5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)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(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)發(fā)展需要及通信場景的差異化特點，全面探討5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與移動性等關(guān)鍵技術(shù)，緊密結(jié)合去中心化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，合理運用具有移動特點的網(wǎng)絡(luò)切面技術(shù)，為用戶提供良好的5G移動網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用體驗，為我國通信行業(yè)的發(fā)展保駕護航[1]。因此，我國移動通信相關(guān)部門應(yīng)嘗試研究5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)。

1 5G核心網(wǎng)總體架構(gòu)

5G核心網(wǎng)聯(lián)系5G三大業(yè)務(wù)場景需要完成系統(tǒng)規(guī)劃，為開展各種業(yè)務(wù)提供了條件。根據(jù)參考點選擇傳統(tǒng)架構(gòu)模式，建立了5G核心網(wǎng)的總體架構(gòu)。按網(wǎng)元與接口科學(xué)明確5G核心網(wǎng)概念，并科學(xué)遞延了4G核心網(wǎng)EPC。

5G核心網(wǎng)控制面聯(lián)系了服務(wù)化接口，獲得網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。對比服務(wù)化架構(gòu)與傳統(tǒng)參考點架構(gòu)，二者表現(xiàn)出明顯的控制面差異特點，可預(yù)防用戶面功能模塊與接口發(fā)生變化?？刂泼婢W(wǎng)絡(luò)功能模塊根據(jù)服務(wù)需求對接口統(tǒng)一處理，放棄傳統(tǒng)點對點的接口通信方式，科學(xué)運用請求命令，提高網(wǎng)絡(luò)的運行水平。有效整合NRF與服務(wù)化架構(gòu)，不斷提高控制面的自動化管理水平。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)運作時，訪問NRF注冊本地服務(wù)的IP地址、域名以及能力等數(shù)據(jù)，與NRF同步運行，下線操作時注冊NRF。服務(wù)化架構(gòu)利用NRF搜尋適合核心網(wǎng)功能模塊的對端，NRF根據(jù)命令傳輸功能信息[2-5]。

4G網(wǎng)元消失于5G服務(wù)化架構(gòu)，產(chǎn)生了網(wǎng)絡(luò)功能模塊，經(jīng)過彼此解耦，以標(biāo)準(zhǔn)接口進行聯(lián)系，以編排命令完成實例化部署與規(guī)劃。服務(wù)化架構(gòu)的特點是簡化了接口設(shè)計，改進了傳遞參數(shù)水平，調(diào)整了功能效率，增強了網(wǎng)絡(luò)控制的交互操作。

2 5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 網(wǎng)關(guān)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離

目前的移動核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)揮了路由轉(zhuǎn)發(fā)的作用，突出了控制特點，耦合了控制與轉(zhuǎn)發(fā)的操作。5G網(wǎng)絡(luò)根據(jù)SDN思想分離了控制與轉(zhuǎn)發(fā)操作，形成較高聚合度的控制面板，靈活布置分布式轉(zhuǎn)發(fā)面，見圖1。一旦徹底分離控制與轉(zhuǎn)發(fā)的功能，轉(zhuǎn)發(fā)面集中轉(zhuǎn)發(fā)路由的業(yè)務(wù)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(guī)劃移動流量，與管理手段緊密聯(lián)系，避免北向產(chǎn)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(zhuǎn)發(fā)面，預(yù)防發(fā)生大規(guī)模時延現(xiàn)象。通過單一方式逐一演進控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面，保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的靈活運用[6-8]。

圖1 網(wǎng)關(guān)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離

2.2 新型移動性管理和會話管理

5G網(wǎng)絡(luò)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(tài)，為得到在線數(shù)據(jù)需頻繁進行切換，嚴(yán)重消耗了信令，而在5G狀態(tài)，物聯(lián)網(wǎng)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(wù)、預(yù)定接入網(wǎng)等提供支撐，優(yōu)化了移動狀態(tài)。另外，網(wǎng)絡(luò)結(jié)合條件變化趨勢管理終端，為部分特殊工作區(qū)域的垂直用戶提供等級高的移動管理，避免中斷業(yè)務(wù)，迅速做出反應(yīng)，當(dāng)跨越這一區(qū)域后，網(wǎng)絡(luò)動態(tài)調(diào)整終端移動，令其達到最低標(biāo)準(zhǔn)，進而增加能效。5G與4G對比升級了創(chuàng)建模式、設(shè)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(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了雙向發(fā)展，但在中后期科學(xué)引入了NB-IoT技術(shù)，最大程度降低了網(wǎng)絡(luò)資源的耗損，以解耦方法設(shè)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(wǎng)絡(luò)間形成較大耦合性。在LTE系統(tǒng)內(nèi)事先建立連接，以快速傳輸數(shù)據(jù)，雖然物聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時浪費了信令資源，但是5G發(fā)送數(shù)據(jù)不需要會話支持，可在控制面和用戶面直接發(fā)送用戶數(shù)據(jù)，實現(xiàn)無隧道傳輸數(shù)據(jù)。由2G、3G到LTE系統(tǒng)，由蜂窩網(wǎng)形成的GTP隧道傳遞了大量IP數(shù)據(jù)，體現(xiàn)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(yōu)先采取節(jié)點隧道。

2.3 新型QoS機制

由于QoS策略與業(yè)務(wù)深入耦合，及QoS策略執(zhí)行與業(yè)務(wù)感知、計費有效聯(lián)動等因素，根據(jù)5G思想創(chuàng)新設(shè)計方案。基于承載標(biāo)識數(shù)據(jù)流QoS參數(shù)的EPS及Traffic根據(jù)TFT對承載的映射操作，五元組利用互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)協(xié)議承載各種類型業(yè)務(wù)，利用EFS承載綁定QoS，這一機制難以達到互聯(lián)網(wǎng)差異化控制的標(biāo)準(zhǔn)。5G異常靈敏的粒度功能處理了數(shù)據(jù)流標(biāo)識，建立了全新的標(biāo)識流機制，根據(jù)控制面設(shè)定QoS策略，終端轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流，由端到端執(zhí)行差異化控制。用戶面科學(xué)設(shè)定業(yè)務(wù)感知功能，借網(wǎng)絡(luò)識別數(shù)據(jù)流，另外5G網(wǎng)絡(luò)還系統(tǒng)思考計費計量與統(tǒng)計解耦功能，促進用戶界面利用QoS完成運營操作[10]。

2.4 網(wǎng)絡(luò)能力開放

未來5G網(wǎng)絡(luò)將調(diào)用控制功能、制定網(wǎng)絡(luò)資源以及全面放開業(yè)務(wù)等作為研究趨勢。這一研究的前提是移動網(wǎng)絡(luò)將運行能力分別賦予各個網(wǎng)元，即用戶位置數(shù)據(jù)、網(wǎng)元負載數(shù)據(jù)以及運營商組網(wǎng)數(shù)據(jù)等，而運營商網(wǎng)絡(luò)要融合以上數(shù)據(jù)設(shè)計需求，為第三方創(chuàng)造條件。傳統(tǒng)第三方業(yè)務(wù)與移動網(wǎng)絡(luò)各自采取運營方法，增加了網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確分配業(yè)務(wù)的難度。5G網(wǎng)絡(luò)的開放特點為第三方業(yè)務(wù)注冊與安裝提供了參照制度，耦合了業(yè)務(wù)和移動網(wǎng)絡(luò)，提高了業(yè)務(wù)管理水平，緊密聯(lián)系第三方業(yè)務(wù)和用戶側(cè)完成運營，在傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流中避免嚴(yán)重時延，為骨干網(wǎng)減輕傳輸壓力。另外，5G網(wǎng)絡(luò)為用戶和業(yè)務(wù)帶來了很多統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這也是大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。5G網(wǎng)絡(luò)基于能力開放平臺連接大數(shù)據(jù)中心平臺，精確分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，提高5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用價值。

3 5G網(wǎng)絡(luò)演進

3.1 演進步驟

首先，網(wǎng)絡(luò)DC化。ATCA架構(gòu)應(yīng)用在傳統(tǒng)網(wǎng)元的硬件，捆綁了所有廠家的軟硬件，不能實現(xiàn)連通，而5G核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)分離了軟硬件，聯(lián)系基礎(chǔ)設(shè)施建立了統(tǒng)一DC云。

其次，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分布化。一般集中部署4G網(wǎng)元，在控制面和用戶面分別設(shè)計網(wǎng)元，導(dǎo)致遠距離用戶在傳輸數(shù)據(jù)時發(fā)生了時延。而5G應(yīng)用場景表現(xiàn)出低延時與高可靠特點，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分離了控制面與用戶面，且以集中方法規(guī)劃控制面，下沉用戶面使其與用戶緊密聯(lián)系，突出了低時延的優(yōu)勢。

最后，多切片統(tǒng)一接入。5G的重要特點之一是網(wǎng)絡(luò)切片，需結(jié)合不同場景調(diào)整自身功能，如大寬帶對應(yīng)高清視頻，高可靠低時延通信對應(yīng)自動駕駛。網(wǎng)絡(luò)切片分割物理網(wǎng)絡(luò)形成了若干邏輯網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生對應(yīng)的業(yè)務(wù)場景，降低了規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)硬件的費用。因此要想在同一場景產(chǎn)生若干切片，應(yīng)保證管理和接入的統(tǒng)一性。

3.2 部署建議

3.2.1 開展網(wǎng)絡(luò)云化操作

4G向5G過渡，需開展網(wǎng)絡(luò)云化操作，即選擇合理手段創(chuàng)建云基礎(chǔ)架構(gòu)。為適應(yīng)多個場景業(yè)務(wù)，需聯(lián)系目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)云基礎(chǔ)設(shè)施。比如，根據(jù)核心網(wǎng)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(wǎng)在省級DC規(guī)劃控制面，核心網(wǎng)用戶面則選擇地市核心DC實現(xiàn)規(guī)劃，而低時延區(qū)域不斷下沉UPF，在地市邊緣DC規(guī)劃，5G的DC架構(gòu)見圖2。

圖2 5G DC架構(gòu)

3.2.2 鉆研核心網(wǎng)虛擬化技術(shù)

當(dāng)前我國的運營商通過傳統(tǒng)硬件設(shè)計4G商用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元，極少應(yīng)用NFV架構(gòu)，因此系統(tǒng)分析核心網(wǎng)虛擬化的應(yīng)用至關(guān)重要。此外，5G全面覆蓋還要走很長一段路，可借用4G網(wǎng)絡(luò)，在5G與4G之間交互操作，如此需要聯(lián)系當(dāng)前的運營商，采取合理的方式，具體如下。

（1）穩(wěn)定開展5G業(yè)務(wù)。目前，5G核心網(wǎng)未達到較高的成熟性，而國內(nèi)運營的4G網(wǎng)絡(luò)具備了業(yè)務(wù)發(fā)展的條件。綜合各方面情況，建議利用Option2方式部署規(guī)劃5G。另外，該種方式不影響現(xiàn)網(wǎng)運行，簡化了操作過程，聯(lián)系了5G核心網(wǎng)與4GEPC，但也引發(fā)了一系列的問題，如5G不能全覆蓋、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)頻繁切換等。

（2）迅速發(fā)展5G業(yè)務(wù)，把握時機。在5G業(yè)務(wù)發(fā)展初期建議利用Option7/Option4方式，該方式需升級現(xiàn)網(wǎng)，5G核心網(wǎng)絡(luò)同步發(fā)展業(yè)務(wù)，提高了終端的操作要求，實現(xiàn)了雙連接。

4 結(jié) 論

第五代通信系統(tǒng)在未來將圍繞終端、網(wǎng)絡(luò)以及無線接入等內(nèi)容實現(xiàn)創(chuàng)新與發(fā)展，并且表現(xiàn)出較大優(yōu)勢。5G網(wǎng)絡(luò)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(wù)提供給人們，同時5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)非常靈活，具有極強的擴展性，可以按照需求完成組網(wǎng)，對不同行業(yè)用戶實現(xiàn)覆蓋，開展不同類型的業(yè)務(wù)。另外，當(dāng)前的通信系統(tǒng)借助5G網(wǎng)絡(luò)將最大程度降低能耗，達到節(jié)能的目標(biāo)。