面向5G的核心網(wǎng)演進(jìn)規(guī)劃

楊旭，肖子玉，邵永平，宋小明

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面向5G的核心網(wǎng)演進(jìn)規(guī)劃

楊旭，肖子玉，邵永平，宋小明

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司，北京 100080）

首先概述了5G標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)進(jìn)展，梳理了5G核心網(wǎng)架構(gòu)、主要關(guān)鍵技術(shù)及互操作架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，提出了面向5G核心網(wǎng)的分階段演進(jìn)規(guī)劃思路及部署建議，為現(xiàn)網(wǎng)引入5G核心網(wǎng)提供參考。

5G核心網(wǎng)；5GC；EPC；演進(jìn)；選項

1 引言

第一個5G標(biāo)準(zhǔn)（3GPP R15版本）在2018年6月凍結(jié)，完整的5G標(biāo)準(zhǔn)（3GPP R16版本）預(yù)計將于2019年年底凍結(jié)。其中R15又分為兩個階段，第一階段在2017年年底完成5G新空口非獨立組網(wǎng)（option3），第二階段在2018年中期完成5G新空口獨立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（option2）和其他NSA標(biāo)準(zhǔn)（option4和option7預(yù)計會延期到2018年年底完成）[1]，如圖1所示，其中，Q1、Q1、Q3、Q4分別代表第一季度、第二季度、第三季度和第四季度。

終端和芯片：主流芯片廠商從2018年下半年陸續(xù)推出支持NSA/SA的芯片，商用終端一般晚于芯片6個月左右。

產(chǎn)品進(jìn)展：大部分廠商在2018年年底開始推出基于R15的NSA/SA核心網(wǎng)產(chǎn)品，2019年年底產(chǎn)品逐步成熟。

圖1 3GPP 5G核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

產(chǎn)業(yè)進(jìn)展：全球通信發(fā)達(dá)地區(qū)主流運營商均計劃2020年前后開始商用部署5G網(wǎng)絡(luò)，早于2020年商用部署的均以采用NSA部署模式為主。

現(xiàn)有EPC（evolved packet core）網(wǎng)元采用傳統(tǒng)方式并以集中化部署在省中心為主，面向2020年5G網(wǎng)絡(luò)商用部署，運營商需要考慮如何基于現(xiàn)有EPC核心網(wǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行提前布局，引入5G核心網(wǎng)并使核心網(wǎng)平滑演進(jìn)，本文將基于對5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及主要關(guān)鍵技術(shù)的介紹，對于5G核心網(wǎng)引入及演進(jìn)等問題進(jìn)行分析并給出規(guī)劃建議。

2 5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)及互操作架構(gòu)

與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)變革主要包括SBA（service-based architecture）架構(gòu)、CP/UP（控制平面與用戶平面）分離、網(wǎng)絡(luò)切片、支持邊緣計算等多個方面[2]。3GPP標(biāo)準(zhǔn)5G網(wǎng)絡(luò)SBA架構(gòu)如圖2所示。

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)[3]

5G網(wǎng)絡(luò)引入服務(wù)化功能設(shè)計，將EPC等主要網(wǎng)元進(jìn)行解耦重構(gòu)和模塊化設(shè)計，5G核心網(wǎng)新增網(wǎng)絡(luò)功能及與EPC相關(guān)網(wǎng)元對比見表1。

主要關(guān)鍵技術(shù)能力包括SBA架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)切片、CP/UP分離以及邊緣計算，概述如下。

（1） SBA架構(gòu)

5G核心網(wǎng)控制平面采用服務(wù)化架構(gòu)，控制平面功能解耦重構(gòu)為多個網(wǎng)絡(luò)功能，每個控制面NF細(xì)分為多個服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)遵循自包含、可重用、獨立管理三原則。采用基于服務(wù)化的接口，使能每一個網(wǎng)絡(luò)功能能夠直接與其他網(wǎng)絡(luò)功能交互，3GPP已確定采用以TCP、HTTP2、JSON、OpenAPI3.0、RESTful的組合為基礎(chǔ)，對5G核心網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，N1/N2/N3/N4/N6/N9等接口仍然使用參考點接口。采用云原生及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速部署、連續(xù)集成和發(fā)布新的網(wǎng)絡(luò)功能和服務(wù)，且便于運營商自有或第三方業(yè)務(wù)開發(fā)。

表1 5G NF與EPC網(wǎng)元對比

（2） 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片是端到端的邏輯功能集合和其所需的物理或虛擬資源，包括接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)等。網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施層、網(wǎng)絡(luò)切片層和網(wǎng)絡(luò)切片管理層組成。網(wǎng)絡(luò)切片管理架構(gòu)自上而下包含三層，分別為CSMF（通信服務(wù)管理功能）、NSMF（網(wǎng)絡(luò)切片管理功能）、NSSMF（網(wǎng)絡(luò)切片子管理功能）。CSMF聚焦商業(yè)，面向垂直行業(yè)提供切片業(yè)務(wù)管理；NSMF聚焦跨域，跨域協(xié)同提供E2E切片設(shè)計與生命周期管理和編排；NSSMF聚焦單域，面向各域分別提供切片設(shè)計與生命周期管理。網(wǎng)絡(luò)切片管理功能需要跨域協(xié)同（接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)等），實現(xiàn)整體端到端切片管理和編排，資源管理由MANO完成[4]。

（3） C/U分離及邊緣計算

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)繼承4G CUPS（控制面與用戶面分離）架構(gòu)，相比4G用戶面為SGW-U和PGW-U，5G用戶面歸一化為UPF。邊緣計算作為5G的原生特性，由ETSI提出，逐漸被3GPP、IMT-2020等標(biāo)準(zhǔn)組織接納并重視，成為5G關(guān)鍵議題。邊緣計算服務(wù)垂直行業(yè)、滿足差異化應(yīng)用場景，應(yīng)用場景包括本地視頻業(yè)務(wù)、車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和本地能力開放等。5G會話管理機制在設(shè)計之初即考慮了對邊緣計算的支持，包括用戶面的靈活部署和數(shù)據(jù)路由的本地疏導(dǎo)和業(yè)務(wù)連續(xù)性，定義2種支持邊緣計算的架構(gòu)：UL-CL本地分流和IPV6多歸屬。

3GPP標(biāo)準(zhǔn)互操作架構(gòu)如圖3所示。

3GPP包括單注冊（single registration）和雙注冊（dual registration）兩種功能互操作模式。單注冊模式是終端必選特性，終端只能在5G或4G任意一個系統(tǒng)上注冊，僅保存一套NASMM狀態(tài)；雙注冊模式終端獨立注冊在5G和4G系統(tǒng)，EPC與5GC保持獨立的NASMM狀態(tài)?；ゲ僮髁鞒贪ɑ贜26接口的互操作流程和無N26接口的互操作流程，對于單注冊模式，連接態(tài)執(zhí)行切換流程，包括5GS到EPS切換和EPS到5GS切換，空閑態(tài)從5GS到EPS執(zhí)行TAU流程，從EPS到5GS 執(zhí)行注冊流程。對于單注冊模式建議采用基于N26接口的互操作模式，通過提前在目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)預(yù)留資源，能夠?qū)崿F(xiàn)無縫的會話連續(xù)性，無N26接口的模式需要重新接入網(wǎng)絡(luò)和建立連接，會有秒級的業(yè)務(wù)時延及中斷。

圖3 5G與4G互操作標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)[3]

4G和5G將在相當(dāng)長的時間內(nèi)共存，E-UTRAN接入EPC，NGRAN接入5G核心網(wǎng)，EPC與5G核心網(wǎng)進(jìn)行互通。在AMF與MME之間引入N26接口，傳遞移動性管理和會話管理等相關(guān)互操作信息，可提前在目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)預(yù)留資源，接入“UDM+HSS”“PCF+PCRF”“SMF+PGW-C”“UPF+PGW-U”融合功能，實現(xiàn)5G和EPC核心網(wǎng)互操作，5G UE的會話需要錨定在5G融合核心網(wǎng)。

3 面向5G核心網(wǎng)商用部署的規(guī)劃建議

以5G商用部署為重要時間節(jié)點，將分為3個階段進(jìn)行論述[5]，如圖4所示。

?? 階段1：面向5G商用的現(xiàn)有分組域核心網(wǎng)演進(jìn)建議。

?? 階段2：5G核心網(wǎng)商用初期引入策略及建議。

?? 階段3：5G核心網(wǎng)部署中后期，5G核心網(wǎng)與EPC融合演進(jìn)。

3.1 面向5G商用的分組域核心網(wǎng)演進(jìn)策略

3.1.1 布局電信云數(shù)據(jù)中心，盡快推動現(xiàn)有分組域核心網(wǎng)云化

建議各省按照核心和邊緣兩級電信云DC進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)，以滿足未來5G UPF的分布式部署，邊緣計算設(shè)備可按需部署在更低的接入節(jié)點。

控制平面集中部署：在核心DC主要部署5G CP、MME、PCRF等控制平面網(wǎng)元以及HSS/UDM等數(shù)據(jù)面網(wǎng)元，實現(xiàn)更集中的控制和更靈活的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度，另外還包括可在省中心集中部署或在省中心所在本地網(wǎng)部署的5G UPF用戶平面設(shè)備。

圖4 面向5G的核心網(wǎng)規(guī)劃演進(jìn)策略

圖5 電信云數(shù)據(jù)中心布局示意

用戶面分布式部署：在邊緣DC主要部署5G UPF、GW-U等用戶平面網(wǎng)元，以實現(xiàn)流量快速卸載，優(yōu)化流量和用戶體驗，提高網(wǎng)絡(luò)效率。

電信云數(shù)據(jù)中心布局示意如圖5所示。

推動網(wǎng)元向通用平臺、軟件化演進(jìn)是功能靈活部署和編排能力的基礎(chǔ)，NFV作為5G的重要使能技術(shù)，需要先于5G核心網(wǎng)部署，并積累分組域核心網(wǎng)的NFV運維經(jīng)驗，通過管理與編排系統(tǒng)，支持全局資源編排和調(diào)度。

穩(wěn)步推進(jìn)EPC核心網(wǎng)MME、SAE-GW（建議基于C/U分離進(jìn)行驗證，包含GW-C和GW-U）、PCRF、CG以及HSS等主要網(wǎng)元的NFV云化試點驗證。試點驗證成熟后，可對于分組域核心網(wǎng)新增容量及老舊替換設(shè)備容量全部按照NFV云化設(shè)備形態(tài)考慮，云化vEPC核心網(wǎng)可以進(jìn)一步平滑演進(jìn)為5G融合核心網(wǎng)。

3.1.2 網(wǎng)關(guān)C/U分離，用戶平面按需下沉部署

考慮規(guī)劃期數(shù)據(jù)流量的快速發(fā)展、融合CDN下沉以及面向5G核心網(wǎng)的分布式部署需求，并結(jié)合省中心核心網(wǎng)機房資源情況及電信云規(guī)劃布局，適時調(diào)整現(xiàn)有核心網(wǎng)架構(gòu)布局，網(wǎng)關(guān)用戶面逐步下沉至各地市，以優(yōu)化數(shù)據(jù)流量流向，提升用戶體驗，為5G核心網(wǎng)分布式部署架構(gòu)進(jìn)行架構(gòu)布局。3GPP R14定義的基于EPC的網(wǎng)關(guān)C/U分離架構(gòu)如圖6所示[6]。

（1）以NFV云化方式部署

NFV云化是5G部署的前提，建議網(wǎng)關(guān)直接以NFV云化方式下沉部署，可以向5GC UPF平滑演進(jìn)。

（2）以C/U分離方式部署

根據(jù)C/U分離廠商產(chǎn)品成熟度，建議直接部署C/U分離的NFV云化網(wǎng)元，便于向5G UPF平滑演進(jìn)。

（3）分步驟下沉

為保障網(wǎng)絡(luò)安全及保護(hù)現(xiàn)有傳統(tǒng)設(shè)備投資，建議采用分步驟下沉方式，逐步下沉至各地市。

3.1.3 5G核心網(wǎng)試點驗證

3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)作為5G商用的第一個版本在2018年6月完成，2018年下半年開始運營商將開展基于R15正式標(biāo)準(zhǔn)的5G網(wǎng)絡(luò)試點驗證，端到端驗證5G網(wǎng)絡(luò)功能和特性，為5G核心網(wǎng)商用做技術(shù)驗證和技術(shù)儲備。

3.2 5G核心網(wǎng)商用初期引入策略

圖6 3GPP定義C/U分離架構(gòu)

3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義了獨立組網(wǎng)（SA）和非獨立組網(wǎng)（NSA）兩大類部署模式[7]?；?G整體網(wǎng)絡(luò)部署演進(jìn)路線，從核心網(wǎng)角度來看，核心網(wǎng)有兩種部署方式選擇：如果采用option3/3a/3x部署架構(gòu)[8]，需要將現(xiàn)網(wǎng)EPC升級為EPC+；如果采用其他部署架構(gòu)選項（option2、option4/4a、option5、option7/7a/7x），則均需要新建5G核心網(wǎng)。

3.2.1 EPC升級為EPC+（可選）

為支持option3x部署架構(gòu)，EPC核心網(wǎng)需要升級支持EPC+，初步建議現(xiàn)網(wǎng)HSS、PCRF需要全部升級，現(xiàn)網(wǎng)MME全部升級和可選部分SAE-GW升級。具體分析見表2。

表2 EPC核心網(wǎng)主設(shè)備改造范圍分析及建議

為支持option3/3a/3x部署模式，EPC需要在支持雙連接、QoS擴展、5G簽約擴展、NR接入限制、計費擴展等方面進(jìn)行升級，升級網(wǎng)元包括HSS、PCRF、MME、SAE-GW、CG、DNS等，部署option3x需要新增與5GNR之間的S1-U接口，并增強SAE-GW設(shè)備用戶面處理性能能。具體如圖7所示。

圖7 初期引入option3部署架構(gòu)

3.2.2 部署5G核心網(wǎng)

無論是從直接部署option2獨立組網(wǎng)方式，還是從option3/3a/3x架構(gòu)演進(jìn)到option2、option7/7a/7x或option4/4a，均需要部署5G核心網(wǎng)。引入option2/4/5/7后整體網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)如圖8所示。

圖8 引入5G核心網(wǎng)后整體網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)

（1）為實現(xiàn)5G核心網(wǎng)和EPC核心網(wǎng)的互操作，標(biāo)準(zhǔn)中對于以下5GC網(wǎng)絡(luò)功能需要與EPC相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn)融合。

?? 融合UDM/HSS：統(tǒng)一簽約管理，保證用戶數(shù)據(jù)一致性。

?? 融合PCF/PCRF：統(tǒng)一策略管理，保證策略一致性和連續(xù)性。

?? 融合SMF/PGW-C：統(tǒng)一會話管理錨點。

?? 融合UPF/PGW-U：統(tǒng)一用戶面錨點，移動錨點不變保證業(yè)務(wù)連續(xù)性。

（2）HSS與UDM用戶數(shù)據(jù)融合、PCF與PCRF實現(xiàn)策略面融合：以不換卡不換號為原則，涉及統(tǒng)一用戶數(shù)據(jù)和策略，需要考慮現(xiàn)網(wǎng)傳統(tǒng)HSS和PCRF設(shè)備存量全部替換和平滑過渡兩種方案，初期UDR內(nèi)涉及的不同數(shù)據(jù)部署形態(tài)可分可合。具體分析見表3。

（3）升級現(xiàn)網(wǎng)MME支持與AMF之間通過N26接口互操作，傳遞移動性管理和會話管理相關(guān)上下文，提供無縫的會話和業(yè)務(wù)連續(xù)性。隨著5G核心網(wǎng)與EPC的逐步融合，N26接口將逐步演變?yōu)閮?nèi)部接口。建議AMF/MME融合部署，能夠提升互操作效率、優(yōu)化用戶體驗、共享資源、簡化運維。4G和5G將在相當(dāng)長的時間內(nèi)共存，有N26接口的互操作架構(gòu)，可以支持4G/5G融合組網(wǎng)和平滑演進(jìn)以及業(yè)務(wù)的平滑遷移。

表3 數(shù)據(jù)域和策略控制融合部署分析

（4）建設(shè)5G信令網(wǎng)，建議與DRA融合演進(jìn)：3GPP規(guī)范尚未對5G核心網(wǎng)信令設(shè)備做明確要求，但TS23.501在不同章節(jié)提到了類似DRA的信令proxy設(shè)備必要性。3GPP已將5G控制面協(xié)議確定為HTTP2.0，使用HTTP proxy 可以實現(xiàn)簡化組網(wǎng)、負(fù)載均衡、流量控制、會話綁定和拓?fù)潆[藏等功能。面向5G信令網(wǎng)部署，可采用Diameter/HTTP融合組網(wǎng)方式，重用當(dāng)前分省級和大區(qū)級的DRA兩級組網(wǎng)模式，便于4G/5G信令網(wǎng)平滑演進(jìn)。5G信令網(wǎng)部署分析見表4。

建議采用DRA和HTTP proxy融合部署，示意如圖9所示。

圖9 基于DRA的5G融合信令網(wǎng)

表4 5G信令網(wǎng)部署分析

（5）3GPP已經(jīng)明確將基于IMS提供語音業(yè)務(wù)，5G phase1不提供和2G/3G語音的直接互操作。3GPP R15不對IMS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行架構(gòu)上的改變，根據(jù)5G總體部署方案選擇，對現(xiàn)網(wǎng)IMS平滑演進(jìn)。5G語音基于EPC部署（option3）：沿用現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)語音處理流程，IMS不需要發(fā)生任何變化。5G語音基于5GC部署（option2/4/5/7）：需要對IMS系統(tǒng)進(jìn)行接口及功能增強，以支持VoNR。終端在5G覆蓋內(nèi)使用VoNR，終端在4G覆蓋內(nèi)使用VoLTE，3GPP已定義EPC和5GC之間的HO方案。IMS核心網(wǎng)演進(jìn)支持VoNR語音如圖10所示。

圖10 IMS核心網(wǎng)演進(jìn)支持VoNR語音

終端支持單注冊為必選要求，網(wǎng)絡(luò)側(cè)建議必選部署單待終端切換方案（可選部署單待回落方案）。5GC和EPC的緊耦合部署，可以保證5G和4G之間的語音連續(xù)性，5G語音業(yè)務(wù)的連續(xù)性依賴于4G網(wǎng)絡(luò)VoLTE的覆蓋率。

3.3 5G核心網(wǎng)與EPC融合演進(jìn)，實現(xiàn)統(tǒng)一核心網(wǎng)

隨著EPC核心網(wǎng)逐步云化以及傳統(tǒng)ATCA設(shè)備的陸續(xù)退網(wǎng)，核心網(wǎng)將會逐步平滑演進(jìn)至全云化融合核心網(wǎng)，EPC和5G核心網(wǎng)能夠部署在相同的基礎(chǔ)設(shè)施上，vEPC可向上升級支持5GC融合功能，新建5GC向下兼容EPC融合網(wǎng)元功能，通過網(wǎng)絡(luò)切片滿足多樣化的業(yè)務(wù)場景需求，如圖11所示。

4 結(jié)束語

為滿足5G分布式部署架構(gòu)，運營商應(yīng)盡早開展NFV電信云基礎(chǔ)資源布局，包括省中心DC、地市DC及位置更低的邊緣DC，滿足邊緣計算部署需求。根據(jù)5G互操作架構(gòu)，需要考慮現(xiàn)網(wǎng)HSS、PCRF設(shè)備分別和對應(yīng)的5GC NF進(jìn)行融合部署，需在5G商用前對于EPC主要網(wǎng)元進(jìn)行充分的云化試點驗證，并積累vEPC現(xiàn)網(wǎng)云化運維經(jīng)驗。在3GPP R15標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)后可積極開展5G核心網(wǎng)外場試點驗證，并根據(jù)頻率資源、覆蓋策略等因素確定合適的5G網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)及整體演進(jìn)路線。隨著分組域核心網(wǎng)逐步實現(xiàn)NFV全云化以及5G業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，將最終實現(xiàn)統(tǒng)一的核心網(wǎng)，同時滿足多種業(yè)務(wù)需求。

圖11 5G統(tǒng)一核心網(wǎng)組網(wǎng)示意

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Core network evolution planning oriented 5G

YANG Xu, XIAO Ziyu, SHAO Yongping, SONG Xiaoming

China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China

Firstly, the 5G standard and industrial progress were summarized, and the 5G core network architecture, key technologies and interworking architecture were combed. On this basis, the idea of phased evolution planning and deployment suggestions for the 5G core network were proposed to provide reference for the introduction of the 5G core network in the present network.

5G core network, 5GC, EPC, evolution, option

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018210

2018?04?02；

2018?06?07

楊旭（1985?），男，中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司工程師，主要研究方向為5G核心網(wǎng)、NFV、分組域核心網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等。

肖子玉（1969?），女，中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司教授級高級工程師，中國通信學(xué)會高級會員，美國北卡羅萊納州立大學(xué)訪問學(xué)者，主要研究方向為NFV/SDN、5G、IMS、網(wǎng)絡(luò)安全和信息安全等。

邵永平（1978?），男，中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司高級工程師，主要研究方向為移動通信核心網(wǎng)、NFV、網(wǎng)絡(luò)和信息安全等。

宋小明（1985?），女，中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司工程師，主要研究方向為移動通信核心網(wǎng)、信令網(wǎng)、NFV等。