5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

聶衡 趙慧玲 毛聰杰

【摘? 要】下一代5G網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)已經(jīng)基本完成R15的規(guī)范制定，基于發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)對5G核心網(wǎng)的組網(wǎng)方式，一些關(guān)鍵技術(shù)包括服務(wù)化架構(gòu)、支持邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)切片等進(jìn)行了研究，總結(jié)了5G核心網(wǎng)與傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡(luò)不同的全新架構(gòu)和技術(shù)的主要特征，分析了這些技術(shù)的應(yīng)用場景以及還存在的問題，提出了相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用和研究發(fā)展建議。

【關(guān)鍵詞】5G核心網(wǎng);服務(wù)化架構(gòu);邊緣計算;網(wǎng)絡(luò)切片

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.001? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）01-0002-05

引用格式：聶衡，趙慧玲，毛聰杰. 5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 移動通信， 2019，43（1）： 2-6.

Research on Key Technologies of 5G Core Network

NIE Heng1， ZHAO Huiling2， MAO Congjie1

（1. China Telecom Corporation Limited Beijing Research Institute， Beijing 102209， China;

2. Communication Science and Technology Commission of Ministry of Industry and Information Technology， Beijing 100804， China）

[Abstract]

The 3GPP R15 standardization for next generation 5G core network is basically accomplished. Based on the published specifications， this paper analyzed the networking mode and several key techniques including service-based architecture， supporting edge computing and network slicing. The brand new architecture and technical features that are different from the traditional mobile network are summarized. The scenarios and challenges for these new techniques are analyzed. Finally， the related technology applications and research developments are suggested.

[Key words]5G core network; service-based architecture; edge computing; network slicing

1? ?引言

目前國際標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)基本完成5G核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（3GPP R15）的制定，標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)覆蓋了5G核心網(wǎng)的基本特性，可以滿足5G三大基礎(chǔ)場景之一的eMBB（enhanced Mobile Broadband，增強(qiáng)的移動寬帶）場景[1]。R15的5G核心網(wǎng)涉及到的標(biāo)準(zhǔn)化包括：網(wǎng)絡(luò)切片、服務(wù)化架構(gòu)、支持能力開放、支持邊緣計算、接入和移動性管理、會話管理、用戶面管理、會話與業(yè)務(wù)連續(xù)性、QoS模型、策略框架、支持不可信的非3GPP接入、支持IMS、SMS over NAS服務(wù)、4G/5G互操作與演進(jìn)、認(rèn)證框架、計費等。5G核心網(wǎng)采用了與傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡(luò)不同的全新架構(gòu)和技術(shù)，開啟了傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)向IT技術(shù)全面重構(gòu)的第一步，并且與行業(yè)深度融合，滿足垂直行業(yè)終端互聯(lián)的多樣化需求。

本文研究和分析了5G核心網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，提出了相關(guān)的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展建議，可以為未來部署5G通信網(wǎng)絡(luò)來發(fā)展各種業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。

2? ?5G核心網(wǎng)的整體架構(gòu)

5G核心網(wǎng)架構(gòu)為用戶提供數(shù)據(jù)連接和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)，基于NFV和SDN等新技術(shù)，其控制面網(wǎng)元之間使用服務(wù)化的接口進(jìn)行交互。5G核心網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)主要特征如下：

（1）承載和控制分離：承載和控制可獨立擴(kuò)展和演進(jìn)，可集中式或分布式靈活部署;

（2）模塊化功能設(shè)計：可以靈活和高效地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片;

（3）網(wǎng)元交互流程服務(wù)化：按需調(diào)用，并服務(wù)可重復(fù)使用;

（4）每個網(wǎng)元可以與其他網(wǎng)元直接交互，也可通過中間網(wǎng)元輔助進(jìn)行控制面的消息路由;

（5）無線接入和核心網(wǎng)之間弱關(guān)聯(lián)：5G核心網(wǎng)是與接入無關(guān)并起到收斂作用的架構(gòu)，3GPP和非3GPP均通過通用的接口接入5G核心網(wǎng);

（6）支持統(tǒng)一的鑒權(quán)框架;

（7）支持無狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)功能，即計算資源與存儲資源解耦部署;

（8）基于流的QoS：簡化了QoS架構(gòu)，提升了網(wǎng)絡(luò)處理能力;

（9）支持本地集中部署的業(yè)務(wù)的大量并發(fā)接入，用戶面功能可部署在靠近接入網(wǎng)絡(luò)的位置，以支持低時延業(yè)務(wù)、本地業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)接入。

圖1為非漫游情況下的5G核心網(wǎng)的架構(gòu)（服務(wù)化方式）[2]：

其中5G核心網(wǎng)涉及到的主要網(wǎng)元和功能如下：

（1）AMF（接入和移動性管理功能）：負(fù)責(zé)用戶的接入和移動性管理;

（2）SMF（會話管理功能）：負(fù)責(zé)用戶的會話管理;

（3）UPF（用戶面功能）：負(fù)責(zé)用戶面處理;

（4）AUSF（認(rèn)證服務(wù)器功能）：負(fù)責(zé)對用戶的3GPP和非3GPP接入進(jìn)行認(rèn)證;

（5）PCF（策略控制控制）：負(fù)責(zé)用戶的策略控制，包括會話的策略、移動性策略等;

（6）UDM（統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理）：負(fù)責(zé)用戶的簽約數(shù)據(jù)管理;

（7）NSSF（網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能）：負(fù)責(zé)選擇用戶業(yè)務(wù)采用的網(wǎng)絡(luò)切片;

（8）NRF（網(wǎng)絡(luò)功能注冊功能）：負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)功能的注冊、發(fā)現(xiàn)和選擇;

（9）NEF（網(wǎng)絡(luò)能力開放功能）：負(fù)責(zé)將5G網(wǎng)絡(luò)的能力開放給外部系統(tǒng);

（10）AF（應(yīng)用功能）：與核心網(wǎng)互通來為用戶提供業(yè)務(wù)。

UPF屬于用戶面，除了UPF之外的5G核心網(wǎng)網(wǎng)元都屬于控制面?？刂泼婢W(wǎng)元全部都采用了服務(wù)化架構(gòu)設(shè)計，彼此之間通信采用服務(wù)化接口;用戶面繼續(xù)采用傳統(tǒng)架構(gòu)和接口?？刂泼婧陀脩裘嬷g的接口（N4）目前還是傳統(tǒng)接口，控制面和無線網(wǎng)以及控制面與終端之間也是傳統(tǒng)接口（N2和N1）。

將5G核心網(wǎng)與4G核心網(wǎng)EPC進(jìn)行比較，可以看出5G相比4G在基本功能如認(rèn)證、移動性管理、連接、路由等方面不變，但是方式和技術(shù)手段發(fā)生了變化，更加靈活。主要體現(xiàn)在：移動性管理（AMF）和會話管理（SMF）分離，AMF和SMF的部署可層級分開;承載與控制分離，UPF和SMF的部署層級也可以分開;AMF和UPF根據(jù)業(yè)務(wù)需求、信令和話務(wù)流量以及傳輸資源靈活部署;采用服務(wù)化架構(gòu)設(shè)計，網(wǎng)元功能進(jìn)行了模塊化解耦，接口進(jìn)行了簡化?？傮w上看，5C核心網(wǎng)的組網(wǎng)更加靈活，但部署靈活性也對傳輸、以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)運營管理等能力提出更高的要求。

從無線網(wǎng)與核心網(wǎng)的關(guān)系角度看，主要的方式有兩大類：SA（Standalone，獨立組網(wǎng)）和NSA（Non-Standalone，非獨立組網(wǎng)）。這兩大類又有多種具體的無線網(wǎng)與核心網(wǎng)的組合選擇（option）。對于國內(nèi)運營商近期的組網(wǎng)選擇，主要有兩種：采用option2的SA，此時5G無線網(wǎng)（NR）與5G核心網(wǎng)（5GC）直接連接;采用option3的NSA，此時NR與4G核心網(wǎng)（EPC）連接，不需要5G核心網(wǎng)，終端與NR和4G無線網(wǎng)（eNB）采用雙連接機(jī)制。如圖2所示：

option3的NSA方式核心網(wǎng)繼續(xù)采用EPC而沒有采用5GC，是5GC還沒有成熟階段的過渡方案，立足于盡快部署5G無線網(wǎng)絡(luò)。NSA方式需要終端支持在4G和5G無線之間的雙連接，這對終端也有較高的要求，并且4G和5G無線網(wǎng)需要同廠家部署。由于沒有5GC，NSA方式在業(yè)務(wù)方面只是繼承了傳統(tǒng)的移動寬帶業(yè)務(wù)。option2的SA方式采用了5GC，可以利用5GC新型的網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)能力，例如切片、支持邊緣計算等，是5GC產(chǎn)業(yè)成熟階段的目標(biāo)方案。目前不同運營商對于5G商用初期采用option2的SA還是option3的NSA有各自不同的考慮，取決于5G商用的時間點、5GC的成熟度、對5G網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)訴求等綜合因素。

當(dāng)前業(yè)界部署的EPC主要是傳統(tǒng)設(shè)備，并不具備向云化的5GC升級的能力。從EPC向5GC演進(jìn)，主要有兩種方案。一種是直接在云資源池部署5GC，傳統(tǒng)EPC隨著4G用戶逐步遷移到5G而退網(wǎng)。另一種是先在云資源池部署vEPC，滿足近期4G業(yè)務(wù)發(fā)展需求，并積累云化運營經(jīng)驗，然后適時將vEPC升級為5GC。采用哪種方案取決于運營商自身的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展規(guī)劃，并且都需要考慮EPC與5GC/vEPC如何協(xié)同組網(wǎng)。

3? ?5G核心網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1? 服務(wù)化架構(gòu)

5G核心網(wǎng)的控制面采用服務(wù)化架構(gòu)（SBA，Service Based Architecture）設(shè)計，借鑒IT系統(tǒng)服務(wù)化的理念，通過模塊化實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能間的解耦和整合，各解耦后的網(wǎng)絡(luò)功能（服務(wù)）可以獨立擴(kuò)容、獨立演進(jìn)、按需部署;各種服務(wù)采用服務(wù)注冊、發(fā)現(xiàn)機(jī)制，實現(xiàn)了各自網(wǎng)絡(luò)功能在5G核心網(wǎng)中的即插即用、自動化組網(wǎng);同一服務(wù)可以被多種NF調(diào)用，提升服務(wù)的重用性，簡化業(yè)務(wù)流程設(shè)計。關(guān)鍵技術(shù)點如下：

（1）服務(wù)的提供通過生產(chǎn)者（Producer）與消費者（Consumer）之間的消息交互來達(dá)成。交互模式簡化為兩種：Request-Response、Subscribe- Notify，從而支持NF之間按照服務(wù)化接口交互，如圖3和4所示。

1）Request-Response模式下，NF_A（網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)消費者）向NF_B（網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)生產(chǎn)者）請求特定的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)，服務(wù)內(nèi)容可能是進(jìn)行某種操作或提供一些信息;NF_B根據(jù)NF_A發(fā)送的請求內(nèi)容，返回相應(yīng)的服務(wù)結(jié)果。

2）Subscribe-Notify模式下，NF_A（網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)消費者）向NF_B（網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)生產(chǎn)者）訂閱網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)。NF_B對所有訂閱了該服務(wù)的NF發(fā)送通知并返回結(jié)果。消費者訂閱的信息可以是按時間周期更新的信息，或特定事件觸發(fā)的通知（例如請求的信息發(fā)生更改、達(dá)到了閾值等）。

（2）實現(xiàn)了服務(wù)的自動化注冊和發(fā)現(xiàn)。NF通過服務(wù)化接口，將自身的能力作為一種服務(wù)暴露到網(wǎng)絡(luò)中，并被其他NF復(fù)用;NF通過服務(wù)化接口的發(fā)現(xiàn)流程，獲取擁有所需NF服務(wù)的其它NF實例。這種注冊和發(fā)現(xiàn)是通過5G核心網(wǎng)引入的新型網(wǎng)絡(luò)功能NRF來實現(xiàn)的：NRF接收其它NF發(fā)來的服務(wù)注冊信息，維護(hù)NF實例的相關(guān)信息和支持的服務(wù)信息;NRF接收其它NF發(fā)來的NF發(fā)現(xiàn)請求，返回對應(yīng)的NF示例信息。

（3）采用統(tǒng)一服務(wù)化接口協(xié)議。R15階段在設(shè)計接口協(xié)議時，考慮了適應(yīng)IT化、虛擬化、微服務(wù)化的需求，目前定義的接口協(xié)議棧從下往上在傳輸層采用了TCP，在應(yīng)用層采用HTTP/2.0[3]，在序列化協(xié)議方面采用了JSON，接口描述語言采用OpenAPI3.0，API的設(shè)計方式采用RESTFul。

可以看出，目前5G核心網(wǎng)采用服務(wù)化架構(gòu)的接口協(xié)議棧與傳統(tǒng)移動核心網(wǎng)的協(xié)議相比，變得更加復(fù)雜。用同樣的硬件來實現(xiàn)的話，其性能相對傳統(tǒng)協(xié)議是下降的，因此需要通過高性能的云資源來抵消接口性能的損失。對于服務(wù)化架構(gòu)的自動化組網(wǎng)，目前能力也還不完善，例如在容災(zāi)和過載控制方面和在多NRF級聯(lián)方面。這都需要在標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)行進(jìn)一步的推動和研究，在實際網(wǎng)絡(luò)部署和運營中也需要加以注意。

3.2? 支持邊緣計算

相比于4G核心網(wǎng)對邊緣計算（Edge Computing）支持能力不足而帶來種種問題，5G核心網(wǎng)在架構(gòu)中就考慮了支持邊緣計算需求，在網(wǎng)絡(luò)層面和能力開放層面都支持邊緣計算。在網(wǎng)絡(luò)層面，5G核心網(wǎng)支持多種靈活的本地分流機(jī)制、支持移動性、支持計費和QoS以及合法監(jiān)聽。在能力開放層面，5G核心網(wǎng)支持APP路由引導(dǎo)、支持對未網(wǎng)絡(luò)及用戶的信息獲取和控制。對于本地分流機(jī)制，5G核心網(wǎng)支持如下幾種：

（1）上行分類器UL-CL（Uplink Classifier）：可以基于目的地址進(jìn)行本地分流

UL-CL的機(jī)制如圖5所示。

根據(jù)邊緣計算業(yè)務(wù)需求，當(dāng)UE移動到某個位置 時SMF插入本地的UPF進(jìn)行分流，UPF根據(jù)SMF下發(fā)的分流規(guī)則（Uplink Classifier）過濾上行數(shù)據(jù)包IP地址，將符合規(guī)則的數(shù)據(jù)包分流到本地DN。UL-CL機(jī)制下UE只有一個IP地址，不感知數(shù)據(jù)分流，對UE沒有特別要求。

（2）IPv6多歸屬（IPv6 Multi-homing）：基于源地址進(jìn)行本地分流

IPv6 Multi-homing的機(jī)制如圖6所示：

此機(jī)制利用了IPv6多歸屬的特性，將UE的一個IPv6地址用于邊緣計算業(yè)務(wù)。SMF根據(jù)UE位置選擇本地的共同UPF（Branching Point）進(jìn)行分流，不同的IP錨點通過這個Branching Point UPF實現(xiàn)用戶面路徑的分離。Branching Point UPF根據(jù)SMF下發(fā)的分流規(guī)則過濾上行數(shù)據(jù)包源IP地址，符合規(guī)則的數(shù)據(jù)包分流到本地DN。IPv6 Multi-homing機(jī)制下UE需要支持IPv6 Multi-homing，一個PDU會話分配兩個IPv6前綴，并且UE能感知并控制數(shù)據(jù)分流。

（3）本地區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)（LADN，Local Area Data Network）：基于特定的DNN進(jìn)行本地分流

LADN機(jī)制與前面兩種不同，需要UE建立新的PDU會話接入本地DN來用于邊緣計算業(yè)務(wù)。UE在5G核心網(wǎng)注冊成功后，AMF告知UE其LADN信息（服務(wù)區(qū)域、LADN DNN）。UE移動到LADN服務(wù)區(qū)域內(nèi)時發(fā)起PDU會話，SMF根據(jù)UE的位置選擇本地UPF，將會話路由到LADN。UE離開區(qū)域后SMF發(fā)起會話釋放。LADN機(jī)制下UE需要支持LADN，并且能感知并控制數(shù)據(jù)分流。

5G核心網(wǎng)支持邊緣計算的分流機(jī)制提供了多種靈活的方式，每種方式有其特點和對網(wǎng)絡(luò)和終端的能力要求。在提供5G網(wǎng)絡(luò)的邊緣計算服務(wù)時，需要根據(jù)技術(shù)的成熟度、終端的能力、對網(wǎng)絡(luò)的影響、運營成本等多方面綜合考慮來選擇合適的方案。另外，由于邊緣計算需要將5G核心網(wǎng)的UPF盡量下沉以滿足業(yè)務(wù)時延、服務(wù)覆蓋范圍等要求，運營商部署邊緣計算能力時需要結(jié)合自身網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的DC化改造進(jìn)程，選擇具備能力的相應(yīng)層級的數(shù)據(jù)中心。

3.3? 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片是5G網(wǎng)絡(luò)的重要使能技術(shù)，實現(xiàn)了基于業(yè)務(wù)場景按需來定制網(wǎng)絡(luò)，不同的網(wǎng)絡(luò)切片之間可共享資源也可以相互隔離。網(wǎng)絡(luò)切片是端到端的邏輯子網(wǎng)，涉及核心網(wǎng)絡(luò)（控制平面和用戶平面）、無線接入網(wǎng)、IP承載網(wǎng)和傳送網(wǎng)，需要多領(lǐng)域的協(xié)同配合。目前來看，核心網(wǎng)切片的標(biāo)準(zhǔn)相對進(jìn)展更快，5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和終端支持切片的功能、流程基本完成，但是切片管理還不完善。無線網(wǎng)切片由于具有一定的技術(shù)難度，業(yè)界還在進(jìn)行技術(shù)和方案研究。承載網(wǎng)切片目前相對獨立發(fā)展，缺乏與移動網(wǎng)跨專業(yè)間的聯(lián)動/打通。

5G切片的定制和自動化部署是通過切片管理來完成的[4]，網(wǎng)絡(luò)切片管理架構(gòu)如圖7所示：

網(wǎng)絡(luò)切片管理架構(gòu)包括通信業(yè)務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)切片管理、網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理。其中通信業(yè)務(wù)管理功能（CSMF）實現(xiàn)業(yè)務(wù)需求到網(wǎng)絡(luò)切片需求的映射;網(wǎng)絡(luò)切片管理功能（NSMF）實現(xiàn)切片的編排管理，并將整個網(wǎng)絡(luò)切片的SLA分解為不同切片子網(wǎng)（如核心網(wǎng)切片子網(wǎng)、無線網(wǎng)切片子網(wǎng)和承載網(wǎng)切片子網(wǎng)）的SLA;網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理功能（NSSMF）實現(xiàn)將SLA映射為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實例和配置要求，并將指令下達(dá)給MANO，通過MANO進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源編排。對于承載網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度，將通過與承載網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的協(xié)同來實現(xiàn)。

可以看出，切片是在NFV/SDN之上的一種業(yè)務(wù)，其運維難易程度與NFV/SDN技術(shù)的成熟度是相關(guān)的，因此需要盡快促進(jìn)NFV/SDN技術(shù)的落地和運營。鑒于5G網(wǎng)絡(luò)端到端的切片還不成熟，當(dāng)前需要加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)切片的設(shè)計、編排以及管理方面的研究，例如網(wǎng)絡(luò)切片管理/網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理與MANO的相互協(xié)同[5]、切片管理與OSS/BSS的融合、切片的跨專業(yè)（核心網(wǎng)、無線、承載）協(xié)同。由于任何UE都需要在網(wǎng)絡(luò)切片框架下使用5G網(wǎng)絡(luò)，在初期可以先提供簡單的eMBB核心網(wǎng)切片，掌握5G網(wǎng)絡(luò)的基本運營能力，然后再逐步細(xì)分切片，面向垂直市場打造行業(yè)切片，提供差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，充分挖掘切片的商業(yè)價值。

4? ?結(jié)束語

下一代5G通信網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)基本完成，本文基于發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)研究了5G核心網(wǎng)的幾大關(guān)鍵技術(shù)和其特征，包括：服務(wù)化架構(gòu)、支持邊緣計算、網(wǎng)絡(luò)切片，對SA和NSA進(jìn)行了比較，分析了5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)特點和應(yīng)用場景，并且研究了還存在的問題和限制，提出了相關(guān)的技術(shù)研究和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展建議，可為5G核心網(wǎng)技術(shù)的后續(xù)發(fā)展和完善發(fā)展、部署和運營提供參考。

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