5G核心網的部署問題與建議

聶衡/NIE Heng，趙慧玲/ZHAO Huiling，毛聰杰/ MAO Congjie

（1.中國電信股份有限公司研究院，北京 102209；2.工業和信息化部通信科技委，北京100035）

(1.China Telecom Corporation Limited Research Institute, Beijing 102209, China;2.Communications Science and Technology Commission of the Ministry of Industry and Information Technology of the People's Republic of China, Beijing 100035, China)

目前，國際標準組織已經基本完成5G核心網標準的制定，可以滿足5G 3大基礎場景之一的增強移動寬帶（eMBB）[1]的需求。5G獨立組網（SA）的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全面重構的第一步，并且它與行業深度融合滿足垂直行業終端互聯的多樣化需求[2]。相比于非獨立組網（NSA），SA網絡能夠帶來眾多的5G網絡新業務和特性，因此中國運營商目前將SA網絡作為當前的網絡建設目標。本文中，我們通過研究和分析5G SA核心網的服務化架構、網絡切片、移動邊緣計算、用戶面云化等關鍵技術，提出了當前部署5G核心網中存在的問題、挑戰，以及應對和發展建議。

1 服務化架構

5G SA核心網順應了未來電信網絡向著云化、軟件化演進的趨勢，參考了IT領域的軟件架構建設經驗（采用微服務進行組織），也將服務化架構（SBA）作為5G網絡的基礎架構來設計。5G 核心網的SBA將網絡功能（NF）進一步拆分成若干個自包含、自管理、可重用的NF服務。這些NF相互之間解耦，具備獨立升級、獨立彈性的能力，具備標準接口與其他網絡功能服務互通的能力，并根據不同的需求通過編排工具進行編排和實例化部署。考慮到5G標準的完成進度、技術成熟度等因素，5G核心網的SBA目前完成的是控制面的服務化；而用戶面的服務化是未來的建設目標，目前尚未完成。圖1為非漫游情況下5G核心網的控制面采用的SBA[3]。

可以看到，除了無線接入網（RAN）和核心網用戶面的用戶面功能（UPF）之外，所有的控制面NF都采用了SBA，這些NF對外提供一種或多種服務。

1.1 服務注冊和發現

在5G核心網的SBA下，服務通過生產者與消費者間的消息交互來提供。交互模式主要簡化為兩種：Request-Response、Subscribe-Notify，從而支持NF間按照服務化接口交互。5G核心網的各種服務采用服務自動注冊和發現機制，實現了各NF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。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服務的其他NF實例。這種注冊和發現通過5G核心網引入的新型網絡功能——網絡資源功能（NRF）來實現的，此時NRF作為生產者來提供網絡功能注冊服務。NRF接收其他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接收其他NF發來的NF發現請求，返回對應的NF實例信息。5G核心網的服務注冊、發現、通信機制具體如圖2所示。

當NF-B作為新部署的網元上線時，會將自身支持的兩個網絡功能中的服務（NFS-B1、NFS-B2）和地址注冊到NRF中。NRF維護各種NF實例的相關信息和支持的服務信息。當NF-A需要使用NF-B的某個服務時，NF-A向NRF發出NF-B的服務發現請求，獲取擁有所需服務的NF實例，然后NRF向NF-A返回所請求服務的NF實例對應的地址（包括NF-B在內），隨后NF-A向這個地址（NF-B）發起請求相應的服務。對于Request-Response模式，NF-A請求的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。對于Subscribe-Notify模式，NF-A向NF-B訂閱NF服務，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），NF-B對訂閱了該服務的NF-A發送通知并返回結果。

這種服務的自動注冊和發現機制，在大范圍組網時會面臨挑戰。例如，中國運營商習慣于按省來組織移動核心網，此時需要省內NRF來實現各個5G核心網網元的自動組網；同時又采用更高層面的全國NRF來實現跨省的5G核心網網元自動組網，如圖3所示。

圖1 5G獨立組網核心網服務化架構

圖2 5G核心網的服務注冊、發現、通信機制

圖3 NRF的組網

省NRF向所屬的全國NRF注冊NF數據，而全國NRF會有多個省的NF數據，且這些數據量很大；因此，需要減輕全國NRF負荷，但如何對數據進行聚合還不成熟。在同一個全國NRF上，多個省的數據間可能存在沖突和重復，但如何處理該情況目前也沒有規范或經驗。在有多個全國NRF的情況下，各個NRF之間如何自動發現，國際上還沒有制定符合SBA理念的標準規范。目前的全國NRF之間是同級架構，不存在服務注冊關系。

針對以上挑戰，一些運營商通過手動配置來解決。例如，對于省NRF向全國NRF注冊NF數據，可以手動在全國NRF配置所轄省NRF的NF注冊信息，并進行數據聚合。對于全國NRF之間的發現，可以手動配置全國NRF間的路由，并基于NF網元的省編號、用戶號碼段等信息來進行發現。

1.2 服務化接口

5G核心網采用統一的服務化接口協議。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，目前采用了表1所示的協議棧。

5G服務化接口協議棧在傳輸層采用了傳輸控制協議（TCP），在應用層采用HTTP/2.0[4]，在序列化協議方面采用了JSON，接口描述語言采用Open應用程序編程接口（API）3.0（API的設計方式采用RESTFul）。對于傳輸層，目前3GPP正在研究用戶數據報協議（UDP）、快速UDP網絡連接（QUIC）。如果需要保證5G網元間服務化接口通信的安全，可以通過網元開啟傳輸層的安全協議——安全傳輸層協議（TLS）來實現。作為對比，4G網絡的核心分組網演進（EPC）的控制面協議采用了傳統的電信網絡協議——Diameter和通用無線分組業務隧道控制協議（GTP-C）。

表1 5G服務化接口協議棧

可以看出，服務化接口的復雜會給5G網絡的運行指標帶來一定的挑戰。5G核心網采用SBA的接口協議棧。與傳統移動核心網的協議相比，5G核心網雖然帶來了更多的靈活性，但因為更加復雜會導致性能下降。用同樣的硬件來實現的話，處理相同的信令任務，服務化接口的處理能力相對傳統協議有所下降，協議處理時延也有所增加，這在各種測試和實驗中已經有所體現。另外，SBA的網絡變得復雜，例如，接口增多、信令增多。接口和信令的增多，再加上協議處理時延的增加，導致了5G相對于4G的任務處理時延增加。例如，從控制面看，5G網絡下的N2切換就比4G網絡下的S1切換時延要長。畢竟服務化架構的5G核心網還是新生事物，這些處理性能和時延的問題帶來的運營指標下降是暫時的。從長遠來看，可以通過優化軟件結構和代碼、不斷升級的云資源池的服務器性能來解決。

2 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。網絡切片的關鍵特征表現為：端到端、可編排、可隔離、差異化的服務等級協議（SLA）、功能模塊化。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，涉及核心網絡（控制平面和用戶平面）、無線接入網、IP承載網和傳送網等多個子域，需要多領域的協同配合。從目前來看，核心網切片的標準和設備相對比較成熟，5G核心網支持切片的選擇功能、切片的通信流程。無線網切片由于具有一定的技術難度，如何根據切片標識進行邏輯或物理資源的切分及服務質量（QoS）調度，目前不同設備廠家的進展和實現各有不同。承載網切片目前相對獨立發展，在與移動網之間跨專業的聯動/打通方面還需要進一步推進。總體上看，實現網絡端到端切片在技術上還有許多挑戰，需要做到各子域間切片的協同和對接，復雜度相當高。對這個問題，目前產業界也在逐步解決，CCSA已經成立了相關特設工作組來協調運營商、廠商等共同推進這一工作。

在5G網絡中，通過單網絡切片選擇輔助信息（S-NSSAI）來區分不同的切片，且終端、無線網、核心網都需要用到這個標識。S-NSSAI的編碼由切片服務類型（SST）和切片微分器（SD）兩部分組合而成。SST標明切片的業務類型。目前3GPP定義了4大類業務，分別為eMBB、超可靠低時延通信（URLLC）、海量機器類通信（mMTC）、車用無線通信技術（V2X），SD標明大類業務下具體的切片業務，這個可以由運營商自己基于切片業務的規劃來進行編碼管理。5G終端是切片的發起方，可以基于不同的應用（APP）來選擇對應的切片，然后在建立承載會話的過程中將S-NSSAI發給無線網、核心網，再由網絡來選擇對應的網絡切片實例，進行網絡資源的分配。

根據3GPP的設計，終端可以通過網絡切片選擇策略（NSSP）來選擇切片，NSSP可以由網絡下發給終端或配置在終端上。NSSP的信息結構示意如表2所示，包含了APP應用信息、終端操作系統（OS）的信息、切片信息等。

當前智能終端的能力不夠，對網絡提供多切片會帶來挑戰。由于智能終端和APP生態的復雜性，終端NSSP相關的標準和產業化還做得不完善。目前的智能終端無法基于不同應用選擇不同的切片，只能對所有應用都選擇同一個切片，這就限制了企業對企業對客戶（B2B2C）類切片業務的開展（畢竟這類業務主要是基于智能終端的）。對于那些只提供單一業務的政企終端（2B類應用，例如視頻監控），則沒有限制，網絡可以選擇終端請求的對應切片。針對上面智能終端的問題，業界正在從標準和產業的角度進行積極推進。

表2 網絡切片選擇策略的信息結構示意表

為了在未來能夠真正發揮出5G網絡切片的價值，需要實現切片管理域對切片的編排和管理。圖4是切片管理域的示意圖，可以看到切片管理域與切片網絡（業務域）之間的關系。

網絡切片管理域由如下功能組成：通信服務管理功能（CSMF）、網絡切片管理功能 （NSMF）、網絡子切片管理功能（NSSMF），具體包括天線接入網（RAN）子切片管理功能（AN-NSSMF）、傳輸網子切片管理功能（TN-NSSMF）和核心網子切片管理功能（CN-NSSMF）。對于云化的核心網，CN-NSSMF需要通過網絡功能虛擬化編排器（NFVO）來實現核心網切片中各個NF所需資源的創建。圖4中切片管理域里面的各個功能實體只是從單純的切片管理角度來闡述。在運營商實際的網絡中，在很多情況下這些切片管理功能并不會獨立存在，而是分散并嵌入到運營商自己的運營支撐系統（OSS）、業務支撐系統（BSS）中，并且不同的運營商的具體方案也不同，需要運營商的運維、IT、政企、網絡部門深度參與才能將切片管理域整合進這些系統中。這對運營商的系統集成能力、研發能力、運營和維護能力將是挑戰，運營商應該盡早著手來發現問題解決問題，提自身升能力。

3 移動邊緣計算

傳統集中式云計算將業務處理數據回傳至云數據中心，采用集中式數據存儲，并利用超強的計算能力來集中式解決計算和存儲問題；但在面對大帶寬、大連接、低時延的5G應用場景時有局限性。移動邊緣計算（MEC）在移動網邊緣提供IT服務環境和云計算能力，強調靠近移動用戶，以減少網絡操作和服務交付的時延，提升用戶體驗。由于4G核心網對MEC支持的能力不足，5G核心網在架構設計時就考慮了MEC的需求，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、移動性、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，支持對網絡及用戶的信息獲取和控制。5G MEC端到端系統架構如圖5所示。

圖4 切片管理域

圖5 5G移動邊緣計算端到端系統架構

圖5右側的MEC系統在5G核心網中擔任著“應用功能（AF）+數據網絡（DN）”的角色。MEC系統可以以非可信AF的角色通過“NEF到策略控制功能（PCF）到系統管理功能（SMF）”這個路徑來影響用戶面策略，或以可信AF的角色通過“PCF到SMF”這個路徑來影響用戶面策略；作為AF的一種特殊形式，MEC系統可以與5G核心網的NEF/PCF進行更多的交互，并可以調用其他的5G核心網開放能力。MEC系統和UPF之間為標準的N6連接，5G核心網控制著UPF并將指定的MEC業務分流到MEC系統中。

目前，業界對邊緣UPF與MEC系統間的關系還并不完全清晰，這會對邊緣技術的規模商用構成挑戰。從3GPP標準的系統架構上看，5G核心網中支持MEC的邊緣UPF與MEC系統之間是松耦合關系，這樣可以實現網絡與平臺的安全隔離，適應更多應用場景。在當前SMF與UPF之間的N4接口尚未完全開放的情況下，可以按照業務的需求直接部署與5G核心網SMF相同廠商的邊緣UPF。從MEC系統實際部署和資源利用效率來看，考慮到部署在邊緣的系統可能存在各種資源受限的情況，在一些情況下邊緣UPF與MEC系統間采用緊耦合會更好。這樣一來，UPF和MEC系統可以統一集成，效率相對較高；但又會面臨在MEC系統廠商與5G核心網廠商不同的情況下，邊緣UPF與5G核心網SMF之間N4接口互通的問題。對于這個問題，目前中國的運營商發起了N4接口開放合作計劃，規范了N4接口的基礎服務和部分增值服務，由此來促進邊緣UPF與SMF的解耦。由于邊緣UPF比核心的UPF簡單，并且對5G核心網主流廠家的利益觸動不大，因此，N4接口開放合作的推動難度會小很多。

4 用戶面云化

在電信設備產業云化發展的趨勢下，5G核心網UPF網元采用云化的部署，具備快速部署、位置動態調整、新業務快速使能等能力。增強現實（AR）/虛擬現實（VR）、4K/8K高清視頻、3D游戲等eMBB應用將會進一步提升用戶流量，因此5G移動用戶流量將會增速迅猛。UPF需要提供用戶流量的高速處理，需要資源池滿足轉發性能及計算能力。例如，GTP、IP轉發等對吞吐量要求高；新業務的增多導致深度報文分析（DPI）邏輯復雜、協議多樣，對計算能力的要求也變高；QoS的處理對內存消耗較大。

目前，5G核心網用戶面UPF的設備形態包括專用設備、通用服務器。專用設備的轉發效率最好，能夠以線速轉發；但無法實現分層解耦，無法被NFVI統一納管，擴容能力不靈活。通用服務器包括軟件加速方案和硬件加速方案。軟件加速方案的轉發效率不高，目前已經無法滿足大流量、低延遲的轉發需求；但其擴展性好，可通過資源池管理系統并進行統一納管。硬件加速方案的轉發效率可接近線速，但各廠商網卡類型、業務卸載方式不一，資源池難以納管，這與硬件加速當前的標準化程度還不夠、產業化成熟度不夠高有關。

因此，當前UPF的部署面臨著是否需要云化、如何云化的挑戰。UPF云化部署的方案，應該結合轉發性能、建設成本、部署環境、成熟度進行綜合考量。目前主流5G核心網廠家的大容量中心UPF以硬件加速的通用服務器為主，并采用數據平面開發套件（DPDK）和單根IO虛擬化技術（SR-IOV）加速技術。但實際上，云化部署并沒有那么成熟，需要由廠商來進行集成。只有完成硬件、虛擬化基礎設施管理（VIM）、VNF的集成部署，才能保證高轉發性能，從而提升對接、運維效率。對于邊緣UPF，轉發性能要求不高，且需要按需下沉，靈活和快速部署，靈活擴展；因此，可以考慮采用小型化、低成本的通用服務器虛擬化方案。

5 結束語

當前服務化架構5G核心網的級聯組網，可以通過NRF的手動配置來進行；接口性能問題可以通過優化軟件代碼、不斷升級的云資源池的服務器性能來逐步解決。對于網絡切片的問題，需要從標準和產業角度提升終端的多切片能力；切片管理則需要運營商提升系統集成能力、研發能力。邊緣計算需要綜合考慮邊緣UPF與MEC系統的解耦，并且推動N4接口的開放合作。根據當前的技術發展水平，中心的用戶面云化建議由廠商來進行集成，邊緣用戶面可以考慮通用服務器虛擬化方案。