5G核心網技術演進及挑戰

（中國聯合網絡通信有限公司，北京 100032）

(China United Network Communications Limited, Beijing 100032, China)

1 核心網技術演進回顧

移動通信大約每10年就出現新一代的技術，通過引入關鍵技術實現網絡容量數倍的增長，并推動新業務類型不斷涌現。自20世紀80年代以來，移動通信技術經歷了4個發展階段，均對經濟社會的數字化發展產生了廣泛而深遠的影響。從2G到4G，移動核心網網元之間基于固定鏈路完成信令交換，網絡的控制面和用戶面不斷分離以至解耦。與4G相比，5G使用全新的網絡架構，能夠提供至少10倍于4G的峰值速率，以及毫秒級的傳輸時延和千億級的連接能力。5G核心網使能網絡全連接、全業務，提供“網絡即服務”的能力，將以“網絡為中心”的服務模式轉為“客戶+云雙中心”新型服務模式，同時基于云化、虛擬化等關鍵技術按需提供差異化的能力和服務[1-2]。

5G核心網對傳統架構進行了重構，以網絡功能（NF）的方式重新定義了網絡實體，同時還引入軟件定義網絡（SDN）/網絡功能虛擬化（NFV）技術實現網絡云化。各NF對外按獨立的功能（服務）提供功能實現并可互相調用，即將一個NF進一步拆分成若干個自包含、自管理、可重用的NF服務。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NF服務互通的能力，并且可通過編排工具根據不同的需求進行編排和實例化部署。3GPP定義的服務化網絡架構如圖1所示，每個5G NF定義了一組具備對外互通標準接口的NF服務，從而實現了從傳統的剛性網絡向基于服務的柔性網絡的轉變、從固態網絡到動態網絡的轉變，實現網絡資源虛擬化、網絡功能的解耦和服務化[3]。其次，控制功能的集中化、數據轉發的分布化處理，使得NF可以進一步下沉并靠近用戶和應用，大幅度提高網絡數據吞吐量，降低業務時延[4]。

2 5G核心網技術演進

圖1 5G網絡服務化架構

5G核心網技術演進主要體現在以下幾個方面：隨著技術標準演進，新功能的引入、原有架構的完善；微服務、容器等云計算技術的廣泛采用，使得5G核心網從虛擬化向云化發展；基于人工智能（AI）技術、數據分析技術的網絡自動化和智能化。

2.1 5G核心網功能增強與演進

3GPP作為5G標準化工作的引領者，在R15中就對5G核心網技術進行了規范，并完成了5G核心網整體架構及基本功能的定義。R15主要支持增強移動寬帶（eMBB）業務場景的基礎特性。

R16重點對5G核心網特性進行了增強，具體包括4方面的內容：

1）服務化架構增強：增強服務化架構（eSBA）對5G核心網服務化架構的代理服務發現及間接通信進行了增強，通過引入新的功能實體——服務通信代理（SCP）實現服務化消息的非直接通信；提出基于NF集群和服務集群的可靠性增強，使得同樣類型的NFV實體或NFV服務實體組成一個集群，且服務發現以集群為粒度，提升服務交互可靠性。

2）超可靠低時延通信（URLLC）特性增強：提出5G_URLLC支持基于冗余傳輸方案的高可靠性通信方案和基于冗余用戶面路徑機制的移動性過程中會話連續性的方案。

3）網絡數據分析功能（NWDAF）功能增強：5G網絡自動化關鍵技術（eNA）項目圍繞NWDAF的5G核心網自動化管理架構，完善了數據收集、反饋的網絡架構。

4）會話管理功能（SMF）/用戶面功能（UPF）拓撲增強：5G網絡中SMF和UPF拓撲增強研究（ETSUN）項目重點面向用戶的移動性管理場景，通過由目標對話管理功能（AMF）控制插入一個中間SMF（I-SMF）解決跨SMF管理區域的移動性流程。

R17重點關注場景支撐和能力增強，先后立項5G多播組播架構增強（5MBS）、邊緣計算特性增強（enh_EC）、無人機增強（ID_UAS）、近場通信（5G_ProSe），并針對用戶標識使用增強、UPF服務化和用戶設備（UE） Policy增強開展進一步研究。

1）增強的無人機系統項目EAV：主要完善3GPP網絡在應對各種無人機應用場景所要滿足的關鍵性能指標（KPI）。

2）非公共網絡（NPN）服務：重點針對NPN網絡與公眾網絡的互通、業務連續性及運維問題。

3）邊緣計算增強：主要實現支持增強移動邊緣計算（MEC）功能，為典型的MEC應用場景提供部署指南。

4）5G 局域網（LAN）功能增強：5G LAN支持在一組接入終端間構建二層轉發網絡，并通過5G SMF與UPF的交互實現終端組內數據交換和用戶面路徑選擇。5G LAN組管理的能力可以通過網絡開放功能（NEF）供業務平臺使用。

2.2 云原生及軟件技術

3GPP在R15中引入基于服務的體系架構SBA，結合了IT中云原生的概念，通過對5G核心網的虛擬化、云化以及軟件架構的微服務化，實現網元的持續交付和快速迭代，支撐業務的快速上線和敏捷部署。云原生技術在5G核心網中主要體現在無狀態設計和服務化解耦兩個方面。在無狀態設計方面，實現了業務處理、數據、轉發的完全解耦，保證了當單個業務處理節點發生故障時，業務消息被負載均衡分發到其他正常狀態的業務處理節點，新的業務處理節點與后臺數據庫可及時同步用戶狀態并正常處理用戶的業務消息。在服務化解耦方面，將單體式應用架構拆解為多個獨立的服務模塊，并基于開放應用程序編程接口（API）以服務化方式通信以及服務治理框架進行管理，實現靈活組合和獨立升級，支持新業務快速上線。

在技術實現上，依靠虛擬化和微服務架構，使用Docker+Kubernetes的技術組合，實現對微服務的運行支撐、編排管理和有效治理[5]。微服務架構是一個天然分布式的服務框架，可以對服務進行更小粒度的劃分，實現系統組件的高內聚和低耦合。每個子系統可以獨立運行、升級和測試，具備較高的可靠性，同時加快了軟件的迭代開發和上線。但是微服務之間的數據一致性、安全訪問，以及服務數量龐大帶來的實施和管理復雜度等問題需要重點關注。5G核心網網元功能和接口雖然在3GPP標準協議中有明確的定義，但是網元功能如何拆分成微服務以及拆分后如何進行高效的迭代管理，則由各個廠商實現；而實現的結果關系到5G核心網網元是否可以滿足未來5G業務快速上線、部署和迭代的需求。

2.3 網絡自動化、智能化

5G核心網正在經歷向云原生的轉變，更多的5G核心網NF將越來越多地根據云原生原則進行設計。這種深刻的變化對NFV管理和編制提出了更高的自動化要求，以滿足前所未有的操作靈活性和效率。

針對5G網絡面臨的規建維的挑戰和問題，眾多標準和開源組織都開展了自動化、智能化的相關研究和應用。TMF在2019年發布的白皮書中提出了對自治網絡進行L0—L5的分級，并基于增強業務流程框架（eTOM）模型給出了其具體在運維效率、能源效率、資源效率、用戶體驗提升等方面的分級自治框架和具體目標場景映射[6]。此外，3GPP、ITU-T、ETSI、CCSA等標準組織，在應用場景和架構上開展了相關標準化工作，開源組織和運營商紛紛牽頭成立了Acumos、CubeAI等開源項目[7]，旨在探索人工智能技術在網絡領域的應用，帶來網絡能力和業務感知的全面提升。

當前，自動化和智能化的實際應用探索主要集中在無線領域和網絡傳輸領域[8-9]，在5G核心網方面尚未形成較為完善的場景和架構體系。針對網絡設計和運行維護的一個典型全生命周期流程如圖2所示。在該流程中，可以利用自動化和智能化技術提升流程效率和效果，降低人力成本支出。例如，在網絡規劃方面，可以通過對用戶行為、終端能力、業務情況等綜合分析，通過業務預測來提升網絡規則的準確度，提升規劃效率，有效縮短網絡建設周期，并使得建設容量也更為精準。在維護方面，針對日常重復性工作，可以通過引入自動化工具，來實現基礎數據和指標的自動收集和預警；針對復雜場景故障定位，可以引入AI技術，通過對歷史問題的挖掘和根因規則的建立，實現故障的快速定位和預防預測。

3 5G核心網面臨的挑戰

5G核心網的演進采用了多種新技術，提升了網絡能力；但是對于運營商來說，在創新應用與服務能力、網絡成本和自主性把控等方面存在諸多挑戰。

3.1 創新應用與服務能力不足

圖2 5G網絡自動化、智能化流程示意

5G引入服務化架構是一種全新的技術創新，其在網絡業務層面進行了開放，有利于運營商通過細粒度的服務實現按需編排和升級，滿足網絡長期演進的需求。在3GPP R15規范中，給出了NEF的相關規范定義：作為5G網路能力開放功能，面向應用功能（AF）提供了標準能力開放服務，通過這些服務可提供服務質量（QoS）能力、事件監控、參數配置、設備觸發、數據包流描述（PFD）管理、流量引導、背景流量以及策略計費等服務能力。然而，當前產業進展仍然相對滯后，5G核心網服務化能力提供對內調用網絡的能力，無法滿足業務對網絡層能力、B域側能力、O域側能力等的服務化調用，面對客戶的行業類定制能力及場景化能力需求需要定制開發。

3.2 網絡高成本

5G核心網采用了云化部署方式，但是并沒有讓運營商遠離專用設備的復雜性和高成本，而是將這些復雜性和高成本從硬件轉移到軟件上[10]。對于運營商來說，網絡云化是技術驅動的，云計算技術的復雜性、IT技術迭代升級的短周期，以及網絡IT人才的匱乏，都使運營商面臨更為復雜的技術問題，而這些都只能依靠設備商來解決。這將給存量網絡遷移和新網絡的引入帶來大量的成本壓力。

設備商對于云操作系統（CloudOS）、SDN等技術的鎖定，存在系統的封閉性，難以實現靈活的架構部署，不利于實現共享，會再次形成煙囪式部署；建設和維護以及引入新功能成本較高，也不利于自主創新以及靈活的迭代式部署升級。目前主流的NFV方案基本由設備廠商把持，傳統的IT方案廠商被邊緣化，根本的原因是VNF仍然由設備商來主導，設備商需鎖定自家的虛擬化軟件才能保證性能和可靠性。

未來的5G通信云資源池部署既要考慮網絡層次化架構，又要充分利用云資源池集約化部署優點，構建多云生態，同時還需要考慮進一步降低網絡內部耦合（如N4接口），推動網絡的全開放性。

3.3 運營商自主性

無論是基礎設施硬件、CloudOS，還是上層的5G VNF應用，目前均嚴重依賴于商用系統。網絡內部集成和創新仍不盡如人意，如云自身的靈活性仍難以發揮，運營商無法自己完成網絡云化遷移。

從對網絡的控制角度來看，運營商更像一個云租戶，而不是運營者。在網絡軟件化的時代下，5G網絡建設需要向前一步，直接面向用戶和市場需求，提供產品化的迭代創新能力，以更好地服務一線運營。在采購同質化設備廠商產品的情況下，運營商如果要比競爭對手更快響應市場，提供更多的差異化服務，并降低網絡建設的成本，需要更多地依賴于自身的創新和自主研發水平，通過相關工具能力的建設，提升網絡和業務之間的協同效率。

5G核心網使能網絡創新，是實現5G網絡差異化的主要手段。5G核心網的建設，需要基于自主研發推進產品原型走向市場，在運營中迭代更新，并且要加快IT人員轉型和人才隊伍建設，加速培養自主研發支撐力量。

4 結束語

5G核心網技術演進帶動了電信網絡的轉型。在網絡轉型的探索期中，技術創新、商業模式和自主研發均面臨著重重挑戰。運營商需要堅持以服務客戶為中心，不斷提升網絡云化、開放化、自動化和智能化能力，并通過提升自主研發力量自主掌控網絡，才能最終實現5G的商業愿景。