5G時代核心網(wǎng)發(fā)展探討

摘要：隨著數(shù)字化技術(shù)的變革，移動通信技術(shù)在飛速發(fā)展，從語音到數(shù)字再到流量經(jīng)營，大連接、低時延、高速率、高可靠的網(wǎng)絡(luò)需求日益增加，第五代移動通信業(yè)技術(shù)也成為了全球研發(fā)熱點。未來的5G網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智慧醫(yī)療等方方面面。在全球業(yè)界的共同努力下，5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵能力及應(yīng)用場景已經(jīng)基本確定，預(yù)計2020年我國實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的商用，在此過程中，核心網(wǎng)將全面顛覆以往的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)如何發(fā)展起著關(guān)鍵性的作用，尤其在核心網(wǎng)未來技術(shù)發(fā)展方向，演進過程中面臨著嚴峻的考驗。

隨著5G技術(shù)的到來，世界即將步入一個數(shù)據(jù)大爆炸的時代，這將是一個跳躍性的發(fā)展、是一場變革，它將意味著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將實現(xiàn)顛覆性的轉(zhuǎn)變。它將不再是人與人之間的通信，轉(zhuǎn)而變成人與物、物與物之間的通信，這種大連接、低時延、高速率的網(wǎng)絡(luò)將會給核心網(wǎng)帶來巨大的影響。隨著5G商用時間點的逼近，核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)如何發(fā)展將起著關(guān)鍵性的作用，尤其在核心網(wǎng)未來技術(shù)發(fā)展方向、演進過程中面臨著嚴峻的考驗。

1 核心網(wǎng)現(xiàn)狀與問題分析

在前不久舉辦的2018上海世界移動大會上，中國聯(lián)通、中國移動和中國電信三大運營商亮出了時間表：計劃到2020年，實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)正式商用。作為第五代移動通信，5G網(wǎng)絡(luò)帶給人們的第一感覺是速度快。4G時代主要實現(xiàn)了“人與人”的快速通訊連接，但5G的“志向”遠不止于此，它的目標是要讓更多的“人和物”、“物和物”快速相連，進而推進萬物互聯(lián)時代的到來。5G的高速率、高穩(wěn)定性和低時延特性將提高無人駕駛的安全性能，除了無人駕駛，在遠程操控、智能家居等應(yīng)用場景也將進一步走近消費者。根據(jù)目前業(yè)界的分析，全球5G應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅饕�集中在車�?lián)網(wǎng)、公共安全、智慧城市、媒體及信息娛樂四個方面。這也是業(yè)界人士認為5G網(wǎng)絡(luò)最大的價值，“能夠和更多的產(chǎn)業(yè)深度融合”。

當前，中國移動對5G 基本架構(gòu)已有初步共識，就是要支持多種接入、降低不同接入方式和核心網(wǎng)的耦合、實現(xiàn)按需的組網(wǎng)、借力NFV/SDN技術(shù)。NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）技術(shù)的出現(xiàn)有效的解決了核心網(wǎng)架構(gòu)的弊端，為運營商提供了一個良好的發(fā)展機遇，將NFV技術(shù)引入移動核心網(wǎng)具有重要意義。

隨著商用時間的逼近，5G網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)到了發(fā)展的關(guān)鍵時期，中國移動提出了5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)三大設(shè)計原則，首先是從剛性到軟性，也就是從固態(tài)網(wǎng)絡(luò)到動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化、網(wǎng)絡(luò)功能的解耦和服務(wù)化。其次是移動網(wǎng)絡(luò)IP化、互聯(lián)網(wǎng)化，也就是實現(xiàn)與IT網(wǎng)絡(luò)互通融合，引入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。最后是集中化智能和分布化處理，集中化智能—功能集中化，為垂直行業(yè)提供個性化增值服務(wù)，并分布化處理—移動網(wǎng)絡(luò)功能靠近用戶，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低時延。以SDN/NFV 技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)云化，加上微服務(wù)設(shè)計，這意味著5G 網(wǎng)絡(luò)真正走向開放化、服務(wù)化、軟件化方向，有利于實現(xiàn)5G與垂直行業(yè)融合發(fā)展。

今年6月，3GPP 5G NR標準SA（獨立組網(wǎng)）方案正式完成并發(fā)布，標志著首個真正完整意義的國際5G標準正式出爐。SA獨立組網(wǎng)相對于NSA（非獨立組網(wǎng)）存在，其引入的新能力也是5G區(qū)別于4G的一個重要特征。NSA模式是只建5G基站，不建5G核心網(wǎng)，不能做到終端到終端直達的5G網(wǎng)絡(luò)，信號傳輸要經(jīng)過的路徑多，時延也很長，不能很好地支持網(wǎng)路切片、邊緣計算等5G的技術(shù)特征。而SA獨立組網(wǎng)模式下，5G的基站連接5G的核心網(wǎng)，可通過核心網(wǎng)下沉部署到基站側(cè)，使傳輸信號所需要經(jīng)過的路徑很少，可以直接從基站側(cè)到達業(yè)務(wù)服務(wù)器。

在4G網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的核心網(wǎng)網(wǎng)元之間有著固定的通訊鏈路和通訊路徑，用戶的位置信息必須從無線基站上報給MME，然后由MME通過S-GW傳遞給P-GW，最終傳遞給PCRF進行策略的更新。而在5G核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)下，各網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)之間可以根據(jù)需求任意通訊，極大地優(yōu)化了通訊路徑。

伴隨著虛擬化技術(shù)運用在電信領(lǐng)域，傳統(tǒng)意義上的核心網(wǎng)網(wǎng)元實現(xiàn)了軟硬件解耦，軟件部分被稱為網(wǎng)絡(luò)功能（Network Function）。3GPP定義的服務(wù)化結(jié)構(gòu)將一個網(wǎng)絡(luò)功能進一步拆分成若干個自包含、自管理、可重用的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)（NF Service），這些網(wǎng)絡(luò)功能相互之間解耦，具備獨立升級、獨立彈性的能力，具備標準接口與其他網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)互通，并且可通過編排工具根據(jù)不同的需求進行編排和實例化部署。這種網(wǎng)元拆分與經(jīng)常談?wù)摰脑圃�生或微服�?wù)架構(gòu)有著相似的理念，而3GPP進行了標準化定義，并為每個5G網(wǎng)絡(luò)功能定義了一組具備對外互通標準接口的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)。

2 基于5G核心網(wǎng)演進

5G時代通信技術(shù)的另一次變革，實現(xiàn)了由個人應(yīng)用向行業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。隨著5G時代的到來，核心網(wǎng)需要不斷演進以適應(yīng)更高流量需求及更優(yōu)的業(yè)務(wù)體驗。

2.1 核心網(wǎng)NFV

定義：NFV（Network Functions Virtualization）網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，是指通過使用虛擬化軟件技術(shù)，實現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)元的軟硬解耦，不同廠家的軟件運行在統(tǒng)一的虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施上。它的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）降低運營商總體CAPEX/OPEX；

（2）減少新業(yè)務(wù)及服務(wù)市場投放時間；

（3）增加架構(gòu)靈活性，實現(xiàn)彈性架構(gòu)；

（4）更加開放的虛擬化應(yīng)用及純軟件應(yīng)用的平臺；

（5）降低創(chuàng)新業(yè)務(wù)的開發(fā)部署成本。

從今天的網(wǎng)絡(luò)向未來NFV網(wǎng)絡(luò)演進，意味著：

業(yè)務(wù)部署復(fù)雜，向靈活快速部署演進；

運維復(fù)雜，向簡化運維演進；

硬件設(shè)備種類多種多樣，向歸一化硬件、資源共享演進；

創(chuàng)新困難、商業(yè)機會有限，向推動創(chuàng)新、多商用機會演進。

NFV是未來網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)性技術(shù)，有助于實現(xiàn)軟件化的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)。核心網(wǎng)虛擬化是NFV在移動核心網(wǎng)中的具體應(yīng)用，其最終目標是利用標準的X86服務(wù)器存儲和交換設(shè)備來取代原通信網(wǎng)絡(luò)中專用網(wǎng)元。X86標準的IT設(shè)備成本低廉，能夠為運營商節(jié)省大量的投資成本。經(jīng)過軟硬件解耦后，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能將不再依靠傳統(tǒng)專用硬件，能夠?qū)崿F(xiàn)資源的靈活共享，并有利于新業(yè)務(wù)的開發(fā)和快速部署。

2.2 網(wǎng)絡(luò)切片

移動通信系統(tǒng)每十年變遷，技術(shù)支持應(yīng)用，應(yīng)用基于場景：3G、4G的發(fā)展得益于移動互聯(lián)網(wǎng)，5G除了移動互聯(lián)增強，另一驅(qū)動力來自于物聯(lián)網(wǎng)。4G升級5G，從移動互聯(lián)到萬物互聯(lián)時代。5G將在8大KPI指標上實現(xiàn)對4G的全面超越。其中峰值數(shù)據(jù)傳輸速率將達到20Gbit/s，用戶體驗速率達到100Mbit/s，時間延遲低于1ms。以上指標都是傳統(tǒng)4G技術(shù)所無法實現(xiàn)的，這也預(yù)示著5G將采用全新的技術(shù)方案，因此我們需要-網(wǎng)絡(luò)切片。

網(wǎng)絡(luò)切片可以實現(xiàn)：

（1）針對大型企業(yè)/垂直和MVNO的新型服務(wù)，按需滿足不同經(jīng)濟形式的“恰到好處”的服務(wù)

（2）能夠針對特定服務(wù)的價格和性能進行優(yōu)化

（3）增強安全性，通過特定的加密技術(shù)和隔離進行定制服務(wù)

（4）跨運營商的行業(yè)切片部署（例如，針對國家智能電網(wǎng)的兩個運營商之間的

（5）網(wǎng)絡(luò)切片或用于全球服務(wù)范圍的聯(lián)合切片）

5G網(wǎng)絡(luò)切片將成為5G時代面向垂直行業(yè)的第一應(yīng)用和基礎(chǔ)業(yè)務(wù)形式，面向垂直行業(yè)的需求，提供定制化、相互隔離、質(zhì)量可保證的專用邏輯網(wǎng)絡(luò)。

◆網(wǎng)絡(luò)切片的概念

網(wǎng)絡(luò)切片是端到端的邏輯功能集合和其所需的物理或虛擬資源，包括接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)等，網(wǎng)絡(luò)切片可認為是5G網(wǎng)絡(luò)中的虛擬化“專網(wǎng)”。

網(wǎng)絡(luò)切片可基于傳統(tǒng)的專有硬件構(gòu)建，也可基于NFV/SDN的通用基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建，建議基于統(tǒng)一平臺構(gòu)建，實現(xiàn)低成本高效運營。

◆網(wǎng)絡(luò)切片的選擇

NSSF與NRF為5G區(qū)別于4G網(wǎng)絡(luò)的新增功能實體，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片相關(guān)功能。

表1 5G新增功能實體

NRF

5G新引入，類似增強DNS功能

分層部署

NSSF

5G新引入，切片選擇

分省集中部署

網(wǎng)絡(luò)切片選擇協(xié)助信息（NSSAI）

作為簽約信息，標識特定的網(wǎng)絡(luò)切片，同時由終端攜帶，UE通過NSSAI來進行RAN和CN的網(wǎng)絡(luò)切片實例的選擇。

網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能（NSSF）

引入獨立的NSSF控制平面網(wǎng)絡(luò)功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的靈活選擇，為UR選擇網(wǎng)絡(luò)切片實例集，確定允許的NSSAI，并基于配置或者向NRF詢問來確定為UE服務(wù)的AMF集。

◆網(wǎng)絡(luò)切片部署策略

根據(jù)標準的完善程度、產(chǎn)品支持情況、用戶需求，網(wǎng)絡(luò)切片的部署建議：單域到跨域，由核心網(wǎng)逐步演進至無線、傳輸領(lǐng)域；切片業(yè)務(wù)類型由eMBB業(yè)務(wù)逐步到uRLLC /mIoT，再按需擴展；切片設(shè)計由運營商獨立設(shè)計到切片能力開放；切片管理由基本的切片配置管理及生命周期管理到自動化編排。單域到跨域，由核心網(wǎng)逐步演進至無線、傳輸領(lǐng)域；切片業(yè)務(wù)類型由eMBB業(yè)務(wù)逐步到uRLLC /mIoT，再按需擴展；切片設(shè)計由運營商獨立設(shè)計到切片能力開放；各切片獨立管理，獨立升級，獨立演進；切片管理由基本的切片配置管理及生命周期管理到自動化編排。

根據(jù)不同場景選擇不同的方案：

運營商個人用戶切片場景：AMF/PCF/UDM/NRF共享，不同切片包含不同的SMF/UPF；由運營商統(tǒng)一控制切片之間采用的策略；切片間使用相同的用戶簽約數(shù)據(jù)；

企業(yè)專網(wǎng)切片場景：AMF/UDM/NRF共享，SMF/UPF/PCF每個切片單獨部署，通過在切片中部署獨立的策略管理，每個切片可以為會話和業(yè)務(wù)路由設(shè)定特定的策略；

有獨立放卡放號需求的虛擬運營的場景：AMF/SMF/UPF/NRF/UDM/PCF每個切片單獨部署；

通過上面的分析，我們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)成為了移動核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改革的新元素。各設(shè)備廠商也將開始陸續(xù)發(fā)布設(shè)備產(chǎn)品。

5G技術(shù)在通信網(wǎng)的發(fā)展還需要進一步研發(fā)與測試，其性能與可靠性還需要做進一步的改進。

3 結(jié)束語

本文對當前核心網(wǎng)現(xiàn)狀及問題進行了詳細的分析，在此基礎(chǔ)上，闡述了核心網(wǎng)未來發(fā)展方向所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，包括NFV虛擬化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)等。通過對關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的探討，分析了今后核心網(wǎng)依靠關(guān)鍵技術(shù)演進的過程，尤其重點分析網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的部署對網(wǎng)絡(luò)未來演進發(fā)展的影響。

大視頻、物聯(lián)網(wǎng)、VR/AR、自動駕駛的快速發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò)容量、可靠性提出了新要求，核心網(wǎng)5G演進是必然趨勢，相信通過技術(shù)發(fā)展，能夠為5G助力，提升運營商未來發(fā)展競爭力。

參考文獻：

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[3] 月球,肖子玉. 5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片部署方案[J]. 2018. ★

作者簡介：

史芳芳：工程師，碩士，就職于中國移動通信集團設(shè)計院有限公司黑龍江分公司，主要從事核心網(wǎng)規(guī)劃及新技術(shù)研究。

宋先睿：工程師，碩士，就職于中國移動通信集團設(shè)計院有限公司黑龍江分公司，主要從事核心網(wǎng)規(guī)劃及新技術(shù)研究。

作者：史芳芳 宋先睿 來源：《移動通信》