5G核心網網絡架構及關鍵技術研究

卜何聰

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

基于5G網絡的業務發展需要及通信場景的差異化特點，全面探討5G網絡架構與移動性等關鍵技術，緊密結合去中心化網絡結構，合理運用具有移動特點的網絡切面技術，為用戶提供良好的5G移動網絡應用體驗，為我國通信行業的發展保駕護航[1]。因此，我國移動通信相關部門應嘗試研究5G核心網網絡架構及關鍵技術。

1 5G核心網總體架構

5G核心網聯系5G三大業務場景需要完成系統規劃，為開展各種業務提供了條件。根據參考點選擇傳統架構模式，建立了5G核心網的總體架構。按網元與接口科學明確5G核心網概念，并科學遞延了4G核心網EPC。

5G核心網控制面聯系了服務化接口，獲得網絡架構。對比服務化架構與傳統參考點架構，二者表現出明顯的控制面差異特點，可預防用戶面功能模塊與接口發生變化。控制面網絡功能模塊根據服務需求對接口統一處理，放棄傳統點對點的接口通信方式，科學運用請求命令，提高網絡的運行水平。有效整合NRF與服務化架構，不斷提高控制面的自動化管理水平。當網絡服務運作時，訪問NRF注冊本地服務的IP地址、域名以及能力等數據，與NRF同步運行，下線操作時注冊NRF。服務化架構利用NRF搜尋適合核心網功能模塊的對端，NRF根據命令傳輸功能信息[2-5]。

4G網元消失于5G服務化架構，產生了網絡功能模塊，經過彼此解耦，以標準接口進行聯系，以編排命令完成實例化部署與規劃。服務化架構的特點是簡化了接口設計，改進了傳遞參數水平，調整了功能效率，增強了網絡控制的交互操作。

2 5G網絡關鍵技術

2.1 網關控制與轉發分離

目前的移動核心網網關設備發揮了路由轉發的作用，突出了控制特點，耦合了控制與轉發的操作。5G網絡根據SDN思想分離了控制與轉發操作，形成較高聚合度的控制面板，靈活布置分布式轉發面，見圖1。一旦徹底分離控制與轉發的功能，轉發面集中轉發路由的業務信息，控制平面為提高操作效率，選擇了集中特點的邏輯模式，合理規劃移動流量，與管理手段緊密聯系，避免北向產生大量接口，增加了南向接口的延展性。采取集中方法部署控制面，在接口進行移動流控制，以編程方法有效控制轉發面，預防發生大規模時延現象。通過單一方式逐一演進控制面與轉發面，保證網絡系統的靈活運用[6-8]。

圖1 網關控制與轉發分離

2.2 新型移動性管理和會話管理

5G網絡為不同等級的移動管理提供了支撐，改善了移動功能。在4G狀態，為得到在線數據需頻繁進行切換，嚴重消耗了信令，而在5G狀態，物聯網終端降低了運行損耗，解決了永遠在線的問題。利用移動特點，為控制面或用戶面服務、預定接入網等提供支撐，優化了移動狀態。另外，網絡結合條件變化趨勢管理終端，為部分特殊工作區域的垂直用戶提供等級高的移動管理，避免中斷業務，迅速做出反應，當跨越這一區域后，網絡動態調整終端移動，令其達到最低標準，進而增加能效。5G與4G對比升級了創建模式、設計思想、承載制度以及傳輸方法，解決了永遠在線的問題。LTE時期將永遠在線作為核心特點，融合了智能終端與移動互聯網，實現了雙向發展，但在中后期科學引入了NB-IoT技術，最大程度降低了網絡資源的耗損，以解耦方法設計會話與移動性的管理[9]。

在5G控制面功能中，以解耦方法管理移動性與連接操作，提高了部署的靈活性，避免網絡間形成較大耦合性。在LTE系統內事先建立連接，以快速傳輸數據，雖然物聯網傳輸數據時浪費了信令資源，但是5G發送數據不需要會話支持，可在控制面和用戶面直接發送用戶數據，實現無隧道傳輸數據。由2G、3G到LTE系統，由蜂窩網形成的GTP隧道傳遞了大量IP數據，體現了移動性，但也消耗了資源，降低了FMC的運行效率，而在5G連接管理過程中，無移動性的連接可拋棄隧道，或是優先采取節點隧道。

2.3 新型QoS機制

由于QoS策略與業務深入耦合，及QoS策略執行與業務感知、計費有效聯動等因素，根據5G思想創新設計方案。基于承載標識數據流QoS參數的EPS及Traffic根據TFT對承載的映射操作，五元組利用互聯網業務協議承載各種類型業務，利用EFS承載綁定QoS，這一機制難以達到互聯網差異化控制的標準。5G異常靈敏的粒度功能處理了數據流標識，建立了全新的標識流機制，根據控制面設定QoS策略，終端轉發數據流，由端到端執行差異化控制。用戶面科學設定業務感知功能，借網絡識別數據流，另外5G網絡還系統思考計費計量與統計解耦功能，促進用戶界面利用QoS完成運營操作[10]。

2.4 網絡能力開放

未來5G網絡將調用控制功能、制定網絡資源以及全面放開業務等作為研究趨勢。這一研究的前提是移動網絡將運行能力分別賦予各個網元，即用戶位置數據、網元負載數據以及運營商組網數據等，而運營商網絡要融合以上數據設計需求，為第三方創造條件。傳統第三方業務與移動網絡各自采取運營方法，增加了網絡準確分配業務的難度。5G網絡的開放特點為第三方業務注冊與安裝提供了參照制度，耦合了業務和移動網絡，提高了業務管理水平，緊密聯系第三方業務和用戶側完成運營，在傳輸業務數據流中避免嚴重時延，為骨干網減輕傳輸壓力。另外，5G網絡為用戶和業務帶來了很多統計數據，這也是大數據分析的基礎。5G網絡基于能力開放平臺連接大數據中心平臺，精確分析網絡數據，提高5G網絡的應用價值。

3 5G網絡演進

3.1 演進步驟

首先，網絡DC化。ATCA架構應用在傳統網元的硬件，捆綁了所有廠家的軟硬件，不能實現連通，而5G核心網服務化架構分離了軟硬件，聯系基礎設施建立了統一DC云。

其次，網絡架構分布化。一般集中部署4G網元，在控制面和用戶面分別設計網元，導致遠距離用戶在傳輸數據時發生了時延。而5G應用場景表現出低延時與高可靠特點，優化了網絡架構，分離了控制面與用戶面，且以集中方法規劃控制面，下沉用戶面使其與用戶緊密聯系，突出了低時延的優勢。

最后，多切片統一接入。5G的重要特點之一是網絡切片，需結合不同場景調整自身功能，如大寬帶對應高清視頻，高可靠低時延通信對應自動駕駛。網絡切片分割物理網絡形成了若干邏輯網絡，每個網絡產生對應的業務場景，降低了規劃網絡硬件的費用。因此要想在同一場景產生若干切片，應保證管理和接入的統一性。

3.2 部署建議

3.2.1 開展網絡云化操作

4G向5G過渡，需開展網絡云化操作，即選擇合理手段創建云基礎架構。為適應多個場景業務，需聯系目標網絡建設云基礎設施。比如，根據核心網特點劃分為3個等級，即省級DC、地市核心DC以及城市邊緣DC。若5G核心網在省級DC規劃控制面，核心網用戶面則選擇地市核心DC實現規劃，而低時延區域不斷下沉UPF，在地市邊緣DC規劃，5G的DC架構見圖2。

圖2 5G DC架構

3.2.2 鉆研核心網虛擬化技術

當前我國的運營商通過傳統硬件設計4G商用網絡網元，極少應用NFV架構，因此系統分析核心網虛擬化的應用至關重要。此外，5G全面覆蓋還要走很長一段路，可借用4G網絡，在5G與4G之間交互操作，如此需要聯系當前的運營商，采取合理的方式，具體如下。

（1）穩定開展5G業務。目前，5G核心網未達到較高的成熟性，而國內運營的4G網絡具備了業務發展的條件。綜合各方面情況，建議利用Option2方式部署規劃5G。另外，該種方式不影響現網運行，簡化了操作過程，聯系了5G核心網與4GEPC，但也引發了一系列的問題，如5G不能全覆蓋、數據業務頻繁切換等。

（2）迅速發展5G業務，把握時機。在5G業務發展初期建議利用Option7/Option4方式，該方式需升級現網，5G核心網絡同步發展業務，提高了終端的操作要求，實現了雙連接。

4 結 論

第五代通信系統在未來將圍繞終端、網絡以及無線接入等內容實現創新與發展，并且表現出較大優勢。5G網絡堅持以人為本的思想，將高速率、高可靠性以及低延時的服務提供給人們，同時5G網絡架構非常靈活，具有極強的擴展性，可以按照需求完成組網，對不同行業用戶實現覆蓋，開展不同類型的業務。另外，當前的通信系統借助5G網絡將最大程度降低能耗，達到節能的目標。