5G 核心網網絡架構及關鍵技術分析

劉大暢 丁浩 曾晶

【摘要】? ? 首先介紹5G核心網及其網絡架構，隨后詳細闡述網關控制與轉發功能分離與控制平面功能重構、移動邊緣計算、新型移動性管理和會話管理、網絡功能虛擬化（NFV）及網絡切片，最后對5G核心網的發展進行了總結并展望。

【關鍵字】? ? 5G核心網? ? ?NFV? ? 邊緣計算? ? 網絡切片

引言

通信技術在近幾十年跟隨著現代科學的演變革新趨勢，也同樣發生了翻天覆地的變化，尤其是移動通信技術，在各項應用中得到了廣泛的延伸，給人們生活的提供了很多便利。如今通信網絡的建設主體已由過去幾年的4G廣覆蓋轉變為5G的逐步推行，自2012年起，第5代移動通信系統在業界成為關注的重點，5G網絡的規劃與建設涉及的相關技術成為通信行業發展的熱點。事實表明，5G將開啟一個大連接、全業務的時代。

一、5G及其核心網概述

5G相關技術帶來的移動通信產業的變化，讓未來通信不僅僅是在追求更大帶寬、更高速率，或是更強的空中接口技術，而是想要建設以用戶為中心的彈性智能網絡。隨著5G網絡的建成，未來在任意時間和任意地點，人們之間、人和物之間、物與物之間的通信速率將能夠達到1Gbit/s，峰值下行速率甚至可達50Gbit/s。與此同時，用戶獲得的移動數據容量將更多、數據傳輸時延將更低、電池使用壽命將更長，而設備也可擁有更低的功耗、更多的終端連接。

而在整個5G網絡中，最為核心的便是5G核心網。核心網作為全連接和全業務的管理中樞，在5G網絡建設中處于至關重要的環節，它能夠滿足端到端的業務體驗需求，按需提供服務，支持多種多樣化的無線接入場景，可實現高效的網絡運營和靈活的網絡部署。

二、5G 核心網網絡架構

為了滿足不同場景下多樣化業務的需求，按需靈活部署的核心網建設勢在必行。5GC（5G core，5G核心網）充分利用了各領域技術優勢，打破傳統網絡的限制，通過對4G 核心網的解耦與重構，將傳統的4G EPC 核心網的網元按功能進行拆分，5GC控制平面的網元在SBA微服務的架構下使用統一的接口SBI（Service-based Interface，服務化接口）進行相互間的數據傳輸，并隨著NFV（network function virtualization，網絡功能虛擬化）和SDN（software defined networking，軟件定義網絡）等技術的成熟，5G核心網通過這些新技術實現網絡功能的重新部署，使得網絡由基于傳統的通信技術逐步向基于IT 技術實現轉型。

圖1 是基于服務的5GC 的主要架構，5G 核心網從功能模塊拆分，主要可分為CP（Control Plane，控制平面）與UP（User Plane，用戶平面），包括的主要網絡功能模塊如下：

其中AUSF、AMF、SMF、NSSF、NEF、NRF、PCF、UDM為控制面功能模塊，UPF為用戶面功能模塊，通過控制面功能模塊下發的策略對用戶數據處理進行控制。

UPF網元利用N6接口與運營商數據網絡DN進行數據的傳輸和轉發，AMF和UPF兩個網元分別通過N2和N3接口與接入網AN進行數據交換，并且適用于不同類型的網絡接入，如3GPP接入和非3GPP接入。外部AF可通過NEF與5GC交流。

5G核心網的功能之一在于實現了將網絡功能進行了不同模塊的劃分，在網絡功能模塊化的基礎之上將網絡的控制功能與轉發功能進行了完全的分離。其中，控制面可以實現集中化的模塊功能部署，同時實現調度并控制轉發平面的資源。用戶面則可進行集中式或者分布式的部署，當其部署在接近網絡邊緣時，可使用本地流量，提供就近的網絡傳輸服務，并能夠將端到端時延降低至毫秒級。

三、5G 核心網關鍵技術

5G 核心網關鍵技術主要包括網關控制與轉發功能分離與控制平面功能重構、移動邊緣計算、新型移動性管理和會話管理、網絡功能虛擬化（NFV）及網絡切片等。

3.1網關控制與轉發功能分離與控制平面功能重構

現有EPC移動核心網網關設備不僅包含路由轉發功能，同時還具備信令處理和業務處理等控制功能，控制功能與轉發功能之間呈現一種緊耦合的關系。而5G移動核心網，針對網關設備的控制功能與轉發功能進行了功能的分離處理，以一種網絡控制功能的集中化、轉發功能的分布化的技術趨勢發展。

由于基于5G技術的網絡服務相對應的終端和應用類型各有不同，其報文結構、移動規律、會話類型以及安全性需求等也具有差異。所以，網絡進行不同的功能設計才能應對不同應用場景的服務需求。5G網絡源于IT技術中“微服務”的技術思想，不同的功能通過分模塊的方式進行設計實現，相應的網絡功能組件可以通過各種形式按相應的需求組合，結合各種應用場景，實現不同邏輯網絡的構建，以滿足不同終端及應用的通信需求，為網絡切片和按需組網提供技術基礎。

3.2移動邊緣計算

傳統核心網中的網元往往是通過集中化的部署，在核心區域進行業務數據的分析與計算，而當核心網所部署的機房與用戶設備尤其是邊緣的用戶距離較遠時，會造成所產生的數據傳輸時延普遍較大。而5G核心網采用控制面與用戶面的分離，兩者通過N4接口進行數據交換，在控制面用于集中控制的前提下，由于用戶名主要進行數據轉發的操作，可實現分布式的部署。移動邊緣計算由ETSI組織提出，是為了保障用戶端也能夠進行相應的一些數據的分析與計算，在移動網絡邊緣通過部署相應的通用服務器，可直接提供IT服務環境以及邊緣的計算能力。總的來說，UPF與MEC想結合將負責轉發的用戶面以分布式的方式向下部署至網絡邊緣層，使其能夠在更靠近用戶的位置實現高效轉發，UPF通過將用戶采集的數據傳輸至本地數據網絡，在終端側相關的業務服務可就近實現分析，從而降低數據傳輸時延、減少網絡擁塞等情況。

3.3新型移動性管理和會話管理

網絡側移動性管理主要體現在兩個方面，一是在激活態維護會話的連續性，二是在空閑態保證用戶的可達性。根據終端的移動模型和其對應的業務特征，對移動性功能分為兩種狀態進行討論，分別是激活狀態和空閑狀態，根據實際需求可對狀態進行分析或者組合，通過不同的終端導向性，可選擇相應的移動性管理機制。根據不同移動性層級的特征，可以分為有無移動性、高/低移動性以及低功耗終端，提供相對應的有效支持，有效滿足5G網絡新型移動性管理的大部分需求。

在5G網絡中，各業務場景存在差異性，相應地存在一些需要低功耗、位置較為固定而無需時刻在線的移動物聯終端場景，這就需要網絡對于終端的移動性狀態及流程進行一定程度的優化，如在RRC Connected和RRC idle 狀態基礎上，可通過引入Inactive State或Power Saving狀態，對該特定狀態設計專用機制，實現終端服務大連接、低功耗等物聯網場景。

3.4網絡功能虛擬化（NFV）及網絡切片

5G核心網使用NFV/SDN技術，將5G核心網的各項網絡功能與硬件平臺解耦，網絡進一步實現“微服務”化的特點，產生不同的網絡功能模塊，針對不同業務場景和需求將這些網絡功能模塊進行組合后，可形成的特定的網絡切片。網絡切片不僅僅局限于核心網，還包括了接入網絡和IP承載網，網絡切片之間可實現資源共享或者是進行相互隔離。核心網控制平面的網絡切片采取的是服務化的架構，用戶平面可根據業務對轉發性能的要求進行靈活部署。

四、結束語

現如今，5G網絡技術伴隨著各種新興技術蓬勃而來，VR/AR、物聯網、自動駕駛等應用正逐步走入我們的視線，5G技術在各類新型應用場景下發揮著重要作用。而5G核心網是以SDN/NFV為技術基礎的網絡架構，并通過網絡切片、邊緣計算等關鍵技術加以支撐，進而滿足eMBB、mMTC、URLLC等應用場景下多樣化的業務需求。5G的廣泛應用已成為必然發展的趨勢，運營商需要結合對應的場景進行網絡的構建，來迎接5G發展的大潮流。

參? 考? 文? 獻

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