面向5G的核心網演進規劃

楊旭，肖子玉，邵永平，宋小明

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面向5G的核心網演進規劃

楊旭，肖子玉，邵永平，宋小明

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

首先概述了5G標準及產業進展，梳理了5G核心網架構、主要關鍵技術及互操作架構，在此基礎上，提出了面向5G核心網的分階段演進規劃思路及部署建議，為現網引入5G核心網提供參考。

5G核心網；5GC；EPC；演進；選項

1 引言

第一個5G標準（3GPP R15版本）在2018年6月凍結，完整的5G標準（3GPP R16版本）預計將于2019年年底凍結。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（option3），第二階段在2018年中期完成5G新空口獨立組網標準（option2）和其他NSA標準（option4和option7預計會延期到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。

產品進展：大部分廠商在2018年年底開始推出基于R15的NSA/SA核心網產品，2019年年底產品逐步成熟。

圖1 3GPP 5G核心網標準進展

產業進展：全球通信發達地區主流運營商均計劃2020年前后開始商用部署5G網絡，早于2020年商用部署的均以采用NSA部署模式為主。

現有EPC（evolved packet core）網元采用傳統方式并以集中化部署在省中心為主，面向2020年5G網絡商用部署，運營商需要考慮如何基于現有EPC核心網現狀進行提前布局，引入5G核心網并使核心網平滑演進，本文將基于對5G網絡架構及主要關鍵技術的介紹，對于5G核心網引入及演進等問題進行分析并給出規劃建議。

2 5G網絡系統架構及互操作架構

與4G網絡相比，5G網絡變革主要包括SBA（service-based architecture）架構、CP/UP（控制平面與用戶平面）分離、網絡切片、支持邊緣計算等多個方面[2]。3GPP標準5G網絡SBA架構如圖2所示。

圖2 5G網絡系統架構[3]

5G網絡引入服務化功能設計，將EPC等主要網元進行解耦重構和模塊化設計，5G核心網新增網絡功能及與EPC相關網元對比見表1。

主要關鍵技術能力包括SBA架構、網絡切片、CP/UP分離以及邊緣計算，概述如下。

（1） SBA架構

5G核心網控制平面采用服務化架構，控制平面功能解耦重構為多個網絡功能，每個控制面NF細分為多個服務，網絡功能服務遵循自包含、可重用、獨立管理三原則。采用基于服務化的接口，使能每一個網絡功能能夠直接與其他網絡功能交互，3GPP已確定采用以TCP、HTTP2、JSON、OpenAPI3.0、RESTful的組合為基礎，對5G核心網協議進行標準化，N1/N2/N3/N4/N6/N9等接口仍然使用參考點接口。采用云原生及互聯網技術，能夠實現快速部署、連續集成和發布新的網絡功能和服務，且便于運營商自有或第三方業務開發。

表1 5G NF與EPC網元對比

（2） 網絡切片

網絡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、核心網、傳輸網等。網絡切片架構由基礎設施層、網絡切片層和網絡切片管理層組成。網絡切片管理架構自上而下包含三層，分別為CSMF（通信服務管理功能）、NSMF（網絡切片管理功能）、NSSMF（網絡切片子管理功能）。CSMF聚焦商業，面向垂直行業提供切片業務管理；NSMF聚焦跨域，跨域協同提供E2E切片設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計與生命周期管理。網絡切片管理功能需要跨域協同（接入網、核心網、傳輸網等），實現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網絡架構繼承4G CUPS（控制面與用戶面分離）架構，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等標準組織接納并重視，成為5G關鍵議題。邊緣計算服務垂直行業、滿足差異化應用場景，應用場景包括本地視頻業務、車聯網、物聯網和本地能力開放等。5G會話管理機制在設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據路由的本地疏導和業務連續性，定義2種支持邊緣計算的架構：UL-CL本地分流和IPV6多歸屬。

3GPP標準互操作架構如圖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任意一個系統上注冊，僅保存一套NASMM狀態；雙注冊模式終端獨立注冊在5G和4G系統，EPC與5GC保持獨立的NASMM狀態。互操作流程包括基于N26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，連接態執行切換流程，包括5GS到EPS切換和EPS到5GS切換，空閑態從5GS到EPS執行TAU流程，從EPS到5GS 執行注冊流程。對于單注冊模式建議采用基于N26接口的互操作模式，通過提前在目標網絡預留資源，能夠實現無縫的會話連續性，無N26接口的模式需要重新接入網絡和建立連接，會有秒級的業務時延及中斷。

圖3 5G與4G互操作標準架構[3]

4G和5G將在相當長的時間內共存，E-UTRAN接入EPC，NGRAN接入5G核心網，EPC與5G核心網進行互通。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互操作信息，可提前在目標網絡預留資源，接入“UDM+HSS”“PCF+PCRF”“SMF+PGW-C”“UPF+PGW-U”融合功能，實現5G和EPC核心網互操作，5G UE的會話需要錨定在5G融合核心網。

3 面向5G核心網商用部署的規劃建議

以5G商用部署為重要時間節點，將分為3個階段進行論述[5]，如圖4所示。

?? 階段1：面向5G商用的現有分組域核心網演進建議。

?? 階段2：5G核心網商用初期引入策略及建議。

?? 階段3：5G核心網部署中后期，5G核心網與EPC融合演進。

3.1 面向5G商用的分組域核心網演進策略

3.1.1 布局電信云數據中心，盡快推動現有分組域核心網云化

建議各省按照核心和邊緣兩級電信云DC進行規劃建設，以滿足未來5G UPF的分布式部署，邊緣計算設備可按需部署在更低的接入節點。

控制平面集中部署：在核心DC主要部署5G CP、MME、PCRF等控制平面網元以及HSS/UDM等數據面網元，實現更集中的控制和更靈活的網絡調度，另外還包括可在省中心集中部署或在省中心所在本地網部署的5G UPF用戶平面設備。

圖4 面向5G的核心網規劃演進策略

圖5 電信云數據中心布局示意

用戶面分布式部署：在邊緣DC主要部署5G UPF、GW-U等用戶平面網元，以實現流量快速卸載，優化流量和用戶體驗，提高網絡效率。

電信云數據中心布局示意如圖5所示。

推動網元向通用平臺、軟件化演進是功能靈活部署和編排能力的基礎，NFV作為5G的重要使能技術，需要先于5G核心網部署，并積累分組域核心網的NFV運維經驗，通過管理與編排系統，支持全局資源編排和調度。

穩步推進EPC核心網MME、SAE-GW（建議基于C/U分離進行驗證，包含GW-C和GW-U）、PCRF、CG以及HSS等主要網元的NFV云化試點驗證。試點驗證成熟后，可對于分組域核心網新增容量及老舊替換設備容量全部按照NFV云化設備形態考慮，云化vEPC核心網可以進一步平滑演進為5G融合核心網。

3.1.2 網關C/U分離，用戶平面按需下沉部署

考慮規劃期數據流量的快速發展、融合CDN下沉以及面向5G核心網的分布式部署需求，并結合省中心核心網機房資源情況及電信云規劃布局，適時調整現有核心網架構布局，網關用戶面逐步下沉至各地市，以優化數據流量流向，提升用戶體驗，為5G核心網分布式部署架構進行架構布局。3GPP R14定義的基于EPC的網關C/U分離架構如圖6所示[6]。

（1）以NFV云化方式部署

NFV云化是5G部署的前提，建議網關直接以NFV云化方式下沉部署，可以向5GC UPF平滑演進。

（2）以C/U分離方式部署

根據C/U分離廠商產品成熟度，建議直接部署C/U分離的NFV云化網元，便于向5G UPF平滑演進。

（3）分步驟下沉

為保障網絡安全及保護現有傳統設備投資，建議采用分步驟下沉方式，逐步下沉至各地市。

3.1.3 5G核心網試點驗證

3GPP R15標準作為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正式標準的5G網絡試點驗證，端到端驗證5G網絡功能和特性，為5G核心網商用做技術驗證和技術儲備。

3.2 5G核心網商用初期引入策略

圖6 3GPP定義C/U分離架構

3GPP標準定義了獨立組網（SA）和非獨立組網（NSA）兩大類部署模式[7]。基于5G整體網絡部署演進路線，從核心網角度來看，核心網有兩種部署方式選擇：如果采用option3/3a/3x部署架構[8]，需要將現網EPC升級為EPC+；如果采用其他部署架構選項（option2、option4/4a、option5、option7/7a/7x），則均需要新建5G核心網。

3.2.1 EPC升級為EPC+（可選）

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

表2 EPC核心網主設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、計費擴展等方面進行升級，升級網元包括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

3.2.2 部署5G核心網

無論是從直接部署option2獨立組網方式，還是從option3/3a/3x架構演進到option2、option7/7a/7x或option4/4a，均需要部署5G核心網。引入option2/4/5/7后整體網絡部署架構如圖8所示。

圖8 引入5G核心網后整體網絡部署架構

（1）為實現5G核心網和EPC核心網的互操作，標準中對于以下5GC網絡功能需要與EPC相應網絡功能實現融合。

?? 融合UDM/HSS：統一簽約管理，保證用戶數據一致性。

?? 融合PCF/PCRF：統一策略管理，保證策略一致性和連續性。

?? 融合SMF/PGW-C：統一會話管理錨點。

?? 融合UPF/PGW-U：統一用戶面錨點，移動錨點不變保證業務連續性。

（2）HSS與UDM用戶數據融合、PCF與PCRF實現策略面融合：以不換卡不換號為原則，涉及統一用戶數據和策略，需要考慮現網傳統HSS和PCRF設備存量全部替換和平滑過渡兩種方案，初期UDR內涉及的不同數據部署形態可分可合。具體分析見表3。

（3）升級現網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上下文，提供無縫的會話和業務連續性。隨著5G核心網與EPC的逐步融合，N26接口將逐步演變為內部接口。建議AMF/MME融合部署，能夠提升互操作效率、優化用戶體驗、共享資源、簡化運維。4G和5G將在相當長的時間內共存，有N26接口的互操作架構，可以支持4G/5G融合組網和平滑演進以及業務的平滑遷移。

表3 數據域和策略控制融合部署分析

（4）建設5G信令網，建議與DRA融合演進：3GPP規范尚未對5G核心網信令設備做明確要求，但TS23.501在不同章節提到了類似DRA的信令proxy設備必要性。3GPP已將5G控制面協議確定為HTTP2.0，使用HTTP proxy 可以實現簡化組網、負載均衡、流量控制、會話綁定和拓撲隱藏等功能。面向5G信令網部署，可采用Diameter/HTTP融合組網方式，重用當前分省級和大區級的DRA兩級組網模式，便于4G/5G信令網平滑演進。5G信令網部署分析見表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

表4 5G信令網部署分析

（5）3GPP已經明確將基于IMS提供語音業務，5G phase1不提供和2G/3G語音的直接互操作。3GPP R15不對IMS網絡進行架構上的改變，根據5G總體部署方案選擇，對現網IMS平滑演進。5G語音基于EPC部署（option3）：沿用現有4G網絡語音處理流程，IMS不需要發生任何變化。5G語音基于5GC部署（option2/4/5/7）：需要對IMS系統進行接口及功能增強，以支持VoNR。終端在5G覆蓋內使用VoNR，終端在4G覆蓋內使用VoLTE，3GPP已定義EPC和5GC之間的HO方案。IMS核心網演進支持VoNR語音如圖10所示。

圖10 IMS核心網演進支持VoNR語音

終端支持單注冊為必選要求，網絡側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之間的語音連續性，5G語音業務的連續性依賴于4G網絡VoLTE的覆蓋率。

3.3 5G核心網與EPC融合演進，實現統一核心網

隨著EPC核心網逐步云化以及傳統ATCA設備的陸續退網，核心網將會逐步平滑演進至全云化融合核心網，EPC和5G核心網能夠部署在相同的基礎設施上，vEPC可向上升級支持5GC融合功能，新建5GC向下兼容EPC融合網元功能，通過網絡切片滿足多樣化的業務場景需求，如圖11所示。

4 結束語

為滿足5G分布式部署架構，運營商應盡早開展NFV電信云基礎資源布局，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5G互操作架構，需要考慮現網HSS、PCRF設備分別和對應的5GC NF進行融合部署，需在5G商用前對于EPC主要網元進行充分的云化試點驗證，并積累vEPC現網云化運維經驗。在3GPP R15標準凍結后可積極開展5G核心網外場試點驗證，并根據頻率資源、覆蓋策略等因素確定合適的5G網絡部署架構及整體演進路線。隨著分組域核心網逐步實現NFV全云化以及5G業務的不斷發展，將最終實現統一的核心網，同時滿足多種業務需求。

圖11 5G統一核心網組網示意

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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，中國移動通信集團設計院有限公司工程師，主要研究方向為5G核心網、NFV、分組域核心網、物聯網等。

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

邵永平（1978?），男，中國移動通信集團設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、NFV、網絡和信息安全等。

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