5G核心網(wǎng)架構(gòu)及演進(jìn)研究

尤星

【摘要】? ? 文章闡述了5G核心網(wǎng)架構(gòu)包含微服務(wù)架構(gòu)、DevOps、容器化及動(dòng)態(tài)編排等內(nèi)容，分析現(xiàn)有5G核心網(wǎng)架構(gòu)特點(diǎn)及劣勢(shì)，建議考慮產(chǎn)品成熟度與業(yè)務(wù)需求，5G商用需將其劃分為三個(gè)階段，分別為商用現(xiàn)有分組核心網(wǎng)、初期引入及中后期融合，以此實(shí)現(xiàn)5G核心網(wǎng)平滑演進(jìn)。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G? ? 核心網(wǎng)架構(gòu)? ? 演進(jìn)

引言：

移動(dòng)通信改變了人們生活，為適應(yīng)未來(lái)超高連接數(shù)、超高流量密度、超高移動(dòng)性能需求，涌現(xiàn)出各種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、高清視頻等業(yè)務(wù)，且逐漸滲透至物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，推動(dòng)了5G系統(tǒng)的研發(fā)，滿(mǎn)足各行業(yè)需求。5G業(yè)務(wù)包含大連接、高速率、低延時(shí)等場(chǎng)景，推動(dòng)移動(dòng)通信深入行業(yè)領(lǐng)域，且借鑒IT的“微服務(wù)”領(lǐng)域，采取服務(wù)化架構(gòu)拆解網(wǎng)絡(luò)功能為獨(dú)立NF，提供資管理、自包含、可重用網(wǎng)絡(luò)功能。5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及業(yè)務(wù)鏈接特征對(duì)核心網(wǎng)提出了新的要求，應(yīng)采取革命性、全新的技術(shù)架構(gòu)，以業(yè)務(wù)及用戶(hù)需求為導(dǎo)向，構(gòu)建云化、開(kāi)放、敏捷的網(wǎng)絡(luò)。

一、5G核心網(wǎng)架構(gòu)類(lèi)型

5G網(wǎng)絡(luò)是基于4G網(wǎng)絡(luò)的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，核心組網(wǎng)架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)GW與UE的無(wú)縫切換，以邏輯層面而言，5G核心網(wǎng)架構(gòu)可分為統(tǒng)一和新接入網(wǎng)絡(luò)與異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)。其中，統(tǒng)一核心網(wǎng)絡(luò)包含Core Cloud與Edge Cloud，異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)種類(lèi)較多，無(wú)論是5G接入還是4G接入方式，均為異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)。5G核心網(wǎng)設(shè)計(jì)之初，已經(jīng)應(yīng)用SDN與NFV架構(gòu)，組網(wǎng)架構(gòu)包含以下內(nèi)容：

1.微服務(wù)架構(gòu)。以現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)升級(jí)與集成十分復(fù)雜，開(kāi)放功能緩慢，微服務(wù)架構(gòu)中增加諸多模塊，將統(tǒng)一應(yīng)用程序分解為無(wú)固定狀態(tài)、小粒度的“微”服務(wù)。在松散狀態(tài)下，微服務(wù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)制，平穩(wěn)應(yīng)對(duì)刪除、增加場(chǎng)景，無(wú)須重大改變，即便崩潰一個(gè)微服務(wù)，另一個(gè)也能夠立即代替，中間無(wú)間隔，不會(huì)對(duì)服務(wù)器運(yùn)行造成影響。

2.DevOps內(nèi)容。DevOps有助于人員測(cè)試、構(gòu)建服務(wù)，包含微服務(wù)，可提高整體運(yùn)作效率，管理微服務(wù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化完成。

3.容器化。將軟件打包，應(yīng)用集裝箱思想，運(yùn)輸中密封集裝箱，到達(dá)目的地后打開(kāi)，可提高運(yùn)輸及裝卸效率。軟件打包中應(yīng)用該原理，則可具有環(huán)境隔離性與重復(fù)性，人們應(yīng)用中僅需將微服務(wù)或代碼打包至容器內(nèi)，可在操作系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行。

4.動(dòng)態(tài)編排。該內(nèi)容作為管理、調(diào)度內(nèi)容，能夠更好利用各項(xiàng)資源，操作中系統(tǒng)需管理主機(jī)資源的同時(shí)，也要適當(dāng)管理容器，之后通過(guò)API接口集成器擴(kuò)展任務(wù)。

二、5G核心網(wǎng)特點(diǎn)及問(wèn)題

5G為滿(mǎn)足多樣場(chǎng)景下不同業(yè)務(wù)需求，應(yīng)當(dāng)做到按需服務(wù)，核心網(wǎng)靈活建設(shè)，通過(guò)借鑒先進(jìn)技術(shù)，打破傳統(tǒng)局限性，實(shí)現(xiàn)架構(gòu)創(chuàng)新發(fā)展，為網(wǎng)絡(luò)部署帶來(lái)了新的機(jī)遇。

1.在5G核心網(wǎng)發(fā)展下，其從4G“網(wǎng)元”向5G網(wǎng)絡(luò)解耦重構(gòu)，結(jié)合統(tǒng)一規(guī)范要求及硬件設(shè)施，重新部署軟件功能，降低部署成本，實(shí)現(xiàn)靈活應(yīng)用。但是，5G網(wǎng)絡(luò)接口較多，且增加了諸多功能，導(dǎo)致核心網(wǎng)部署難度有所提高。

2. 5G硬件應(yīng)用中，可分為通用硬件及專(zhuān)屬硬件，需按照通用硬件情況，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)面和控制面的分離，采取新型移動(dòng)、繪畫(huà)管理模式，實(shí)現(xiàn)多功能網(wǎng)絡(luò)組合。而在實(shí)際運(yùn)行中，虛擬設(shè)備由于研發(fā)較晚，仍有較大改進(jìn)空間，性能、質(zhì)量等均不滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)要求，三層解耦不充分，需健全虛擬網(wǎng)絡(luò)編排。

3. 5G核心網(wǎng)絡(luò)中，使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，為其提供開(kāi)放API標(biāo)準(zhǔn)，做到面向服務(wù)實(shí)現(xiàn)深度融合ICT接口與架構(gòu)，共享成熟互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。但是，新舊通信協(xié)議的兼容及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維態(tài)和設(shè)計(jì)態(tài)的切換，提出了新的運(yùn)維管理要求。

4. 5G利用邊緣計(jì)算及網(wǎng)絡(luò)切片性能，使用專(zhuān)業(yè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，借助網(wǎng)絡(luò)功能做到按需配置，以此為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。而實(shí)際運(yùn)行中，網(wǎng)絡(luò)切片作為端到端理念，對(duì)于多專(zhuān)業(yè)切片協(xié)同管理具有較高要求，用戶(hù)種類(lèi)較多，信息需求不同，為此應(yīng)制定5G垂直商業(yè)發(fā)展規(guī)劃。

三、5G核心網(wǎng)架商用部署演進(jìn)

考慮產(chǎn)品成熟度與業(yè)務(wù)需求，5G商用需將其劃分為三個(gè)階段，分別為商用現(xiàn)有分組核心網(wǎng)演進(jìn)、初期引入策略建議及中后期融合EPC演進(jìn)（見(jiàn)圖1）。

3.1核心網(wǎng)云化

電信云數(shù)據(jù)中心布局，云化分組域核心網(wǎng)，各個(gè)省市應(yīng)當(dāng)按照核心、邊緣這兩級(jí)電信云DC規(guī)劃的建設(shè)，以此滿(mǎn)足5G部署要求，實(shí)現(xiàn)分布式部署。并且，按照要求在低接入節(jié)點(diǎn)位置，接入邊緣計(jì)算設(shè)備，做好平面控制工作，核心DC完成MME及5GCP的部署，控制HSS/UDM網(wǎng)元，做到網(wǎng)絡(luò)的集中調(diào)度與控制，還能在省中心部署網(wǎng)絡(luò)5GUPF平面用戶(hù)設(shè)備。分部署用戶(hù)面部署中，邊緣DC部署GW-U、5GUPF等平面用戶(hù)網(wǎng)元，迅速卸載流量，優(yōu)化用戶(hù)體驗(yàn)與流量，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)效率提高。在靈活部署功能中，網(wǎng)元向軟件化、通用平臺(tái)演進(jìn)作為基礎(chǔ)，5G中先部署NFV，積累運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，為資源調(diào)度提供支持。EPC核心網(wǎng)分離驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)NFV主要網(wǎng)元云化試點(diǎn)驗(yàn)證，驗(yàn)證成熟后能夠?qū)Ψ纸M核心網(wǎng)增加容量及替換老舊設(shè)備，根據(jù)NFV云華設(shè)備加以考慮，使得核心網(wǎng)能夠平滑演進(jìn)成5G核心網(wǎng)。

3.2 C/U網(wǎng)關(guān)分離

在規(guī)劃階段考慮迅速發(fā)展數(shù)據(jù)流量、CDN融合下沉與分布式5G核心網(wǎng)部署要求，根據(jù)省中心機(jī)房情況，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將用戶(hù)面向地市下沉，提高用戶(hù)體驗(yàn)。C/U分離架構(gòu)如下：

1.以C/U分離部署。按照廠商產(chǎn)品成熟性，直接部署C/U分離NFV ，平滑演進(jìn)至5GUPF。

2.以NFV云化部署。5G部署中NFV云化作為前提，網(wǎng)關(guān)可通過(guò)NFV云化方式實(shí)現(xiàn)直接下沉部署，平滑演進(jìn)至5GUPF。

3.分步驟下沉?？刹扇》植襟E下沉至地市方式，以確?，F(xiàn)有傳統(tǒng)設(shè)備投資與網(wǎng)絡(luò)安全。

5G商用版本中3GPP R15作為第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)營(yíng)商2018年下半年開(kāi)始驗(yàn)證5G網(wǎng)絡(luò)試點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)特性與功能驗(yàn)證，為商用5G奠定技術(shù)儲(chǔ)備與驗(yàn)證。

3.3核心網(wǎng)商用升級(jí)

在3GPP標(biāo)準(zhǔn)中部署模式分為非獨(dú)立組網(wǎng)與獨(dú)立組網(wǎng)，根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)部署線路，以核心網(wǎng)層面而言，部署核心網(wǎng)有兩種方式，選用option3/3a/3x 架構(gòu)部署，需升級(jí)現(xiàn)網(wǎng)EPC為EPC+，采取其他部署模式，則需新建核心網(wǎng)。在EPC升級(jí)中，為支持option3x架構(gòu)部署，升級(jí)為EPC+中需全部升級(jí)現(xiàn)有PCRF、 HSS網(wǎng)絡(luò)，支持QoS擴(kuò)展、NR接入限制、5G簽約擴(kuò)展、計(jì)費(fèi)擴(kuò)展等，網(wǎng)元升級(jí)包含DNS、SAE-GW、HSS、CG、MME、PCRF，新增5GNR和option3x之間S1-U接口，增強(qiáng)設(shè)備處理用戶(hù)面性能。5G核心網(wǎng)架構(gòu)如下：

1.EPC核心網(wǎng)與5G核心網(wǎng)為實(shí)現(xiàn)互相操作，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的5G網(wǎng)絡(luò)功能融合EPC網(wǎng)絡(luò)功能。UDM/HSS融合，簽約管理統(tǒng)一，確保用戶(hù)數(shù)據(jù)相同;PCF/PCRF融合，策略管理統(tǒng)一，確保策略相同連續(xù);UPF/PGW-U融合，用戶(hù)面錨點(diǎn)融合，不改變移動(dòng)錨點(diǎn)確保連續(xù)業(yè)務(wù);SMF/PGW-C融合，會(huì)話(huà)管理錨點(diǎn)統(tǒng)一。

2.PCRF和PCF融合、UDM 和HSS融合，做到換卡不換號(hào)，以免影響用戶(hù)正常生活，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一用戶(hù)數(shù)據(jù)管理，按照現(xiàn)網(wǎng)PCRF設(shè)備存量，實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)施的平滑過(guò)渡與替換。

3.MME現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)能夠?yàn)锳MF及N26接口操作，實(shí)現(xiàn)傳遞會(huì)話(huà)、移動(dòng)性管理等文件，做到業(yè)務(wù)與會(huì)話(huà)的無(wú)縫銜接，在5G網(wǎng)和EPC融合后，N26接口也演變成內(nèi)部接口。AMF/MME融合中，可提高操作效率、共享資源，優(yōu)化用戶(hù)體驗(yàn)。5G與4G長(zhǎng)期內(nèi)實(shí)現(xiàn)共存，以N26接口的操作架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)4G/5G業(yè)務(wù)平滑遷移與組網(wǎng)平滑演進(jìn)。

4.5G信令網(wǎng)建設(shè)，和DRA融合演進(jìn)，對(duì)于5G信令設(shè)備3GPP規(guī)范尚未提出明確要求，卻通過(guò)TS23.501明確proxy設(shè)備重要性。5G控制面板協(xié)議以3GPP將其確定成HTTP2.0，通過(guò)HTTP? proxy能夠均衡負(fù)載、簡(jiǎn)化組網(wǎng)、控制流量、隱藏拓?fù)洹２渴?G信令網(wǎng)可應(yīng)用Diameter/HTTP模式，應(yīng)用省級(jí)與大區(qū)級(jí)組網(wǎng)模式，有助于4G/5G平滑演進(jìn)。

5.在3GPP中確定以IMS為基礎(chǔ)提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)，不能直接和2G/3G語(yǔ)音操作，不改變IMS網(wǎng)絡(luò)，按照5G部署方案，選擇IMS現(xiàn)網(wǎng)平滑演進(jìn)。在基于EPC的5G語(yǔ)音部署中，沿用4G網(wǎng)絡(luò)處理語(yǔ)音流程，不改變IMS;基于5GC的5G語(yǔ)音部署，需增強(qiáng)IMS系統(tǒng)功能及接口，支持Vo NR。終端支持單注冊(cè)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)比選部署單待切換終端方案，EPC與5G緊耦合部署，可實(shí)現(xiàn)5G與4G語(yǔ)音連續(xù)。

3.4統(tǒng)一核心網(wǎng)

在EPC核心網(wǎng)云化且ATCA傳統(tǒng)設(shè)備陸續(xù)退網(wǎng)后，可推動(dòng)核心網(wǎng)平滑演進(jìn)為云化全融合核心網(wǎng)，在同等基礎(chǔ)設(shè)施上實(shí)現(xiàn)5G與EPC核心網(wǎng)部署，vEPC能夠向上升級(jí)，以此支持5GC融合，而新建5GC可實(shí)現(xiàn)向下EPC兼容，融合網(wǎng)元功能，以此借助網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)場(chǎng)景多元化需求。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，以網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)與支撐業(yè)務(wù)發(fā)展為核心，5G核心網(wǎng)建設(shè)未來(lái)將以EPC與5G核心融合組網(wǎng)架構(gòu)為抓手，推進(jìn)EPC云化轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)5GC的成熟商用，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)云化融合核心網(wǎng)。根據(jù)核心網(wǎng)架構(gòu)，提前布局基礎(chǔ)設(shè)備，按照各省需求實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)資源建設(shè)規(guī)劃。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]楊文強(qiáng)，王友祥，唐雄燕，王立文.面向云原生的5G核心網(wǎng)云化架構(gòu)和演進(jìn)策略[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2021（03）：12-15.

[2]張宗曉，黃敏，王大朋，吳明明，鄒鑫.NSA與SA共存網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能力對(duì)5G平滑演進(jìn)的必要性探討[J].中國(guó)新通信，2020，22（19）：92-93.

[3]吳英娜，余永聰.5G核心網(wǎng)組網(wǎng)方案分析及演進(jìn)路線研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2019，37（07）：28-29.

[4]沈孝萍，曹廣山，陳成運(yùn).移動(dòng)核心網(wǎng)的發(fā)展及演進(jìn)[J].廣東通信技術(shù)，2019，39（07）：64-69.