5G核心網規劃建設的挑戰及策略

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd, Beijing 100080, China)

1 5G標準和產業進展

3GPP 5G標準R15版本聚焦增強移動寬帶（eMBB）業務，主要定義了5G全新網絡架構，包括網絡切片、服務化架構、邊緣計算架構、移動性管理、會話管理分離和基于流粒度的服務質量（QoS）設計等。R15定義了與網絡部署相關的3大網絡架構：基于4G核心網（EPC）的新空口（NR）雙連接架構——R15 NR非獨立組網（NSA）、基于5G核心網的獨立組網架構——R15 NR獨立組網（SA）以及基于5G核心網的NR-LTE/LTENR雙連接架構（R15 Late Drop）。R15 NR NSA和R15 NR SA的標準均已于2017年12月和2018年6月凍結；R15 Late Drop版本也已于2019年3月凍結。

3GPP 5G標準R16和R17版本聚焦垂直行業應用。R16版本標準主要包括增強超可靠低時延通信（URLLC）、增強車用無線通信技術（eV2X）、物聯網（IoT）支持和演進、5G局域網、5G定位和位置服務、網絡自動化等。R16標準預計于2020年6月凍結。5G R16標準完成后，基于R16及后續的R17的5G核心網才真正能夠實現eMBB、URLLC、海量大連接（mIoT）3大場景網絡能力，全面支撐5G面向垂直行業的發展。

2 5G核心網規劃建設面臨的挑戰

2.1 5G NSA和SA的選擇

目前R15 NSA和SA架構是標準及產業成熟度較高的兩種架構，如圖1所示。其中，NSA架構采用4G EPC增強控制5G NR，以支持終端雙連接；SA架構采用全新5G服務化核心網架構。2019年已商用的5G網絡主要采用NSA技術架構，該方案的優勢是5G先發部署。建網初期，在5G覆蓋不足的情況下，采用NSA架構可充分發揮4G/5G協同優勢，由LTE基站保證用戶流量的承載。由于采用和4G共用EPC核心網，對于沒有簽約的5G NSA終端，只要網絡歸屬簽約用戶服務器（HSS）/增強移動性管理實體（MME+）默認允許NSA接入，在5G NR覆蓋區的用戶可以建立至NR的5G承載，接入5G網絡體驗5G業務。

5G SA定義了5G全新網絡架構，包括網絡切片、服務化架構、邊緣計算架構、移動性管理、會話管理分離和基于流粒度的QoS設計。這些架構功能在R16標準中被進一步增強，滿足了URLLC和V2X等需求。5G SA架構的核心網是革命性的變革，產業成熟度低；因此，大多數運營商將5G SA架構作為5G網絡的目標架構。以中國移動為例，2019年5G開始商用，主要采用NSA架構，并基于4G EPC來部署5G NSA網絡；同時，面向垂直行業進行5G SA預商用，推進SA架構5G核心網的成熟。

2.2 5G與4G的互操作

移動通信換代時都需要滿足一個基本要求，即用戶不換號。從4G到5G的網絡演進也不例外。移動通信的用戶數據存儲在4G HSS中，如果4G用戶開通4G語音承載（VoLTE）業務，那么還會涉及到IP多媒體子系統（IMS）HSS設備。現網中為實現用戶業務的繼承和兼容性，這些用戶數據設備以不同方式形成融合網元，即2G/3G/4G/VoLTE HSS/歸屬位置寄存器（HLR）。當5G采用SA架構建網時，5G核心網是一個服務化架構、全云化的網絡。其中，用戶數據功能統一數據存儲（UDR）/統一數據管理（UDM）也是云化網元，要實現4G用戶不換號也能使用5G業務的目標，同樣需要融合的用戶數據網元。圖2給出了3GPP定義的5G用戶數據存儲架構。

3GPP R15 5G SA標準定義了4G/5G的互操作架構（如圖3所示），即4G/5G融合的UDM+HSS，以便實現用戶的統一簽約和統一鑒權管理：融合的策略控制功能（PCF）+策略與計費規則功能單元（PCRF），可以實現用戶的統一策略管理；融合的會話管理功能（SMF）+分組數據網網關-控制面（PGW-C），可以實現用戶的統一會話管理和統一錨點選擇，從而實現4G/5G切換的業務連續性；融合的用戶面功能（UPF）+分組數據網網關-用戶面（PGW-U），實現統一的用戶面隧道錨點功能，保證4G/5G切換的業務連續性。因此，在5G網絡建設中不僅用戶數據網元UDM/UDR需要與2G/3G/4G/VoLTE融合，以上策略管理網元PCF/UDR、會話管理網元SMF、用戶面網關UPF均需與4G形成融合網元；而5G核心網的服務化和云化新架構與2G/3G/4G核心網的融合也將會為5G網絡的建設帶來一些重大挑戰。

圖1 R15新空口非獨立組網和獨立組網技術架構示意圖

圖2 3GPP定義的5G數據存儲架構圖[1]

圖3 3GPP定義的4G/5G互操作架構（無漫游）圖[1]

2.3 5G面向個人用戶和垂直行業用戶

經濟社會發展對信息通信技術的需求越來越迫切。5G等信息技術與實體經濟深度融合，將促進智能連接、云網融合等貫穿到各行各業生產經營各環節，充分發揮對經濟發展的放大、疊加、倍增作用，激發經濟增長新動能；因此，5G的使命不僅是滿足個人用戶（ToC）的需求，改變生活，更重要的是滿足垂直行業（ToB）信息化和智能化需求，改變社會。

3GPP面向垂直行業應用的兩大場景（URLLC和mIoT）均未在3GPP R15版本中完成標準化。在現階段基于R15版本的5G網絡建設中，5G能夠滿足eMBB場景的需求；URLLC的場景將在R16版本的5G標準中完成，低功耗mIoT場景的優化和演進，將在R17版本完成。因此，面向ToB市場的需求，運營商近期將繼續依靠現有窄帶-物聯網（NB-IoT）和增強機器類通信（eMTC）技術演進。同時，5G網絡建設還要協同2G/4G物聯網的建設和演進，通過5G網絡切片能力，滿足部分場景ToB用戶的需求，實現未來2G/4G/5G物聯網的逐步融合發展。

2.4 5G用戶需要實現國際漫游

2019年，已有韓國、英國、歐洲等多個國家或地區實現了5G NSA架構的商用網絡服務。根據韓國科學技術信息通信部發布的信息，截至2020年2月28日，韓國5G NSA用戶數已達536萬。目前國際上商用5G網絡已發展了大量的5G NSA用戶。要實現國際用戶能夠漫游在中國的5G網絡中，那么中國也需為5G NSA用戶保留NSA網絡。即使中國在2020年搶先實現SA架構的5G網絡規模商用，為了保證國際用戶能夠在中國5G網絡漫游，依然需要保留NSA架構網絡和足夠的覆蓋能力。這也將是5G核心網建設的另一個挑戰。

3 5G核心網規劃建設策略和關鍵問題

3.1 2G/3G/4G/5G融合數據面的建設策略

要實現在用戶不換號的條件下，網絡從4G升級到5G，則需要實現用戶數據的融合。現網是2G/3G/4G的融合網絡，所以融合用戶數據和融合策略數據的建設策略需要涵蓋現網2G/3G/4G/VoLTE的用戶數據和現網4G的策略數據。數據融合的建設目標和建設策略應以終為始，實現云化用戶數據、策略數據的融合和現網數據的遷移。

對于ToC用戶，主要用戶來源為4G換機用戶和已成為5G NSA的用戶，對于此類用戶需實現2G/3G/4G/5G/VoLTE的融合數據層建設和用戶數據的遷移。根據工業和信息化部公布的2020年1—2月通信業經濟運行情況數據看，截至2月底，3家基礎電信企業的4G用戶規模為12.62億戶。從3G到4G的網絡升級中，4G用戶數據的遷移持續1～2年的時間；而面向5G用戶數據遷移難度更大，從設備形態到網絡架構都在云化轉型，使得現網網元升級不可行。建設策略[2]有以下幾種：策略1，以大區或省為單位新建云化融合用戶數據網元HLR/HSS/UDM/UDR來替換現網融合HSS/HLR。云化融合用戶數據網元的建設規模需要滿足所替換設備的全部容量。對于后端設備（BE）存儲數據庫，采用云化融合HSS/HLR/UDR替換傳統HSS/HLR后端數據庫；對于前端設備（FE）信令處理模塊，采用云化UDM/HSS/HLR FE設備一次性替換現網HLR-FE和HSS-FE，分別處理不同用戶的用戶數據接入信令。該策略較適用于現網設備運行年限較長、臨近退網或滿足折舊期限要求的情況。由于策略1采用替換方案，導致初期建設規模增大，先期的建設成本較高；但優勢是可以一步到位達到目標架構，網絡架構清晰簡潔。

策略2，以大區或省為單位新建云化融合HLR/HSS/UDM/UDR設備，容量滿足本期工程預測的5G用戶規模需求，并與現網HSS/HLR混合組網，實現2G/3G/4G用戶開通5G后的逐步數據遷移。在該策略下，與新建設備配對遷移的現網HSS/HLR，需要改造支持與新建云化融合UDM/UDR間的接口。當4G用戶開通5G時，該用戶的簽約數據寫入新建融合HLR/HSS-BE/UDR數據庫中。當用戶漫游在4G網絡使用業務時，服務于該用戶的4G 移動性管理實體（MME）設備向現網HLR/HSS請求鑒權和簽約數據，現網HLR/HSS通過與新建融合UDM/UDR設備間接口獲取用戶數據。該策略較適用于現網設備版本較新、在網運行時間不長的場景。該策略無須提前進行用戶數據遷移，而是當用戶更換5G手機后，逐步將用戶數據遷移至新建融合UDM/UDR數據庫中。該策略可隨用戶換機規模逐步建設，先期建設成本與5G用戶發展規模相關，可以有效利舊現網設備資源，減少先期投入；但該策略由于需要新舊用戶數據設備間開放接口，接口需要進一步規范，實施上存在一定風險。

還有一些其他的非標私有定制化方案，在此不一一贅述。綜上所述，5G核心網ToC用戶數據層的建設應根據5G SA業務需求，統籌考慮數據遷移場景、投資效益等因素后再進行選擇，且針對不同區域可以選擇不同方案。對于5G面向ToB用戶，采用物聯網號段且均為新用戶，不涉及現有用戶數據遷移問題。

3.2 5G策略數據融合建設策略

在3GPP定義的數據存儲架構中，5G用戶數據、策略控制數據、能力開放數據等均存儲在統一的后端數據庫UDR中，如圖1所示。因此，在建設策略中不僅要考慮策略控制數據4G/5G的融合建設，還要考慮用戶數據和策略數據是否融合建設。考慮到用戶數據和策略數據現網網元廠家分布不同，跨廠家數據遷移難度大；因此，5G SA網絡建設初期可以暫不考慮用戶數據和策略控制數據后端數據庫網元的融合設置。為實現4G/5G網絡互操作，5G策略數據網元PCF/UDR需實現與4G策略數據網元PCRF/簽約數據倉庫（SPR）的融合。4G的用戶策略需遷移到4G/5G融合的云化策略控制網元中，建設策略與3.1節用戶數據融合相似，主要有以下幾種：

策略1，以大區或省為單位，新建與4G融合的PCF/UDR，以替換現網PCRF/SPR設備。

第略2，以大區或省為單位，新建的4G/5G融合PCF/UDR與現網PCRF/SPR混合組網，同時須升級現網PCRF/SPR，以支持與新建融合PCF/UDR設備的接口。

無論采用以上哪種建設策略，與用戶數據融合不同的是：策略控制數據由于控制策略個性化強，現網數據業務控制策略多，異廠家替換工作量大且周期長，風險較大；因此，無論采用策略1還是策略2，均需要考慮實施風險。

3.3 5G SA核心網全云化網絡建設策略

5G移動網絡是一個電信級的基礎網絡，它要求云化網絡的云計算基礎設施具備電信級高可用性和異地容災能力。5G SA核心網虛擬網絡功能（VNF）部署在NFV云計算資源池中，它面向大眾市場和垂直行業提供5G服務。5G網絡面向ToC和ToB用戶的多樣化需求可通過網絡切片技術實現，在5G核心網建設中，需要考慮5G與現網2G/3G/4G融合核心網以及2G/3G/4G/NB物聯網的協同發展[3]。5G SA核心網控制面網元包括接入管理功能（AMF）、SMF、網絡切片選擇功能（NSSF）、服務注冊管理功能（NRF）、融合計費功能（CHF）等，它們均為服務化網元，對外提供服務化接口，其部署策略如下[4]：

1）AMF和會話管理功能（SMF/網關-控制面）VNF分別服務于特定區域的基站，可以省或地市為單位集中部署于省或大區中心資源池。

2）NSSF用于網絡切片選擇，可以省或大區設置。

3）NRF主要完成VNF服務注冊、管理和發現，可以省或大區設置。當需要跨省或跨大區服務發現時，可采用NRF網狀聯接或分級部署。

4）CHF與網絡側接口實現在線和離線計費部分功能，可與SMF同區域部署。當多個CHF需要被選擇和路由時，可采用直接配置局數據的方式或采用設置NRF提供服務注冊和服務發現功能來實現CHF的發現和選擇。

5G SA核心網用戶面為4G/5G融合網元UPF/網關-用戶面（GW-U），其部署策略為：用戶面網元UPF/GW-U通過N3接口直接與基站相連，通過N4接口與SMF通信。UPF/GW-U可以省、地市為單位部署，當部署在地市不能滿足業務時延需求時，可向邊緣擴展。由于目前N4接口不開放，當UPF向邊緣擴展時，需與轄區SMF同廠家。

5G SA核心網需要與4G EPC核心網進行互操作，因此還需要現網4G EPC進行升級改造。

3.4 5G SA核心網用戶面N4接口開放策略

為實現5G面向垂直行業的發展和支撐，5G引入了邊緣計算能力。邊緣計算架構可實現5G UPF網關下沉到就近用戶位置，實現低時延和數據分流應用[5]。5G SA核心網形成集中化的控制面和分布式的用戶面的部署架構。用戶面UPF需要控制面SMF的會話控制，來完成會話建立和策略的執行。它們之間的N4接口為廠家內部接口，實現流量的實時統計和上報、會話建立命令的下發和執行等多種功能。N4接口為非開放接口，因此5G集中部署的核心網SMF需要與分布式部署的UPF同廠家設置，這為未來的網絡建設和面向垂直行業的發展帶來了挑戰和限制。中國移動已牽頭成立OpenUPF-面向垂直行業的5G UPF及N4接口開放合作伙伴計劃，意在解耦N4接口，使得用戶面UPF面向垂直行業的邊緣節點功能更簡單，未來的部署更加靈活。

3.5 5G用戶實現國際漫游策略

為了保證國際用戶能夠在中國5G網絡條件下實現漫游，在2020年規模商用5G SA的情況下，中國5G NSA架構網絡和足夠的覆蓋能力均需要被保留，以滿足國際5G NSA用戶漫入使用5G的需求[6]。當5G NSA來訪用戶漫游至5G SA/4G EPC覆蓋的區域時，漫游互通可實現“EPC-EPC”模式，這時用戶只能接入4G EPC網絡漫游，無法使用5G SA網絡服務；當5G NSA來訪用戶漫游至5G NSA/4G EPC覆蓋區域時，漫游互通可實現“EPC+-EPC+”模式，此時用戶可以接入漫游地NSA網絡，使用5G NSA網絡服務；當5G SA用戶漫游至5G SA覆蓋區域時，漫游可實現“5GC-5GC”互通模式，用戶可以接入漫游地SA網絡，使用5G SA網絡服務。為了實現5G SA架構核心網國際漫游，3GPP定義了本地疏通和歸屬地疏通兩種漫游架構，具體如圖4和圖5所示。其中，圖4描述了5G本地疏通漫游架構通過控制面互通的方式，圖5描述了5G歸屬地疏通漫游架構通過控制面互通的方式。

在本地疏通架構中，除歸屬地用戶數據查詢和鑒權外，拜訪地PCF可以根據運營商間漫游協議使用本地配置策略為漫游用戶生成業務疏通規則并進行業務的本地疏通，或對歸屬地PCF進行策略查詢后生成業務疏通規則并進行業務的本地疏通。在歸屬地疏通架構中，除歸屬地用戶數據查詢、鑒權、策略數據查詢和生成外，還涉及跨兩地會話連接的建立，以便建立從拜訪地到歸屬地的用戶面隧道連接。以上跨運營商核心網的控制面交互均通過3GPP定義的安全邊界代理功能（SEPP）實現。SEPP實現消息過濾和拓撲隱藏功能，因此5G SA核心網國際漫游互通雙方均須部署自己的SEPP，所有控制面互通的消息均通過SEPP進行中繼轉發。不同運營商間SEPP的互通通過IPX網絡完成互通，如圖6所示。

圖4 5G本地疏通控制面互通的漫游架構示意圖[1]

圖5 5G歸屬地疏通控制面互通的漫游架構示意圖[1]

圖6 跨運營商5G獨立組網信令互通示意圖[7]

4 結束語

2020年是5G SA核心網規模商用的第1年，產業界主要負責提供滿足5G R15階段的5G核心網設備。一方面伴隨5G核心網的網絡云化轉型以及5G網絡切片和邊緣計算的引入，移動網絡的架構發生了巨大變化；另一方面移動網絡需同時服務于ToC和ToB多樣化需求的市場，這使得5G核心網的引入和部署策略受到諸多條件的制約，策略選擇也非常多樣。文中，我們僅結合移動用戶和網絡需求進行了5G SA核心網初期引入的相關策略分析和探討。隨著5G R16標準的進一步完善以及產業的逐步成熟，5G增強核心網將能滿足更多場景，提供更高服務質量要求。未來，5G核心網網絡規劃建設策略也將面臨更多問題，需要研究者們進一步探討。