基于5G核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)演進及策略

趙偉超，呂 晨，劉軍濤

（河南省信息咨詢設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450000）

1 5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景和能力需求

1.1 5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景

（1）極致的移動寬帶。5G網(wǎng)絡(luò)所應(yīng)用高頻頻率均在6 GHz以上，不僅時延更低，而且其速率可以達(dá)20 Gbps。因此， 3D視頻業(yè)務(wù)包括AR或者VR等，需要以超高寬帶為支撐，而5G網(wǎng)絡(luò)則可以滿足其需求[1]。

（2）大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用具有低帶寬、廣覆蓋的特點，5G網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)海量連接，并且可以借助低頻頻譜來實現(xiàn)室內(nèi)或者廣域覆蓋，這樣的應(yīng)用場景與物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求十分契合，如借助5G打造智能家居等。

（3）超可靠通信。低時延以及高可靠性是5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，可以滿足那些對時延性要求較高的業(yè)務(wù)，如遠(yuǎn)程醫(yī)療等，也能滿足可靠性要求高的業(yè)務(wù)需求，如自動駕駛、工業(yè)遠(yuǎn)程控制等。

由此可見，相較于4G網(wǎng)絡(luò)的單一應(yīng)用場景，5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景更加廣泛，這進一步豐富了5G網(wǎng)絡(luò)的功能，使其不僅僅在通信方面發(fā)揮重要作用，而且在物聯(lián)網(wǎng)通信方面也起到了重要的支撐作用。因此，5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景具有多樣化的特征，能夠滿足不同業(yè)務(wù)的需求，針對不同的業(yè)務(wù)需求提供差異化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[2]。

1.2 5G網(wǎng)絡(luò)的能力要求

在不同的應(yīng)用場景下，對5G網(wǎng)絡(luò)的能力要求也不相同，具體而言，5G網(wǎng)絡(luò)的能力如表1所示。

表1 5G網(wǎng)絡(luò)能力

2 5G核心網(wǎng)基本架構(gòu)

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)

5G打造了全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要依托軟件定義網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)更加分散，同時也更具靈活性。正是因為5G網(wǎng)絡(luò)的這些特點使其能夠為提供不同的網(wǎng)絡(luò)切片，而不同的網(wǎng)絡(luò)切片則具有不同的功能與網(wǎng)絡(luò)特性，因此可以更好地滿足應(yīng)用需求。因其具有更大的靈活性，因此可以支持多樣化的5G場景。5G結(jié)構(gòu)主要包括接入層面、控制平面以及轉(zhuǎn)發(fā)層面三個部分，其中接入層面是指以用戶為中心，并且面向多場景的多層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；控制平面則以提供網(wǎng)絡(luò)控制功能為目的，能夠為資源的轉(zhuǎn)發(fā)以及資源的接入調(diào)度等工作提供有力支持；轉(zhuǎn)發(fā)層面的功能主要體現(xiàn)在分布式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及數(shù)據(jù)處理等方面，同時還具備更強的業(yè)務(wù)鏈處理能力，能夠滿足低時延要求相關(guān)業(yè)務(wù)[3]。

2.2 多連接框架

在5G的支持下，終端能夠與多個網(wǎng)絡(luò)同時進行連接，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)與終端之間更加靈活的深度集成，并且可以進一步拓展覆蓋范圍，提升網(wǎng)絡(luò)性能。在5G網(wǎng)絡(luò)中，終端不再孤立于網(wǎng)絡(luò)之外，而是成為網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，終端也可以與其他終端進行連接，可以拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍[4]。

2.3 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對比分析

4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)核心網(wǎng)集中，接入網(wǎng)扁平，固定的點到點通信是4G網(wǎng)絡(luò)的主要特征，并且控制面設(shè)備單一。而5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)則不同，5G網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)化功能設(shè)計的支持下，可以結(jié)合需求對網(wǎng)絡(luò)功能進行合理組合，以便滿足應(yīng)用需求。另外，5G網(wǎng)絡(luò)的用戶面更加簡化，轉(zhuǎn)發(fā)效率更高。5G網(wǎng)絡(luò)也實現(xiàn)了無線資源的集中控制與協(xié)作。在網(wǎng)元功能方面二者也存在較大的差異，詳見表2。

表2 5G核心網(wǎng)網(wǎng)元功能與4G核心網(wǎng)網(wǎng)元功能對比

序號 網(wǎng)元名稱 中文全稱 功能介紹 與4G網(wǎng)元對比6 AUSF 認(rèn)證服務(wù)器功能完成用戶接入的身份認(rèn)證功能MME中的鑒權(quán)功能7 UDM 統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理存儲、管理簽約數(shù)據(jù)和鑒權(quán)數(shù)據(jù) HSS、SPR 8 NRF 網(wǎng)絡(luò)存儲功能處理別的NF發(fā)來的NF發(fā)現(xiàn)請求，維護原有NF的信息 -----

3 5G核心網(wǎng)絡(luò)的演進方向

3.1 NSA與SA組網(wǎng)架構(gòu)

同時支持NSA與SA是5G組網(wǎng)的主要特征之一，所謂NSA方式即非獨立組網(wǎng)模式，而SA則是指獨立組網(wǎng)模式，二者均是支持5G發(fā)展的重要組網(wǎng)配置形態(tài)。其中，非獨立組網(wǎng)模式主要借助傳統(tǒng)的4G基礎(chǔ)設(shè)備進行組網(wǎng)，同時還以4G核心網(wǎng)軟件來支持5G網(wǎng)絡(luò)。這種組網(wǎng)模式充分利用了現(xiàn)有的設(shè)備和軟件，因此可以保障組網(wǎng)效率，同時也有助于降低組網(wǎng)成本，通過較少的投入，快速實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，提升網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用效果。在這種組網(wǎng)模式下，5G載波只能承載用戶數(shù)據(jù)，依然需要借助4G網(wǎng)絡(luò)來傳輸控制信令。對于獨立組網(wǎng)模式而言，則需要對5G網(wǎng)絡(luò)進行新建，不利用原有的4G基礎(chǔ)設(shè)備以及相關(guān)核心網(wǎng)軟件。獨立組網(wǎng)模式是完全意義上的新建，因此在獨立組網(wǎng)模式下，核心網(wǎng)、基站以及回程鏈路等均需要新建，因此核心網(wǎng)的轉(zhuǎn)變更加徹底。獨立組網(wǎng)模式以虛擬化技術(shù)為主要支撐，同時借助切片/子切片管理功能及MANO等，為5G網(wǎng)絡(luò)賦予定制功能，并且還可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供隔離網(wǎng)絡(luò)環(huán)境功能。獨立組網(wǎng)模式下的5G網(wǎng)絡(luò)功能更加完善，可以滿足不同行業(yè)的需求，其應(yīng)用范圍更廣[5]。不同的組網(wǎng)架構(gòu)具有不同的特點，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）以4G核心網(wǎng)為基礎(chǔ)的非獨立組網(wǎng)架構(gòu)。這種組網(wǎng)架構(gòu)需要對4G基站進行升級，但是涉及4G核心網(wǎng)升級則相對較少。在這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式下，對MEC以及網(wǎng)絡(luò)切片等均不支持，同時還對基站有較高的要求，需要4G或者5G基站均出自相同的廠家。此外，這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)控制面要錨定于4G基站，這些都是該組網(wǎng)架構(gòu)的特點。

（2）以5G網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)為基礎(chǔ)的非獨立組網(wǎng)架構(gòu)。這種組網(wǎng)架構(gòu)同樣需要將控制面錨定于4G基站，但是這種組網(wǎng)架構(gòu)支持MEC以及網(wǎng)絡(luò)切片，并且需要對4G基站進行升級。在升級過程中涉及的內(nèi)容相對比較復(fù)雜，需要通過對4G基站的升級使其能夠滿足5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。此外，這種組網(wǎng)架構(gòu)在終端連接以及基站廠家要求等方面均與以4G核心網(wǎng)為基礎(chǔ)的非獨立組網(wǎng)架構(gòu)中的組網(wǎng)架構(gòu)相同。

（3）獨立組網(wǎng)架構(gòu)。在這種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，5G NR直接接入5GC，而且無須在終端進行上連接，支持MEC以及網(wǎng)絡(luò)切片。另外這種組網(wǎng)架構(gòu)涉及的4G核心網(wǎng)升級相對較少，并且對基站的廠家要求不嚴(yán)，基站可以出自不同的廠家。

由此不難看出，獨立組網(wǎng)架構(gòu)，即SA組網(wǎng)架構(gòu)的優(yōu)勢更加顯著，因此這種組網(wǎng)架構(gòu)形式更受國內(nèi)運營商的青睞，對SA方案的應(yīng)用也更加廣泛。非獨立組網(wǎng)模式會涉及較多的網(wǎng)絡(luò)變動，而獨立組網(wǎng)模式則不具備這方面的問題。另外，獨立組網(wǎng)方案只需對現(xiàn)網(wǎng)進行較小的改動即可，而非獨立組網(wǎng)模式則需要保證基站出自相同的廠家，否則4G/5G則難以進行雙向連接。同時非獨立組網(wǎng)模式還需要對4G基站進行升級，不僅工作量更大，而且操作難度大。

3.2 核心網(wǎng)演進階段

鑒于上文分析，運營商更加青睞獨立組網(wǎng)模式，會更多地應(yīng)用SA方案，但是這并不意味著可以完全摒棄非獨立組網(wǎng)模式。非獨立組網(wǎng)模式能夠在5G初期提供有力的支持，確保eMBB類業(yè)務(wù)的順利開展，在非獨立組網(wǎng)模式的支持下，可以幫助人們快速體驗5G業(yè)務(wù)，這對于搶占市場，提升5G市場份額以及增強競爭力等具有十分重要的意義。因此，有的運營商在先期建網(wǎng)的過程中會選擇非獨立建網(wǎng)模式。

4 5G核心網(wǎng)建設(shè)對策

4.1 建設(shè)思路

在5G核心網(wǎng)建設(shè)過程中，需要綜合考慮5G業(yè)務(wù)需求情況、5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及新技術(shù)的發(fā)展趨勢等，明確建設(shè)思路，保證5G核心網(wǎng)建設(shè)的順利開展。以5G業(yè)務(wù)需求情況為例，在5G核心網(wǎng)建設(shè)過程中不僅要考慮政企客戶的需求，同時還要充分考慮公眾客戶的需求，并且要轉(zhuǎn)變以往4G網(wǎng)絡(luò)單一模型，打造多個業(yè)務(wù)模型。要認(rèn)識到技術(shù)的發(fā)展并不能一蹴而就，而是需要進行不斷探索，經(jīng)歷漫長的過程，因此，在5G核心網(wǎng)建設(shè)過程中要做好打長久戰(zhàn)的思想準(zhǔn)備，并對5G核心網(wǎng)建設(shè)做出科學(xué)規(guī)劃，明確各階段的任務(wù)指標(biāo)。由于5G核心網(wǎng)建設(shè)周期長，因此會在很長一段時間內(nèi)存在4G與5G并存的現(xiàn)象，這便需要做好二者的協(xié)同。由于5G核心網(wǎng)采用了云化架構(gòu)，因此資源的共享率更高，可以對資源進行統(tǒng)一編排。但與此同時也會對核心網(wǎng)的規(guī)劃提出更高的要求，不僅要準(zhǔn)確測算網(wǎng)元容量，而且還需要確定對云資源池的需求。

4.2 測算網(wǎng)絡(luò)容量

針對5G核心網(wǎng)容量的測算，應(yīng)結(jié)合用戶需求構(gòu)建完善的業(yè)務(wù)模型，并以此為基礎(chǔ)對網(wǎng)絡(luò)容量進行準(zhǔn)確計算。針對單網(wǎng)元容量以及各種網(wǎng)元數(shù)量的計算相對比較復(fù)雜，需要綜合考慮核心網(wǎng)網(wǎng)格單網(wǎng)元，網(wǎng)元容災(zāi)備份要求以及整體網(wǎng)絡(luò)容量等測算。網(wǎng)元的相關(guān)組件會與相應(yīng)的虛機相對應(yīng)，因此在5G核心網(wǎng)建設(shè)過程中需要準(zhǔn)確測算虛機數(shù)量。在測算過程中，要結(jié)合虛機配置原則以及單套網(wǎng)元的總量進行計算，并根據(jù)虛機數(shù)量來計算具體的寬帶需求，以及確定資源池的儲存能力等。此外，還要對物理機的虛擬化參數(shù)進行評估，并以此為依據(jù)確定相關(guān)硬件配置。

4.3 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的重點與難點

5G核心網(wǎng)建設(shè)會面臨多方面的挑戰(zhàn)，需要不斷突破各種重點和難點，如網(wǎng)絡(luò)容量的測算等，網(wǎng)絡(luò)容量測算不僅是5G核心網(wǎng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，而且還會對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運營效果產(chǎn)生重要影響，因此要保證網(wǎng)絡(luò)容量測算的精確性。另外，在網(wǎng)絡(luò)容量設(shè)計過程中也會涉及相應(yīng)的重點和難點問題，如明確用戶需求、確定業(yè)務(wù)模型等。滿足用戶需求是5G核心網(wǎng)建設(shè)的主要目的，由于5G網(wǎng)絡(luò)用戶具有多樣性的特點，因此明確用戶需求難度較大。5G業(yè)務(wù)類型多樣，也會給確定業(yè)務(wù)模型帶來更大的挑戰(zhàn)。在5G核心網(wǎng)建設(shè)過程中，需要認(rèn)清網(wǎng)絡(luò)設(shè)計重點與難點，并借助有效措施突破重點難點，保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的科學(xué)性。

5 結(jié)束語

相較于以往的移動網(wǎng)絡(luò)更新，5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了重大的突破，同時也給運營商帶來了更大機遇和挑戰(zhàn)，并且使5G核心網(wǎng)的演進成為必然趨勢，通過不斷演進來提升5G網(wǎng)絡(luò)性能，更好地滿足用戶需求，推動5G的發(fā)展。探索5G核心網(wǎng)演進策略，能夠為5G的發(fā)展提供有力支撐，具有十分重要的意義?！?/p>