5G核心網演進和特點探討

陳光燦

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

自4G技術以來，5G技術被提出并得到飛速發展，其發展和衍生為人們的生產與生活提供了新的發展環境，便捷的網絡也催生了新的服務方式。在新的產業與服務方法發展中，對5G核心網絡建設的負反饋要求進一步提高[1]。以5G核心網接入系統而言，在當前發展中需要在提高接入效果的同時不斷降低其復雜程度。另外5G網絡建設中還希望實現用戶應用界面和5G網絡控制平臺之間的有效分離，這樣能夠保證商務中5G網絡的獨立使用，這必將成為未來5G發展的又一重要方向。

1 5G核心網架構介紹

3GPP在2017年12月基于當前5G網絡建設發展現狀提出了其架構標準，該標準是基于非獨立組網（Non-Standalone，NSA）提出的，這也是關于5G全功能完整版標準的首次正式出臺。在2018年6月發布了基于獨立組網（Standalone，SA）架構的5G標準版，R15也正式開始完成標準凍結，該標準中要求5G網絡應用于增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）場景。隨著5G網絡發展，R16作為下一標準將于2020年7月執行凍結，在R15的基礎上進行增強，包括人工智能增強、多接入增強、系統架構持續演進以及針對垂直行業應用的增強，該SA版本中希望能夠適應多種應用場景。面向5G的核心網目標架構如圖1所示。

圖1 面向5G的核心網目標架構

在5G核心網不斷發展中融入新思想和新技術，包括NFV思想、云計算思想、SDN思想以及邊緣計算技術、支持網絡切片技術等，將服務化架構應用于控制面，采用虛擬化的最優實現方式，最終希望在NFVI資源池背景下促進核心網云化安排部署[2]。

1.1 4/5G網絡架構區別

4G系統網絡架構如圖2所示，其核心網呈現集中化，接入網呈現扁平化。4G網絡中包含不同功能模塊，并且不同模塊之間通過點對點通信進行連接，網絡用戶面設備轉發和控制一體化，不同通信設備之間強耦合。

圖2 4G系統架構圖

5G系統網絡架構如圖3所示，為進一步提升5G網絡功能的靈活適配，在5G網絡中引入服務能力。5G網絡中的核心網將轉發和控制分離開，這樣進一步提升了其網絡架構的扁平化，數據的轉化也更加高效。同樣5G網絡為實現無線資源的集中管控，還在5G網絡的接入網中實現分布單元（Distribute Unit，DU）和集中單元（Central Unit，CU）的分離[3]。

圖3 5G系統架構圖

1.2 網元功能

5G核心網和4G核心網相比，核心網的網元基本功能并沒有發生較大轉變，但是在實現方式及技術手段方面進行了極大升級，使得功能實現更加靈活方便。

2 5G核心網絡演進方向

2.1 NSA與SA組網架構

目前SA和NSA兩種方式能夠應用于5G網絡組網，在未來發展中也必將不斷完善。非獨立組網模式的發展應用了傳統4G基礎設備和核心網軟件構架，基于傳統進行5G網絡的部署，在4G網絡的基礎上能夠更加快速便捷地構建5G網絡。基于非獨立組網模式構建的5G網絡控制信令傳輸仍然通過原4G網絡進行，并且其僅承載用戶數據[4]。NSA與SA的組網情況如圖4、圖5以及圖6所示。

圖4 基于4G核心網的NSA架構

圖5 基于5G核心網的NSA架構

圖6 基于SA的組網架構

獨立組網模式下的5G網絡建設屬于新建5G網絡，脫離了原始4G基站的束縛，主要包括核心網、新基站以及回程鏈路。基于獨立組網模式的新建5G網絡實現了由EPC向5G網絡的過渡與轉變。獨立組網模式的關鍵核心技術是虛擬化技術，為滿足5G應用要求還在其中引入了切片、子切片以及MANO管理功能，保證最終的5G網絡能夠滿足商業化背景下垂直行業的差異化需求[5]。

2.1.1 非獨立組網模式架構特點

基于4G核心網的非獨立組網模式需要在4G基站基礎上完善控制面，在終端實現雙連接。為實現功能僅需要在核心網建設中進行較少調整，但是基站需要進行調整和升級操作，因為5G基站和4G基站相比需要更新MEC及網絡切片等。同樣5G核心網的非獨立組網模式是在4G基站技術上進行升級的，在升級中需要考慮5G網絡建設的實際需求，保證其支持5G協議，優化網絡切片和MEC，在終端執行雙連接。

2.1.2 獨立組網模式架構

在5GC中直接接入5G NR，以此保證5G和4G之間的切換。在這種組網模式下終端不需要進行雙連接，不需要較多的4G核心網升級操作，甚至可以實現5G基站和4G基站之間的異廠家通用，而且對于MEC和網絡切片的要求也相對較低。

通過前面對獨立組網模式和非獨立組網模式的分析能夠發現，與非獨立組網模式相比，獨立組網模式更具優勢，因此我國運營商在5G網絡發展中更加傾向于采用獨立組網方式[6]。

2.2 核心網演進階段

前面分析已經指出，由于SA獨立組網模式具有較大的優勢，因此眾多運營商選擇SA架構作為最常用的網絡架構方式，但部分運營商在先期建網選擇時仍采用NSA架構模式。分析整個核心網的發展，將其主要集中在3個階段。

2.2.1 5G NSA商用階段，5G CSA試商用

需要對當前4G網絡的EPC進行全網升級，以保證其能夠支持5GC NSA功能，并且能夠支持NSA終端和4G網絡終端的接入。試點城市開始進行5G CSA網絡建設，建設完成之后的網絡能夠有效支持N26接口，以此滿足4G網絡和5G網絡互操作的實際需求[7]。

2.2.2 5G CSA規模商用

SA規模商用是未來5G網絡發展的最終需求，目前由部分省份開始執行規模商用網絡的建設，在承載原有4G網絡用戶的基礎上進行一定的用戶擴容。

2.2.3 4/5G融合核心網

融合核心網承載全網4/5G用戶，原有EPC可逐漸退網。

3 5G核心網在邏輯層面上的演進特性

3.1 接入獨立網絡

在傳統4G網絡建設中5G網絡出現并且不斷演進，5G核心網逐漸實現了獨立網絡接入，這樣有效滿足了外接技術和5G網絡技術之間的融合，最終建立起了完善的網絡形式，這也成為5G網絡技術演進核心特點之一。5G網絡在發展中可以采用非獨立組網模式的信令機制，結合特殊的服務指令最終得到有效的非接入層信令，這樣有效規避了傳統4G網絡中面向連接機制中的缺陷問題，對這種模式下新建的5G網絡而言，快捷性及靈活性均得到了極大提高，信令成本由此降低，超低延時也能夠在該技術背景下實現[8]。

3.2 分布式網絡構架

為解決傳統網絡模式下的流量適用效率低的難題，分布式網絡架構出現并衍生，成為了一種具有明顯優勢的新型網絡架構模式。這種分布式網絡架構模式在IP網絡邊緣地帶同時設置eUCEs和CGWs，在該網絡架構下結合5G核心技術和動態錨機制實現分布移動式管理，eUCE的主要功能是實現流量信息向CGW和網絡基站上的傳遞，這樣能夠實現最小時延以及最佳流量路徑，5G網絡的流量適用效率大大提高，網速得以提升。傳統異構網絡架構的流量主要匯聚在錨點當中，而5G網絡運營模式不同，其采用動態錨實現流量的靈活分布，流量流通效率由此得到有效提升。

3.3 靈活移動性的演進

傳統靜態錨機制主要采用PGW實現移動終端和網絡基站之間的科學連接，如果用戶的信號傳輸通道受阻或者是和基站距離較遠的時候，PGW狀態不能夠在相近時間內出現波動與變化，這就可能導致用戶終端網絡降低，網絡靈活性在5G網絡發展演進中得到充分體現。動態錨機制的主要作用是實現用戶移動終端和網絡之間的動態連接，這樣能夠保證用戶在實際網絡使用中能根據實際情況和用戶狀態進行變更，選擇最優連接方法，并且快速實現不同網絡通道切換，用戶流暢性極大提升，網絡流量資源得到極大節約[9]。

3.4 基于原生云設計的NFV和SDN架構

3.4.1 微服務架構

充分借助微服務中的松耦合狀態，這種耦合狀態保障了云網絡中網絡程序的模塊化復制，針對于不同的服務需求和服務類型還能夠進行平臺場景的實時刪減與增添，這樣利用較小的幅度就能夠實現對整體應用程序的優化和更新。微服務架構的研發和應用能夠極大縮短5G核心網的演進時間與進程，在核心網開發演進中的作用逐漸凸顯。

3.4.2 容器化

軟件打包的研究開發中引入了碼頭集裝箱應用方法，通過密封的容器對軟件程序進行處理，并且打包發送，這樣有效提升了程序的裝卸效率及數據下載效率。另外采用DevOps高速自動化系統實現對微服務的科學有效管理，這樣能夠有效保障5G服務技術的高速建立和使用，對5G核心網生命力的提升也具有關鍵作用。最后是動態編排，通過容器系統加強對網絡資源的科學分配和數據的動態管理，對于網絡資源應用而言能夠實現最優化，另外在集成容器中使用API接口，以此拓展5G演進。

3.4.3 DevOps

通過DevOps能夠保證開發的產品以更快的速度上線，同時也能夠保證更快的運維速度。由開發人員及運維人員發布包括微服務在內的服務，更有效地創造環境和文化，對于服務發布而言能夠更加頻繁、快速以及可靠，運作效率也必將由此提高。

3.4.4 動態編排

動態編排的主要作用是容器的管理與調度，通過這種方式實現對資源的優化與利用。容器編排系統負責管理分配調度容器、主機資源、重新調度容器（如果失敗）以及實例化一組容器，并通過API接口集成容器，進行任務擴展等[10]。

4 結 論

和傳統的網絡制式相比，5G核心網的開發具有戰略性的關鍵意義。通過對5G核心網的優化和創新能夠有效降低網絡時延，同時還能夠提高網絡流量。為實現5G網絡的科學發展，技術人員必須加強5G核心網發展，進行優化和創新并提高其普適性。