5G核心網創新技術研究及應用探索

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057）

(ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China)

1 5G核心網挑戰分析

面對萬物互聯，5G網絡需要更聰明、更靈活的大腦，來精準地感知網絡數據流量上傳下發的擁塞狀態、業務動向、用戶位置等信息。5G網絡還需要具備用戶和業務的接入控制、無線網絡資源調度的能力。3GPP定義了全新服務化架構（SBA），采用HTTP/2互聯網化的協議，借助IT云原生技術重構5G核心網。面對架構的全面革新，以及使能垂直行業的使命，如何協同標準、業界發展情況，穩、快、好、省地實現5G網絡的商用落地，是5G規模商用的挑戰。目前的5G核心網存在以下的挑戰：

1）網絡定制化能力低。過去通信網是面向確定性需求建設的，而隨著通信網由消費互聯網向產業互聯網的發展，出現了越來越多的不確定性因素，傳統的網絡難以滿足客戶日益個性化的需求。此外，互聯網應用創新要求網絡更敏捷，行業需求的不確定性、差異化網絡服務等級協議（SLA）、面向大眾市場用戶（ToC）/面向垂直行業（ToB）業務的顯著差異，則要求5G核心網更加敏捷，能夠做到快速定制網絡。面對數字化的浪潮，傳統預先設定好的網絡難以適應，同時網絡能力優勢也未能針對云進行有效、統一地開放，這都導致網絡側成為創新的瓶頸。

2）虛擬化性能難以媲美專有硬件。網絡功能虛擬化（NFV）軟硬件解耦、通用硬件的采用，以及NFV在電信領域的逐步普及，雖然降低了硬件成本，提升了資源利用率，但因為引入中間的虛擬化一層導致網絡轉發性能有所下降。除了在虛擬化層面使用CPU綁定、單根輸出輸出虛擬化（SR-IOV）、多網卡綁定等技術手段來減少虛擬化和x86硬件引入帶來的性能損耗，還需要在軟件和硬件層面做相應的增強，使得5G用戶面能夠兼顧強轉發和強計算的能力。

3）中心式網絡難以應對流量指數級增長。隨著移動互聯網的發展，用戶對流量的需求與日俱增。4G不限流量套餐的推出，使得網絡只能不斷地升級擴容，這種以中心式建網弊端日益凸顯。提速降費的大背景，對運營商的流量經營帶來了壓力。另外，隨著5G大帶寬、低時延業務的發展，云虛擬現實（VR）/增強現實（AR）、大視頻等5G新業務將對中心網絡造成進一步沖擊，大量的業務要求能夠在本地消化和終結，以降低網絡時延以及骨干網絡負荷。

4）網絡缺乏自動化開通和運維的能力。虛擬化后的軟硬件解耦程度增大，使得組網更加復雜。網絡結構正向多廠商、多平臺、多組件、多接口演進，運營商在5G核心網建設時將面臨多廠商、跨域集成等多項挑戰，基于人工的方式難以迅速響應隨需而動的網絡維護。5G網絡比2G/3G/4G復雜得多，高度彈性，動態變化，急需引入人工智能（AI）、大數據等新技術，以推動網絡運維的自動化、智能化發展。

2 5G核心網創新技術

與LTE相比，5G的主要目標不僅僅是為了帶來更高速率的數據服務。為此，ITU-R定義了增強移動寬帶（eMBB）、超可靠低時延（URLLC）以及海量機器類通信（mMTC）3大場景[1]，使能垂直行業。3GPP定義了SBA和功能模塊化，實現業務的按需部署，新業務上線時間的縮短；定義的控制面和用戶面分離（CUPS）技術，實現了用戶面可以基于業務需求靈活部署；定義的移動邊緣計算（MEC）技術，使得用戶可以就近訪問業務；定義的網絡切片技術，可以使一套物理網絡服務于多個不同的應用場景。5G核心網正是基于以上多種創新技術進行設計，完全滿足5G時代業務多樣化的需求，為網絡走向開放和構建生態提供動力源泉。

2.1 跨域多維切片技術

切片是5G獨立組網（SA）較為關鍵的因素，通過動態切片的自動化創建，以實現全網資源的調度，快速定制、兌現差異化的SLA，滿足各種垂直行業差異化的網絡需求。網絡切片是一種按需組網的方式，可以讓運營商在同一基礎設施上分離出多個虛擬的端到端網絡。一個網絡切片實例提供一個或多個業務場景。一個切片由一個或多個子切片組成，子切片包含無線、核心網、承載。兩個切片可以共享一個或多個子切片。

4G可以通過專用核心網（DCN）技術[2]實現類似切片的概念，但4G DCN技術僅是核心網單切片，不支持端到端，不具備管理靈活性，無法演進到5G切片。表1是4G DCN和5G切片技術比較。

面對不同的行業網絡質量要求，需要為特定的行業應用或企業定義特定的切片，部署不同的切片實例，實現專屬的網絡。網絡切片由網絡功能構建而成，涉及到端到端網絡。如果所有網絡切片都采用完全獨立的網絡功能，會造成網絡資源開銷大和性價比低；因此，面對垂直行業時，網絡功能在切片間需要根據實際情況進行共享，以滿足資源效率提升的需求。目前，業界針對網絡切片部署模式主要有3種，具體如圖1所示。

1）模式1：該模式的安全隔離要求高，成本敏感度低，如遠程醫療、工業自動化等，不同切片采用完全獨立的網絡功能（NF），控制面和用戶NF都不共享。

2）模式2：該模式的安全隔離要求相對低，終端要求同時接入多個切片，如輔助駕駛、車載娛樂等，不同切片的部分控制面NF共享，用戶面NF不共享。

3）模式3：該模式的安全隔離要求低，成本敏感，如視頻監控、手機視頻、環境監測等，不同切片的所有控制面NF共享，用戶面NF不共享。

表1 4G DCN和5G切片技術比較

2.2 軟硬件加速技術

VR/AR、自動駕駛、云游戲等新興業務對網絡提出超低時延、超大帶寬的要求，具體見圖2。這些性能需求與網絡用戶面緊密相關，需要用戶面提供高效、快速的數據處理和轉發。

在eMBB的場景下，可以通過純軟件加速的方案，并基于矢量包處理（VPP）[3]的思想，在數據報文卸載功能中采用矢量轉發技術，提高轉發處理性能，實現熱點報文的批量處理和轉發，有效地降低業務邏輯對CPU的消耗，并解決傳統來包逐個處理、不加分類而產生的緩存抖動和緩存未命中的缺陷。采用數據平面開發套件（DPDK）[4]無鎖化并行計算架構（具體如圖3所示），能夠將相同用戶IP的報文放到同一個線程中，避免了多個線程同時讀寫同一個內存數據區的情況，實現了無鎖化，并消除鎖等待時間，從而達到高并發的效果。合理規劃DPDK內存與緩存，需要將頻繁執行的代碼常駐指令Cache，限制訪存范圍降低切頁帶來的消耗，大幅提升報文的處理速度。

在IMT-2020的關鍵特性中，URLLC要求端到端的時延為1 ms，并盡可能減少非空口的傳輸時延，核心網側用戶面轉發時延從100～200 μs降低至10 μs。雖然在架構層面上，控制面和用戶面分離技術（CUPS）實現了用戶面下沉，但是基于純軟件加速已無法滿足低時延的要求，需要借助硬件加速技術。目前，主流的加速卡硬件主要有現場可編程門陣列（FPGA）、網絡處理器（NP）和專用集成電路（ASIC）。FPGA因其更優的通用性和靈活性，又便于引入新特性，更加適合作為面向5G的虛擬化通用硬件加速平臺。基于x86服務器的FPGA智能網卡加速虛擬化用戶面，性能媲美專用硬件。通過在軟件VNF層面進行業務首包學習，生成轉發流表，并將流表下發到智能網卡中，同一條流的后續數據報文將由智能網卡接收、解包、處理后直接轉發，降低了節點內轉發處理層次，大幅減少CPU計算、內存讀取、外設部件互聯標準（PCIe）總線的瓶頸，提升單服務器性能密度。

圖1 網絡切片部署模式

圖2 各種業務對網絡的要求

圖3 數據平面開發套件無鎖化并行計算

相對純軟件加速的用戶面而言，智能網卡加速的用戶面可以突破當前虛擬化轉發的性能和時延瓶頸，實現虛擬化超高性能超低時延，顯著降低轉發時延達到微秒級別，滿足5G 工業控制、自動駕駛等超低時延應用。

2.3 行業使能技術

5G在賦能垂直行業方面，除了提供基礎的5G網絡功能和業務支持外，為滿足行業多樣化的特性需求，3GPP R16引入5G 行業使能技術，包括時間敏感網絡（TSN）、5G局域網（5G LAN）和5G專網（5G NPN）[5]等內容。通過這些行業增值產品包來滿足場景化部署，從而推動智能制造與工業物聯網（IIoT），引領工業4.0。

TSN引入IEEE的TSN特性，在以太網上提供確定性時間傳輸，實現了數據包在確定的時間內到達并轉發。TSN源于音視頻領域的應用需求，最初稱之為以太網音視頻橋接技術 （AVB）[6]，用于傳輸高質量音視頻；2012年IEEE決定擴展工業控制領域，將其更名為TSN。5G系統作為TSN網橋與外部TSN網絡集成，并通過設備側TSN轉換器（DS-TT）和網絡側TSN轉換器（NW-TT）提供TSN入口和出口，實現TSN和5G網絡的通信，使能實時物聯網業務。5G+TSN構建確定性網絡（如圖4所示），使得設備時間精準同步，并使能多節點高精度協作控制，支持低時延、低抖動、高可靠確定性組網。將工業設備通過無線的方式接入到TSN網絡，代替傳統有線的方式，能夠擺脫線纜束縛。典型的應用場景包括機器人協同、車輛精準調度、配電網差動保護等。

5G專網（NPN）重點面向行業專有業務的接入，禁止非NPN用戶接入NPN小區或跟蹤區，打造安全、可靠、定制化5G專網。非公共網絡架構如圖5所示。5G核心網部署到專有網絡中，終端可以通過如下方式實現專網和公網的互訪：

1）用戶通過專網接入時，專網同時作為信任或非信任3GPP接入，接入到公網，實現用戶通過專網接入公網的互訪需求；

2）用戶通過公網接入時，公網同時作為信任或非信任3GPP接入，接入到專網中，實現用戶通過公網接入專網的互訪需求。

NPN可以低成本、快速地部署局域工業互聯網。NPN易定制的特點滿足了行業特定需求，提升用戶體驗。此外，NPN有著保密性高、獨立管控、小區級安全、敏感數據僅本地保存的特點。NPN典型的應用場景包括工業園區、礦山、集裝箱港口等。

5G LAN支持局域網類型的網絡覆蓋，通過UPF完成LAN區域內的點對點通信，滿足快速部署安全、可控的企業局域網的需求。通過會話管理功能（SMF）配置UPF來靈活處理單個5G 虛擬網絡組的協議數據單元（PDU）會話之間路由流量。例如，取決于目的地地址，一些分組流可以在本地轉發，而其他分組流通過N19轉發。5G虛擬網絡組通信有3種類型的流量轉發方式：

1）基于N6的轉發，5G虛擬網絡組通信的上行/下行（UL/DL）流量被轉發到數據網絡（DN），或從DN轉發；

圖4 5G+時間敏感網絡

圖5 非公共網絡架構

2）基于N19的轉發，5G虛擬網絡組通信的UL/DL流量通過N19在不同PDU會話的錨點UPF之間轉發；

3）本地交換，如果該UPF是同一5G虛擬網絡組的不同PDU會話的通用PSA UPF，則流量由單個UPF在本地轉發。

5G LAN技術參見圖6，其支持UE間的本地通信，用戶組靈活劃分，數據安全隔離，并能優化數據路由與交換，滿足企業網快速部署，自主實現群組管理和IP地址分配。典型的應用場景包括大型會議、賽事等。

2.4 邊緣計算技術

MEC是5G的核心技術之一，提供連接+計算的能力。MEC將云計算從中心擴展到邊緣，實現算力延伸，更加地貼近用戶。5G網絡集成MEC部署（具體見圖7），主要體現在UPF下沉至MEC節點，并將控制面網絡開放功能（NEF）、策略控制功能（PCF）、SMF等網元中心集中部署。MEC應用編排（MEAO）對應于第三方應用功能（AF），可通過NEF或PCF進行交互，完成分流規則的影響與配置。SMF集中地對流量的調度，通過數據網絡名（DNN）、上行分類器（ULCL）或者IPv6多歸屬等方案[7]實現邊緣UPF的選擇及特定數據業務分流。會話管理、QoS管理、連續性管理、計費、監聽等遵循5G核心網流程。5G MEC的部署編排系統應與5G網絡管理和編排（MANO）統一考慮，并與編排器進行融合。MEC能力開放應與NEF能力開放采用統一接口，支持邊緣側網絡能力開放。

5G網絡將以核心/大區、本地、邊緣三級DC+基站機房為基礎架構，虛擬化網元功能可按照場景部署在網絡相應的位置上，滿足各種低時延高帶寬的業務，如表2所示。通過在運營商站點機房、邊緣DC包括接入機房和匯聚機房部署MEC平臺和上層APP應用，使MEC更加貼近用戶側，實現更低的時延，以及流量就近轉發，以滿足車聯網、AR/VR、高清視頻、云辦公、智能家居等各種各樣的垂直行業應用，實現多種制式、融合接入、開放平臺。

圖6 5G局域網架構圖

圖7 移動邊緣計算與5G網絡的集成

基于5G網絡拓展邊緣云，可以充分發揮連接和網絡的優勢，整合云、網、邊、端能力為行業客戶提供一體化服務，同時開拓更多的創新應用。5G網絡和邊緣計算結合的優勢體現在如下幾點：

1）連接優勢，全覆蓋、多樣化的連接是運營商進入邊緣計算領域的核心切入點；

2）網絡優勢，高可靠、低時延、大帶寬、多連接、確定性以及業務安全的5G網絡用戶面是邊緣計算的核心錨點；

3）邊緣優勢，基于網絡云打造邊緣ICT融合資源池，向平臺和應用綜合服務能力延伸，實現性能和成本最優。

2.5 自動化運維技術

5G核心網全云化的部署是以云為核心對網絡進行規劃，并通過云+網提供一體化的服務，為客戶到云、云到云提供最短路徑、最優體驗和最安全可靠的保障。引入自動化工具鏈來解決網絡快速部署，如圖8所示，可以使得網絡部署速度跟上云業務“分鐘級”開通的需要。

通過打通規劃、建設、運維和優化整個流程，并集成整個工具鏈，實現5G核心網虛擬化建設的規劃設計、網絡部署和驗收測試的自動化，大幅縮短網絡建設時間。同時，通過友好的用戶交互界面在網絡集成的全生命周期中實現工具功能與客戶需求之間的“零距離”，有效解決了運營商在虛擬化網絡部署和運維中的痛點。

1）設計工具：通過圖形用戶界面（GUI）界面匯總硬件、云平臺、MANO及NF部署所需配置參數和資源要求，自動生成集成場景組件實例化參數文件和設計文檔；

2）部署工具：接收設計工具生成的實例化參數文件，完成硬件、云平臺、MANO及NF的部署，并完成NF局數據配置；

表2 不同邊緣場景下的業務分析

3）運維工具：在云平臺、MANO、NF完成部署后，日常維護支持根原因分析（RCA）多層故障告警關聯，自動巡檢網絡實時狀態，故障自愈以及自動派單處理；

4）網優工具：實時保障網絡的質量，通過對網絡關鍵性能指標（KPI）質量監控和對比，支持資源的重新分配，按需彈性擴容和優先級調度。

3 5G應用探索

5G應用并不能一蹴而就，還需一定時間。5G建設初期，主要依賴大視頻、云游戲等eMBB應用；近期，聚焦MEC園區網；遠期，聚焦垂直行業使能技術，拓展URLLC/mMTC行業市場。2019—2020年，5G在全球各區域均開展了試點部署，尤其是在中國市場：通過頭部行業試點探索，挖掘5G的典型應用，獲得了顯著的成果。下面，我們重點介紹5G在工業、教育、醫療、電力和車聯網等方面的應用。

1）5G+工業：基于端到端切片+MEC開展5G+工業的建設，可為企業快速構建起高安全隔離的行業虛擬專網。

圖8 端到端自動化流程

（1）園區數據訪問安全：MEC實現數據的本地存儲，關鍵數據內部傳輸不出園區，并且與公網隔離以保證安全性。

（2）生產采集數據快速分流：用戶面下沉到邊緣，提供穩定的高帶寬、低時延的網絡質量，同時將采集數據快速分流到工業互聯網分析平臺，為生產提供分析、告警、判決、調整等決策建議。

2）5G+教育：場景化應用的增多，推動了教育的升級。

（1）遠程VR/AR教室利用5G的大帶寬、低時延特性：結合5G核心網轉發面硬件的加速優化創新技術，較好地滿足了遠程VR/AR教室的網絡需求，實現了遠程教育“真人”化，使得在家上課也能享受與現場一樣的體驗。

（2）5G智慧校園：通過高清監控、人臉識別提供了業務層的解決方案，但這些新技術需要更好的網絡支撐才能發揮最大功效。通過部署增強的校園MEC平臺，利用5G LAN技術，構建了一張大帶寬、高可靠的強本地網，為智慧業務落地提供了堅實的網絡基礎設施。

3）5G+醫療：網絡切片和低時延保障技術的結合，解決了遠程醫療安全和性能瓶頸。

（1）借助于5G網絡切片，可以將醫院辦公等普通業務與遠程會診等高安全業務分別部署不同的專用網絡，徹底進行隔離，確保了遠程會診網絡的安全性。

（2）借助本地化的醫療MEC平臺/TSN等技術，實現了遠程醫療“最后一公里”的超低時延保障。

4）5G+電力：生產、園區管理、辦公等差異化較大的業務需求，可以通過切片等技術滿足電力生產管理的轉型升級。

（1）基于5G切片的隔離增強技術，構建完全隔離的電力生產專網，確保生產不受干擾。

（2）引入本地化的電力MEC平臺，將園區管理應用全部本地化部署，并利用5G無線大帶寬接入、MEC ICT資源共用、MEC平臺即服務（PaaS）能力開放、NPN等創新技術手段，實現了園區管理智能化高安全運轉。

（3）辦公系統全部上云，并利用邊緣云資源部署辦公本地化系統，實現辦公系統的云邊協同，上云的同時也確保了辦公體驗不下降。

5）5G+車聯網：加速自動駕駛網聯化，提升交通安全和效率。5G自動駕駛是基于攝像頭、雷達、全球定位系統（GPS）定位、視覺計算等單車智能化技術，結合5G網絡切片、MEC等新一代信息技術完成“車-路-人”網聯協同，實現智能化交通。

（1）車路協同安全輔助：MEC實時接收路側攝像頭、雷達、紅綠燈等智能設備上傳的信息，并提供視頻、信號等處理分析所需要的算力資源和云邊交互的通信路徑。

（2）自動駕駛協同感知控制：用戶面采用硬件加速技術并下沉邊緣，將核心網側的轉發時延由0.5 ms降低至0.2 ms，同時URLLC雙會話采用不同切片保障低時延高速移動場景下業務的連續性和高可靠性實現自動駕駛協同。

4 結束語

5G核心網作為連接消費互聯網和產業互聯網的中央處理器，提供全云化、用戶面加速、一體化MEC、行業使能技術包、多維切片、E2E自動化等全系列特性，統一調度全網連接資源，使能千行百業的創新，助力各行業的數字化轉型。