5G核心網關鍵技術研究

聶衡 趙慧玲 毛聰杰

【摘? 要】下一代5G網絡的核心網已經基本完成R15的規范制定，基于發布的標準對5G核心網的組網方式，一些關鍵技術包括服務化架構、支持邊緣計算、網絡切片等進行了研究，總結了5G核心網與傳統移動網絡不同的全新架構和技術的主要特征，分析了這些技術的應用場景以及還存在的問題，提出了相關的技術應用和研究發展建議。

【關鍵詞】5G核心網;服務化架構;邊緣計算;網絡切片

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

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）01-0002-05

引用格式：聶衡，趙慧玲，毛聰杰. 5G核心網關鍵技術研究[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

目前國際標準組織已經基本完成5G核心網標準（3GPP R15）的制定，標準已經覆蓋了5G核心網的基本特性，可以滿足5G三大基礎場景之一的eMBB（enhanced Mobile Broadband，增強的移動寬帶）場景[1]。R15的5G核心網涉及到的標準化包括：網絡切片、服務化架構、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、會話與業務連續性、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、4G/5G互操作與演進、認證框架、計費等。5G核心網采用了與傳統移動網絡不同的全新架構和技術，開啟了傳統電信網絡向IT技術全面重構的第一步，并且與行業深度融合，滿足垂直行業終端互聯的多樣化需求。

本文研究和分析了5G核心網的關鍵技術，提出了相關的技術和網絡發展建議，可以為未來部署5G通信網絡來發展各種業務提供技術支撐。

2? ?5G核心網的整體架構

5G核心網架構為用戶提供數據連接和數據業務服務，基于NFV和SDN等新技術，其控制面網元之間使用服務化的接口進行交互。5G核心網系統架構主要特征如下：

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

（2）模塊化功能設計：可以靈活和高效地進行網絡切片;

（3）網元交互流程服務化：按需調用，并服務可重復使用;

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

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

（6）支持統一的鑒權框架;

（7）支持無狀態的網絡功能，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，提升了網絡處理能力;

（9）支持本地集中部署的業務的大量并發接入，用戶面功能可部署在靠近接入網絡的位置，以支持低時延業務、本地業務網絡接入。

圖1為非漫游情況下的5G核心網的架構（服務化方式）[2]：

其中5G核心網涉及到的主要網元和功能如下：

（1）AMF（接入和移動性管理功能）：負責用戶的接入和移動性管理;

（2）SMF（會話管理功能）：負責用戶的會話管理;

（3）UPF（用戶面功能）：負責用戶面處理;

（4）AUSF（認證服務器功能）：負責對用戶的3GPP和非3GPP接入進行認證;

（5）PCF（策略控制控制）：負責用戶的策略控制，包括會話的策略、移動性策略等;

（6）UDM（統一數據管理）：負責用戶的簽約數據管理;

（7）NSSF（網絡切片選擇功能）：負責選擇用戶業務采用的網絡切片;

（8）NRF（網絡功能注冊功能）：負責網絡功能的注冊、發現和選擇;

（9）NEF（網絡能力開放功能）：負責將5G網絡的能力開放給外部系統;

（10）AF（應用功能）：與核心網互通來為用戶提供業務。

UPF屬于用戶面，除了UPF之外的5G核心網網元都屬于控制面。控制面網元全部都采用了服務化架構設計，彼此之間通信采用服務化接口;用戶面繼續采用傳統架構和接口。控制面和用戶面之間的接口（N4）目前還是傳統接口，控制面和無線網以及控制面與終端之間也是傳統接口（N2和N1）。

將5G核心網與4G核心網EPC進行比較，可以看出5G相比4G在基本功能如認證、移動性管理、連接、路由等方面不變，但是方式和技術手段發生了變化，更加靈活。主要體現在：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根據業務需求、信令和話務流量以及傳輸資源靈活部署;采用服務化架構設計，網元功能進行了模塊化解耦，接口進行了簡化。總體上看，5C核心網的組網更加靈活，但部署靈活性也對傳輸、以及網絡規劃、網絡運營管理等能力提出更高的要求。

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

option3的NSA方式核心網繼續采用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無線網絡。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無線網需要同廠家部署。由于沒有5GC，NSA方式在業務方面只是繼承了傳統的移動寬帶業務。option2的SA方式采用了5GC，可以利用5GC新型的網絡和業務能力，例如切片、支持邊緣計算等，是5GC產業成熟階段的目標方案。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網絡的業務訴求等綜合因素。

當前業界部署的EPC主要是傳統設備，并不具備向云化的5GC升級的能力。從EPC向5GC演進，主要有兩種方案。一種是直接在云資源池部署5GC，傳統EPC隨著4G用戶逐步遷移到5G而退網。另一種是先在云資源池部署vEPC，滿足近期4G業務發展需求，并積累云化運營經驗，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務和網絡發展規劃，并且都需要考慮EPC與5GC/vEPC如何協同組網。

3? ?5G核心網的關鍵技術

3.1? 服務化架構

5G核心網的控制面采用服務化架構（SBA，Service Based Architecture）設計，借鑒IT系統服務化的理念，通過模塊化實現網絡功能間的解耦和整合，各解耦后的網絡功能（服務）可以獨立擴容、獨立演進、按需部署;各種服務采用服務注冊、發現機制，實現了各自網絡功能在5G核心網中的即插即用、自動化組網;同一服務可以被多種NF調用，提升服務的重用性，簡化業務流程設計。關鍵技術點如下：

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

1）Request-Response模式下，NF_A（網絡功能服務消費者）向NF_B（網絡功能服務生產者）請求特定的網絡功能服務，服務內容可能是進行某種操作或提供一些信息;NF_B根據NF_A發送的請求內容，返回相應的服務結果。

2）Subscribe-Notify模式下，NF_A（網絡功能服務消費者）向NF_B（網絡功能服務生產者）訂閱網絡功能服務。NF_B對所有訂閱了該服務的NF發送通知并返回結果。消費者訂閱的信息可以是按時間周期更新的信息，或特定事件觸發的通知（例如請求的信息發生更改、達到了閾值等）。

（2）實現了服務的自動化注冊和發現。NF通過服務化接口，將自身的能力作為一種服務暴露到網絡中，并被其他NF復用;NF通過服務化接口的發現流程，獲取擁有所需NF服務的其它NF實例。這種注冊和發現是通過5G核心網引入的新型網絡功能NRF來實現的：NRF接收其它NF發來的服務注冊信息，維護NF實例的相關信息和支持的服務信息;NRF接收其它NF發來的NF發現請求，返回對應的NF示例信息。

（3）采用統一服務化接口協議。R15階段在設計接口協議時，考慮了適應IT化、虛擬化、微服務化的需求，目前定義的接口協議棧從下往上在傳輸層采用了TCP，在應用層采用HTTP/2.0[3]，在序列化協議方面采用了JSON，接口描述語言采用OpenAPI3.0，API的設計方式采用RESTFul。

可以看出，目前5G核心網采用服務化架構的接口協議棧與傳統移動核心網的協議相比，變得更加復雜。用同樣的硬件來實現的話，其性能相對傳統協議是下降的，因此需要通過高性能的云資源來抵消接口性能的損失。對于服務化架構的自動化組網，目前能力也還不完善，例如在容災和過載控制方面和在多NRF級聯方面。這都需要在標準組織進行進一步的推動和研究，在實際網絡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核心網對邊緣計算（Edge Computing）支持能力不足而帶來種種問題，5G核心網在架構中就考慮了支持邊緣計算需求，在網絡層面和能力開放層面都支持邊緣計算。在網絡層面，5G核心網支持多種靈活的本地分流機制、支持移動性、支持計費和QoS以及合法監聽。在能力開放層面，5G核心網支持APP路由引導、支持對未網絡及用戶的信息獲取和控制。對于本地分流機制，5G核心網支持如下幾種：

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

UL-CL的機制如圖5所示。

根據邊緣計算業務需求，當UE移動到某個位置 時SMF插入本地的UPF進行分流，UPF根據SMF下發的分流規則（Uplink Classifier）過濾上行數據包IP地址，將符合規則的數據包分流到本地DN。UL-CL機制下UE只有一個IP地址，不感知數據分流，對UE沒有特別要求。

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

IPv6 Multi-homing的機制如圖6所示：

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

（3）本地區域數據網（LADN，Local Area Data Network）：基于特定的DNN進行本地分流

LADN機制與前面兩種不同，需要UE建立新的PDU會話接入本地DN來用于邊緣計算業務。UE在5G核心網注冊成功后，AMF告知UE其LADN信息（服務區域、LADN DNN）。UE移動到LADN服務區域內時發起PDU會話，SMF根據UE的位置選擇本地UPF，將會話路由到LADN。UE離開區域后SMF發起會話釋放。LADN機制下UE需要支持LADN，并且能感知并控制數據分流。

5G核心網支持邊緣計算的分流機制提供了多種靈活的方式，每種方式有其特點和對網絡和終端的能力要求。在提供5G網絡的邊緣計算服務時，需要根據技術的成熟度、終端的能力、對網絡的影響、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核心網的UPF盡量下沉以滿足業務時延、服務覆蓋范圍等要求，運營商部署邊緣計算能力時需要結合自身網絡設施的DC化改造進程，選擇具備能力的相應層級的數據中心。

3.3? 網絡切片

網絡切片是5G網絡的重要使能技術，實現了基于業務場景按需來定制網絡，不同的網絡切片之間可共享資源也可以相互隔離。網絡切片是端到端的邏輯子網，涉及核心網絡（控制平面和用戶平面）、無線接入網、IP承載網和傳送網，需要多領域的協同配合。目前來看，核心網切片的標準相對進展更快，5G核心網網絡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。無線網切片由于具有一定的技術難度，業界還在進行技術和方案研究。承載網切片目前相對獨立發展，缺乏與移動網跨專業間的聯動/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]，網絡切片管理架構如圖7所示：

網絡切片管理架構包括通信業務管理、網絡切片管理、網絡切片子網管理。其中通信業務管理功能（CSMF）實現業務需求到網絡切片需求的映射;網絡切片管理功能（NSMF）實現切片的編排管理，并將整個網絡切片的SLA分解為不同切片子網（如核心網切片子網、無線網切片子網和承載網切片子網）的SLA;網絡切片子網管理功能（NSSMF）實現將SLA映射為網絡服務實例和配置要求，并將指令下達給MANO，通過MANO進行網絡資源編排。對于承載網絡的資源調度，將通過與承載網絡管理系統的協同來實現。

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

4? ?結束語

下一代5G通信網絡的核心網標準已經基本完成，本文基于發布的標準研究了5G核心網的幾大關鍵技術和其特征，包括：服務化架構、支持邊緣計算、網絡切片，對SA和NSA進行了比較，分析了5G核心網關鍵技術特點和應用場景，并且研究了還存在的問題和限制，提出了相關的技術研究和網絡發展建議，可為5G核心網技術的后續發展和完善發展、部署和運營提供參考。

參考文獻：

[1] ITU-R， Recommendation ITU-R M.2083-0. IMT Vision-Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[R]. 2015.

[2] 3GPP TS 23.501 V15.3.0. System Architecture for the 5G System; Stage 2 （Release 15）[S]. 2018.

[3] 3GPP TS 29.500 V15.1.0. Technical Realization of Service Based Architecture; Stage 3 （Release 15）[S]. 2018.

[4] 3GPP TS 28.530 V15.0.0. Management and orchestration; Concepts， use cases and requirements （Release 15）[S]. 2018.

[5] 中國電信集團有限公司. 中國電信5G技術白皮書[S]. 2018.