5G核心網架構及演進研究

尤星

【摘要】? ? 文章闡述了5G核心網架構包含微服務架構、DevOps、容器化及動態編排等內容，分析現有5G核心網架構特點及劣勢，建議考慮產品成熟度與業務需求，5G商用需將其劃分為三個階段，分別為商用現有分組核心網、初期引入及中后期融合，以此實現5G核心網平滑演進。

【關鍵詞】? ? 5G? ? 核心網架構? ? 演進

引言：

移動通信改變了人們生活，為適應未來超高連接數、超高流量密度、超高移動性能需求，涌現出各種增強現實、虛擬現實、高清視頻等業務，且逐漸滲透至物聯網領域中，推動了5G系統的研發，滿足各行業需求。5G業務包含大連接、高速率、低延時等場景，推動移動通信深入行業領域，且借鑒IT的“微服務”領域，采取服務化架構拆解網絡功能為獨立NF，提供資管理、自包含、可重用網絡功能。5G網絡架構及業務鏈接特征對核心網提出了新的要求，應采取革命性、全新的技術架構，以業務及用戶需求為導向，構建云化、開放、敏捷的網絡。

一、5G核心網架構類型

5G網絡是基于4G網絡的新型網絡技術，核心組網架構可實現GW與UE的無縫切換，以邏輯層面而言，5G核心網架構可分為統一和新接入網絡與異構接入網絡。其中，統一核心網絡包含Core Cloud與Edge Cloud，異構接入網絡技術種類較多，無論是5G接入還是4G接入方式，均為異構接入網絡。5G核心網設計之初，已經應用SDN與NFV架構，組網架構包含以下內容：

1.微服務架構。以現有通信網絡而言，網絡升級與集成十分復雜，開放功能緩慢，微服務架構中增加諸多模塊，將統一應用程序分解為無固定狀態、小粒度的“微”服務。在松散狀態下，微服務可實現自動復制，平穩應對刪除、增加場景，無須重大改變，即便崩潰一個微服務，另一個也能夠立即代替，中間無間隔，不會對服務器運行造成影響。

2.DevOps內容。DevOps有助于人員測試、構建服務，包含微服務，可提高整體運作效率，管理微服務環境，實現自動化完成。

3.容器化。將軟件打包，應用集裝箱思想，運輸中密封集裝箱，到達目的地后打開，可提高運輸及裝卸效率。軟件打包中應用該原理，則可具有環境隔離性與重復性，人們應用中僅需將微服務或代碼打包至容器內，可在操作系統內運行。

4.動態編排。該內容作為管理、調度內容，能夠更好利用各項資源，操作中系統需管理主機資源的同時，也要適當管理容器，之后通過API接口集成器擴展任務。

二、5G核心網特點及問題

5G為滿足多樣場景下不同業務需求，應當做到按需服務，核心網靈活建設，通過借鑒先進技術，打破傳統局限性，實現架構創新發展，為網絡部署帶來了新的機遇。

1.在5G核心網發展下，其從4G“網元”向5G網絡解耦重構，結合統一規范要求及硬件設施，重新部署軟件功能，降低部署成本，實現靈活應用。但是，5G網絡接口較多，且增加了諸多功能，導致核心網部署難度有所提高。

2. 5G硬件應用中，可分為通用硬件及專屬硬件，需按照通用硬件情況，實現用戶面和控制面的分離，采取新型移動、繪畫管理模式，實現多功能網絡組合。而在實際運行中，虛擬設備由于研發較晚，仍有較大改進空間，性能、質量等均不滿足網絡要求，三層解耦不充分，需健全虛擬網絡編排。

3. 5G核心網絡中，使用互聯網協議，為其提供開放API標準，做到面向服務實現深度融合ICT接口與架構，共享成熟互聯網技術。但是，新舊通信協議的兼容及網絡運維態和設計態的切換，提出了新的運維管理要求。

4. 5G利用邊緣計算及網絡切片性能，使用專業邏輯網絡，借助網絡功能做到按需配置，以此為用戶提供優質服務。而實際運行中，網絡切片作為端到端理念，對于多專業切片協同管理具有較高要求，用戶種類較多，信息需求不同，為此應制定5G垂直商業發展規劃。

三、5G核心網架商用部署演進

考慮產品成熟度與業務需求，5G商用需將其劃分為三個階段，分別為商用現有分組核心網演進、初期引入策略建議及中后期融合EPC演進（見圖1）。

3.1核心網云化

電信云數據中心布局，云化分組域核心網，各個省市應當按照核心、邊緣這兩級電信云DC規劃的建設，以此滿足5G部署要求，實現分布式部署。并且，按照要求在低接入節點位置，接入邊緣計算設備，做好平面控制工作，核心DC完成MME及5GCP的部署，控制HSS/UDM網元，做到網絡的集中調度與控制，還能在省中心部署網絡5GUPF平面用戶設備。分部署用戶面部署中，邊緣DC部署GW-U、5GUPF等平面用戶網元，迅速卸載流量，優化用戶體驗與流量，促進網絡效率提高。在靈活部署功能中，網元向軟件化、通用平臺演進作為基礎，5G中先部署NFV，積累運維經驗，為資源調度提供支持。EPC核心網分離驗證，實現NFV主要網元云化試點驗證，驗證成熟后能夠對分組核心網增加容量及替換老舊設備，根據NFV云華設備加以考慮，使得核心網能夠平滑演進成5G核心網。

3.2 C/U網關分離

在規劃階段考慮迅速發展數據流量、CDN融合下沉與分布式5G核心網部署要求，根據省中心機房情況，調整網絡架構，將用戶面向地市下沉，提高用戶體驗。C/U分離架構如下：

1.以C/U分離部署。按照廠商產品成熟性，直接部署C/U分離NFV ，平滑演進至5GUPF。

2.以NFV云化部署。5G部署中NFV云化作為前提，網關可通過NFV云化方式實現直接下沉部署，平滑演進至5GUPF。

3.分步驟下沉。可采取分步驟下沉至地市方式，以確保現有傳統設備投資與網絡安全。

5G商用版本中3GPP R15作為第一個標準，運營商2018年下半年開始驗證5G網絡試點，實現端到端的網絡特性與功能驗證，為商用5G奠定技術儲備與驗證。

3.3核心網商用升級

在3GPP標準中部署模式分為非獨立組網與獨立組網，根據5G網絡部署線路，以核心網層面而言，部署核心網有兩種方式，選用option3/3a/3x 架構部署，需升級現網EPC為EPC+，采取其他部署模式，則需新建核心網。在EPC升級中，為支持option3x架構部署，升級為EPC+中需全部升級現有PCRF、 HSS網絡，支持QoS擴展、NR接入限制、5G簽約擴展、計費擴展等，網元升級包含DNS、SAE-GW、HSS、CG、MME、PCRF，新增5GNR和option3x之間S1-U接口，增強設備處理用戶面性能。5G核心網架構如下：

1.EPC核心網與5G核心網為實現互相操作，根據標準中的5G網絡功能融合EPC網絡功能。UDM/HSS融合，簽約管理統一，確保用戶數據相同;PCF/PCRF融合，策略管理統一，確保策略相同連續;UPF/PGW-U融合，用戶面錨點融合，不改變移動錨點確保連續業務;SMF/PGW-C融合，會話管理錨點統一。

2.PCRF和PCF融合、UDM 和HSS融合，做到換卡不換號，以免影響用戶正常生活，實現統一用戶數據管理，按照現網PCRF設備存量，實現硬件設施的平滑過渡與替換。

3.MME現網升級能夠為AMF及N26接口操作，實現傳遞會話、移動性管理等文件，做到業務與會話的無縫銜接，在5G網和EPC融合后，N26接口也演變成內部接口。AMF/MME融合中，可提高操作效率、共享資源，優化用戶體驗。5G與4G長期內實現共存，以N26接口的操作架構，能夠實現4G/5G業務平滑遷移與組網平滑演進。

4.5G信令網建設，和DRA融合演進，對于5G信令設備3GPP規范尚未提出明確要求，卻通過TS23.501明確proxy設備重要性。5G控制面板協議以3GPP將其確定成HTTP2.0，通過HTTP? proxy能夠均衡負載、簡化組網、控制流量、隱藏拓撲。部署5G信令網可應用Diameter/HTTP模式，應用省級與大區級組網模式，有助于4G/5G平滑演進。

5.在3GPP中確定以IMS為基礎提供語音業務，不能直接和2G/3G語音操作，不改變IMS網絡，按照5G部署方案，選擇IMS現網平滑演進。在基于EPC的5G語音部署中，沿用4G網絡處理語音流程，不改變IMS;基于5GC的5G語音部署，需增強IMS系統功能及接口，支持Vo NR。終端支持單注冊，網絡側比選部署單待切換終端方案，EPC與5G緊耦合部署，可實現5G與4G語音連續。

3.4統一核心網

在EPC核心網云化且ATCA傳統設備陸續退網后，可推動核心網平滑演進為云化全融合核心網，在同等基礎設施上實現5G與EPC核心網部署，vEPC能夠向上升級，以此支持5GC融合，而新建5GC可實現向下EPC兼容，融合網元功能，以此借助網絡切片實現業務場景多元化需求。

四、結束語

綜上所述，以網絡演進與支撐業務發展為核心，5G核心網建設未來將以EPC與5G核心融合組網架構為抓手，推進EPC云化轉型，實現5GC的成熟商用，優化網絡架構，實現云化融合核心網。根據核心網架構，提前布局基礎設備，按照各省需求實現基礎資源建設規劃。

參? 考? 文? 獻

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