5G核心網(wǎng)建設(shè)路徑選擇及部署方案研究

□ 文 黃 嘉 聶煒玲 李艷俊 唐 晨

1.概述

5G實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的連接，引領(lǐng)萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)。

1、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面：作為上層應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)控制功能與底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施分離，實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的IT化；

2、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方面：通過模塊化的網(wǎng)絡(luò)功能、服務(wù)化的接口設(shè)計(jì)、及NFV/SDN等技術(shù)，將5G網(wǎng)絡(luò)物理基礎(chǔ)設(shè)施資源，根據(jù)場(chǎng)景需求虛擬成多個(gè)相互獨(dú)立、平行的虛擬子網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)按需的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

5G核心網(wǎng)架構(gòu)如下圖所示：

UDM：Unified Data Management，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能

NEF：Network Exposure Function，網(wǎng)絡(luò)開放功能

NRF：Network Repository Function，網(wǎng)絡(luò)解析功能

AF：Application Function，應(yīng)用功能

AUSF：Authentication Server Function，鑒權(quán)功能

AMF：Core Access and Mobility Management Function，接入和移動(dòng)性管理功能

SMF：Session Management Function，會(huì)話管理功能

PCF：Policy Control function，策略控制功能

UPF：User Plane Function，用戶面功能

目前各大運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開始著手準(zhǔn)備建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)，預(yù)計(jì)2020年全國(guó)展開大規(guī)模5G商用建設(shè)。

本文重點(diǎn)研究5G核心網(wǎng)在進(jìn)行實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)面臨的關(guān)鍵問題，對(duì)多種方案進(jìn)行對(duì)比分析?？蔀楦鬟\(yùn)營(yíng)商進(jìn)行5G建設(shè)時(shí)用作參考。

2.5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)路徑分析

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)路徑有多種選擇，如下圖所示：

圖1 5G核心網(wǎng)架構(gòu)

Option3/7/4都屬于NSA組網(wǎng)，4G/5G基站共站點(diǎn)，用戶和基站是雙連接，其中Option3的場(chǎng)景，核心網(wǎng)可以升級(jí)到EPC+進(jìn)行支持，優(yōu)勢(shì)是用戶可以充分利用4G和5G的帶寬，特別適合eMBB場(chǎng)景，可以作為家庭寬帶場(chǎng)景。

Option2屬于SA組網(wǎng)，用戶和基站是單連接，5G基站不依賴4G基站，組網(wǎng)簡(jiǎn)單，要求NR的覆蓋連續(xù)。核心網(wǎng)SA架構(gòu)，必須基于云化網(wǎng)絡(luò)，可采用新建或升級(jí)現(xiàn)網(wǎng)vEPC進(jìn)行建設(shè)。

如果選擇Opiton3，即NSA的建設(shè)路徑，簡(jiǎn)單來(lái)說就是啟動(dòng)快，投資少，見效快，缺點(diǎn)是暫不支持5G切片等技術(shù)。SA是5GC部署的目標(biāo)方案，即使在初期采用NSA的方式進(jìn)行過渡建設(shè)，也需要逐步向SA演進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的全部功能。

NSA Opiton3主要涉及三種分流方案，如下圖所示：

Option3通過LTE基站進(jìn)行分流，現(xiàn)有LTE基站難以支撐5G大帶寬轉(zhuǎn)發(fā)，需要進(jìn)行升級(jí)。Option3核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)稍簡(jiǎn)單，但對(duì)無(wú)線側(cè)現(xiàn)網(wǎng)LTE基站改造較大，綜合考慮，不建議采用此方案。

Option3a是通過EPC分流，EPC需要支持單承載雙RAB，分流是基于RAB進(jìn)行，不能針4G/5G無(wú)線鏈路質(zhì)量情況調(diào)整分流策略。

Option3x是包級(jí)分流，可以針對(duì)無(wú)線鏈路狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整分流策略，提供較佳性能。Option3a和Option3x對(duì)核心網(wǎng)功能要求基本一致，其中3a需在用戶有至少兩個(gè)承載時(shí)才可以實(shí)現(xiàn)分流，需要綜合考慮產(chǎn)業(yè)鏈支持情況（目前產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)于3x支持較好）、無(wú)線、傳輸、分流靈活度等因素，選擇3x的可能性最大。

圖2 5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)路徑

下面對(duì)3X的分流機(jī)制做一個(gè)簡(jiǎn)介，其他的信令流程和EPC的流程相比較，幾乎沒有變化。

MCG: Master cell group，對(duì)應(yīng)主站MeNodeB的承載

SCG: Slave cell Group，對(duì)應(yīng)從站SeNodeB的承載

3x組網(wǎng)是從SCG Split bearer來(lái)進(jìn)行下行報(bào)文的分流，NR PDCP以包為粒度分別向NR RLC和RLC進(jìn)行包分流。具體的分流策略在NR側(cè)配置。

在正常的EPC Attach流程之后，eNodeB會(huì)根據(jù)5G從站的信號(hào)測(cè)量報(bào)告，決定是否增加從站承載（SCG），添加從站之后，原eNodeB根據(jù)本地配置策略，決定是option3還是opiton3x分流，如果是option3x分流，則eNodeB發(fā)起 eRAB modification，通知MME/SGW更新承載的對(duì)應(yīng)的下行IP地址，GTP TEID，這里的IP和TEID都屬于從站，下行路徑切換到從站。

簡(jiǎn)而言之，option3還是option3x分流是由eNodeB決定的。

NSA的語(yǔ)音業(yè)務(wù)通過VOLTE提供，為減少對(duì)于VOLTE的影響，不論采用哪個(gè)方案，建議VOLTE相關(guān)的承載建立在eNB上。

3.NSA核心網(wǎng)部署方案要點(diǎn)

NSA是5G核心網(wǎng)建設(shè)的過渡方案，初期option3階段實(shí)際上是用4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)5G功能。對(duì)于可以實(shí)現(xiàn)5G基礎(chǔ)功能的EPC+網(wǎng)絡(luò)，功能在4G核心網(wǎng)基礎(chǔ)上有如下增強(qiáng)：

EPC到EPC+主要涉及的網(wǎng)元改點(diǎn)如下：

圖3 Opiton3分流方案

圖4 Opiton3X分流機(jī)制

（1）MME功能升級(jí)：

支持5G大帶寬的QoS定義、E-RAB修改流程、5G網(wǎng)關(guān)的選擇、Option3a/3x雙連接、獨(dú)立的統(tǒng)計(jì)和告警、4/5G用戶分流、NR接入控制

（2）GW功能升級(jí)：

Option3a/3x雙連接、高帶寬QoS支持、5G NR UE性能獨(dú)立統(tǒng)計(jì)&告警、4/5G UE分流、用戶面性能增強(qiáng)、大流量支持；

（3）HSS功能升級(jí)：

簽約擴(kuò)展，支持5G QoS定義，支持用戶不換卡不換號(hào)；

（4）PCRF功能升級(jí)：

識(shí)別4/5G UE差異并下發(fā)不同的計(jì)費(fèi)控制策略。

結(jié)合以上關(guān)鍵網(wǎng)元的功能升級(jí)要求，在NSA初期Option3x階段，需要采用現(xiàn)網(wǎng)EPC全網(wǎng)升級(jí)到EPC+的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)NSA的核心網(wǎng)部署。在此階段，通過EPC+的方式實(shí)現(xiàn)初期5G功能，對(duì)現(xiàn)網(wǎng)核心網(wǎng)無(wú)云化要求，在現(xiàn)網(wǎng)沒有云化EPC設(shè)備的情況下，通過全網(wǎng)升級(jí)MME，HSS、PCRF、每個(gè)GW POOL中選取部分GW升級(jí)，即可支持EPC+。

NSA的優(yōu)點(diǎn)為組網(wǎng)簡(jiǎn)單，改造小，投資小。缺點(diǎn)為無(wú)法實(shí)現(xiàn)全部的5G功能，也不利于后續(xù)5G的演進(jìn)（因后續(xù)5G演進(jìn)需要云化核心網(wǎng)）。

4.SA核心網(wǎng)部署方案要點(diǎn)

5GC網(wǎng)絡(luò)建設(shè)關(guān)鍵工作有以下幾點(diǎn):

電信云基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、核心網(wǎng)融合建網(wǎng)、端到端網(wǎng)絡(luò)切片

4.1 電信云基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

低時(shí)延和高帶寬需要5GC部署到分層分級(jí)的通信云，業(yè)務(wù)場(chǎng)景是影響DC規(guī)劃的關(guān)鍵因素，大體分為如下幾類：

（1）轉(zhuǎn)發(fā)極度敏感類網(wǎng)元

時(shí)延要求極高（5ms）的轉(zhuǎn)發(fā)類業(yè)務(wù)；網(wǎng)關(guān)跟隨CDN下沉到基站位置；

（2）轉(zhuǎn)發(fā)敏感類網(wǎng)元

時(shí)延要求高（5ms～20ms）的轉(zhuǎn)發(fā)類業(yè)務(wù)；用戶面跟隨CDN下沉到地市；

（3）計(jì)算敏感類網(wǎng)元

對(duì)計(jì)算要求高的相關(guān)業(yè)務(wù)（時(shí)延20ms以上）；控制面和信令面設(shè)備集中部署，提升運(yùn)維效率。

4.2 核心網(wǎng)融合建網(wǎng)

核心網(wǎng)融合建網(wǎng)的主要目的是保障4/5G切換業(yè)務(wù)連續(xù)，用戶遷移不換卡、不換號(hào)。對(duì)于核心網(wǎng)的重點(diǎn)網(wǎng)元的部署方案分析如下：

（1）MME/AMF部署方案

對(duì)于兩種方案的比較如下表所示：

（2）HSS/UDM、PCRF/PCF部署方案

涉及用戶碼號(hào)，考慮到用戶不換卡不換號(hào)，5GC用戶數(shù)據(jù)目標(biāo)方案為全云化的四融合HSS/UDM，支持2G/3G/4G/5G+IMS用戶，并在演進(jìn)部署中逐步完成用戶數(shù)據(jù)的云化遷移，從現(xiàn)有三融合HSS演進(jìn)至目標(biāo)方案，將經(jīng)歷2-3年的傳統(tǒng)網(wǎng)元與云化網(wǎng)元的混合組網(wǎng)。

5GC策略數(shù)據(jù)PCRF/PCF部署目標(biāo)方案為融合PCRF/PCF，采用云化設(shè)備組Pool容災(zāi)，PCF/PCRF與SMF/PGW-C之間的接口為服務(wù)化接口。

營(yíng)帳系統(tǒng)、DRA配合實(shí)現(xiàn)用戶平滑遷移，具體如下圖所示：

（3）DRA/HTTP Proxy部署方案

在5G網(wǎng)絡(luò)中，需要HTTP Proxy與NRF協(xié)同完成5G信令路由，DRA與HTTP Proxy分離和融合部署比較如下：

方案一：DRA/HTTP Proxy分離部署

（1）部署技術(shù)要點(diǎn)

存量DRA需升級(jí)支持HTTP連接HTTP Proxy，需新建部署HTTP Proxy，融合CRF/PCF需支持diameter連接現(xiàn)網(wǎng)DRA；

（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c接口

4個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)+4個(gè)接口，完成5G用戶信令路由尋址；

（3）尋址路徑

1→2→3→4四條路徑，開銷大。

圖5 4G核心網(wǎng)架構(gòu)

圖6 5G不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

圖7 MME/AMF部署方案

方案二：DRA/HTTP Proxy融合部署

（1）部署技術(shù)要點(diǎn)

4/5G融合信令路由節(jié)點(diǎn)可由現(xiàn)網(wǎng)DRA升級(jí)或新建部署；

（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c接口

3個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)+2個(gè)接口完成5G用戶信令路由尋址；

（3）尋址路徑

圖8 4G-5G用戶遷移

圖9 DRA/HTTP Proxy分離部署

圖10 DRA/HTTP Proxy融合部署

1→2兩條路徑，開銷小。

4.3 端到端網(wǎng)絡(luò)切片

切片（Slicing）：網(wǎng)絡(luò)切片端到端網(wǎng)絡(luò)切片使能商業(yè)創(chuàng)新，5G提供網(wǎng)絡(luò)功能和資源按需部署的能力，滿足未來(lái)垂直行業(yè)多樣化的業(yè)務(wù)需求。在云化基礎(chǔ)設(shè)施上，構(gòu)建邏輯隔離的網(wǎng)絡(luò)切片來(lái)服務(wù)于不同的業(yè)務(wù)或者垂直行業(yè)。統(tǒng)一的物理設(shè)施基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，降低了多個(gè)不同業(yè)務(wù)類型的建網(wǎng)成本。

表1 MME與AMF分離和融合部署方案比較表

可能影響切片發(fā)展的因素包括：

（1）用戶需求的豐富程度

（2）跨域和跨廠商協(xié)同情況

（3）運(yùn)營(yíng)商和用戶之間的新商業(yè)模式

（4）運(yùn)營(yíng)商的工作流變化

5.小結(jié)

在5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期，不可避免會(huì)出現(xiàn)2/3/4G核心網(wǎng)與5G核心網(wǎng)并存的場(chǎng)景，用戶在進(jìn)行4G與5G網(wǎng)絡(luò)互操作時(shí)，會(huì)在兩個(gè)核心網(wǎng)之間發(fā)生切換，很難保持業(yè)務(wù)連續(xù)性。因此5G核心網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)是需要支持2/3/4/5G融合接入，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、運(yùn)維和互操作性，保持業(yè)務(wù)連續(xù)不中斷。本文重點(diǎn)針對(duì)5G實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)面臨的關(guān)鍵問題，就5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)路徑、NSA/SA核心網(wǎng)部署的要點(diǎn)進(jìn)行分析闡述，為運(yùn)營(yíng)商建設(shè)5G核心網(wǎng)提供參考?！?/p>