié)合將負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)的用戶面以分布式的方式向下部署至網(wǎng)絡(luò)邊緣層，使其能夠在更靠近用戶的位置實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)發(fā)，UPF通過將用戶采集的數(shù)據(jù)傳輸至本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，在終端側(cè)相關(guān)的業(yè)務(wù)服務(wù)可就近實(shí)現(xiàn)分析，從而降低數(shù)據(jù)傳輸時延、減少網(wǎng)絡(luò)擁塞等情況。

3.3新型移動性管理和會話管理

網(wǎng)絡(luò)側(cè)移動性管理主要體現(xiàn)在兩個方面，一是在激活態(tài)維護(hù)會話的連續(xù)性，二是在空閑態(tài)保證用戶的可達(dá)性。根據(jù)終端的移動模型和其對應(yīng)的業(yè)務(wù)特征，對移動性功能分為兩種狀態(tài)進(jìn)行討論，分別是激活狀態(tài)和空閑狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際需求可對狀態(tài)進(jìn)行分析或者組合，通過不同的終端導(dǎo)向性，可選擇相應(yīng)的移動性管理機(jī)制。根據(jù)不同移動性層級的特征，可以分為有無移動性、高/低移動性以及低功耗終端，提供相對應(yīng)的有效支持，有效滿足5G網(wǎng)絡(luò)新型移動性管理的大部分需求。

在5G網(wǎng)絡(luò)中，各業(yè)務(wù)場景存在差異性，相應(yīng)地存在一些需要低功耗、位置較為固定而無需時刻在線的移動物聯(lián)終端場景，這就需要網(wǎng)絡(luò)對于終端的移動性狀態(tài)及流程進(jìn)行一定程度的優(yōu)化，如在RRC Connected和RRC idle 狀態(tài)基礎(chǔ)上，可通過引入Inactive State或Power Saving狀態(tài)，對該特定狀態(tài)設(shè)計專用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)終端服務(wù)大連接、低功耗等物聯(lián)網(wǎng)場景。

3.4網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）及網(wǎng)絡(luò)切片

5G核心網(wǎng)使用NFV/SDN技術(shù)，將5G核心網(wǎng)的各項網(wǎng)絡(luò)功能與硬件平臺解耦，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“微服務(wù)”化的特點(diǎn)，產(chǎn)生不同的網(wǎng)絡(luò)功能模塊，針對不同業(yè)務(wù)場景和需求將這些網(wǎng)絡(luò)功能模塊進(jìn)行組合后，可形成的特定的網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)切片不僅僅局限于核心網(wǎng)，還包括了接入網(wǎng)絡(luò)和IP承載網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)切片之間可實(shí)現(xiàn)資源共享或者是進(jìn)行相互隔離。核心網(wǎng)控制平面的網(wǎng)絡(luò)切片采取的是服務(wù)化的架構(gòu)，用戶平面可根據(jù)業(yè)務(wù)對轉(zhuǎn)發(fā)性能的要求進(jìn)行靈活部署。

四、結(jié)束語

現(xiàn)如今，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)伴隨著各種新興技術(shù)蓬勃而來，VR/AR、物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等應(yīng)用正逐步走入我們的視線，5G技術(shù)在各類新型應(yīng)用場景下發(fā)揮著重要作用。而5G核心網(wǎng)是以SDN/NFV為技術(shù)基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并通過網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算等關(guān)鍵技術(shù)加以支撐，進(jìn)而滿足eMBB、mMTC、URLLC等應(yīng)用場景下多樣化的業(yè)務(wù)需求。5G的廣泛應(yīng)用已成為必然發(fā)展的趨勢，運(yùn)營商需要結(jié)合對應(yīng)的場景進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，來迎接5G發(fā)展的大潮流。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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