5G核心网关键技术研究
聂衡1，赵慧玲2，毛聪杰1
（1.中国电信股份有限北京研究院，北京102209；
2.工业和信息化部通信科学技术委员会，北京100804）
【摘要】下一代5G网络的核心网已经基本完成R15的规范制定，基于发布的标准对5G核心网的组网方式，一些关键技术包括服务化架构、支持边缘计算、网络切片等进行了研究，总结了5G核心网与传统移动网络不同的全新架构和技术的主要特征，分析了这些技术的应用场景以及还存在的问题，提出了相关的技术应用和研究发展建议。
【关键词】5G核心网；服务化架构；边缘计算；网络切片
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.001
文章编号：1006-1010(2019)01-0002-05
引用格式：聂衡,赵慧玲,毛聪杰. 5G核心网关键技术研究[J]. 移动通信, 2019,43(1): 2-6.
1引言
目前国际标准组织已经基本完成5G核心网标准（3GPP R15）的制定，标准已经覆盖了5G核心网的基本特性，可以满足5G三大基础场景之一的eMBB（enhanced Mobile Broadband，增强的移动宽带）场景[1]。R15的5G核心网涉及到的标准化包括：网络切片、服务化架构、支持能力开放、支持边缘计算、接入和移动性管理、会话管理、用户面管理、会话与业务连续性、QoS模型、策略框架、支持不可信的非3GPP接入、支持IMS、SMS over NAS服务、4G/5G互操作与演进、认证框架、计费等。5G核心网采用了与传统移动网络不同的全新架构和技术，开启了传统电信网络向IT技术全面重构的第一步，并且与行业深度融合，满足垂直行业终端互联的多样化需求。
本文研究和分析了5G核心网的关键技术，提出了相关的技术和网络发展建议，可以为未来部署5G通信网络来发展各种业务提供技术支撑。
25G核心网的整体架构
5G核心网架构为用户提供数据连接和数据业务服务，基于NFV和SDN等新技术，其控制面网元之间使用服务化的接口进行交互。5G核心网系统架构主要特征如下：
（1）承载和控制分离：承载和控制可独立扩展和演进，可集中式或分布式灵活部署；
（2）模块化功能设计：可以灵活和高效地进行网络切片；
（3）网元交互流程服务化：按需调用，并服务可重复使用；
（4）每个网元可以与其他网元直接交互，也可通过中间网元辅助进行控制面的消息路由；
（5）无线接入和核心网之间弱关联：5G核心网是与接入无关并起到收敛作用的架构，3GPP和非3GPP均通过通用的接口接入5G核心网；
（6）支持统一的鉴权框架；
（7）支持无状态的网络功能，即计算资源与存储资源解耦部署；
（8）基于流的QoS：简化了QoS架构，提升了网络处理能力；
（9）支持本地集中部署的业务的大量并发接入，用户面功能可部署在靠近接入网络的位置，以支持低时延业务、本地业务网络接入。
图1为非漫游情况下的5G核心网的架构（服务化方式）[2]：
其中5G核心网涉及到的主要网元和功能如下：
（1）AMF（接入和移动性管理功能）：负责用户的接入和移动性管理；
（2）SMF（会话管理功能）：负责用户的会话管理；
（3）UPF（用户面功能）：负责用户面处理；
（4）AUSF（认证服务器功能）：负责对用户的3GPP和非3GPP接入进行认证；
（5）PCF（策略控制控制）：负责用户的策略控制，包括会话的策略、移动性策略等；
（6）UDM（统一数据管理）：负责用户的签约数据管理；
（7）NSSF（网络切片选择功能）：负责选择用户业务采用的网络切片；
（8）NRF（网络功能注册功能）：负责网络功能的注册、发现和选择；
（9）NEF（网络能力开放功能）：负责将5G网络的能力开放给外部系统；
（10）AF（应用功能）：与核心网互通来为用户提供业务。
UPF属于用户面，除了UPF之外的5G核心网网元都属于控制面。控制面网元全部都采用了服务化架构设计，彼此之间通信采用服务化接口；用户面继续采用传统架构和接口。控制面和用户面之间的接口（N4）目前还是传统接口，控制面和无线网以及控制面与终端之间也是传统接口（N2和N1）。
将5G核心网与4G核心网EPC进行比较，可以看出5G相比4G在基本功能如认证、移动性管理、连接、路由等方面不变，但是方式和技术手段发生了变化，更加灵活。主要体现在：移动性管理（AMF）和会话管理（SMF）分离，AMF和SMF的部署可层级分开；承载与控制分离，UPF和SMF的部署层级也可以分开；AMF和UPF根据业务需求、信令和话务流量以及传输资源灵活部署；采用服务化架构设计，网元功能进行了模块化解耦，接口进行了简化。总体上看，5C核心网的组网更加灵活，但部署灵活性也对传输、以及网络规划、网络运营管理等能力提出更高的要求。
从无线网与核心网的关系角度看，主要的方式有两大类：SA（Standalone，独立组网）和NSA（Non-Standalone，非独立组网）。这两大类又有多种具体的无线网与核心网的组合选择（option）。对于国内运营商近期的组网选择，主要有两种：采用option2的SA，此时5G无线网（NR）与5G核心网（5GC）直接连接；采用option3的NSA，此时NR与4G核心网（EPC）连接，不需要5G核心网，终端与NR和4G无线网（eNB）采用双连接机制。如图2所示：
option3的NSA方式核心网继续采用EPC而没有采用5GC，是5GC还没有成熟阶段的过渡方案，立足于尽快部署5G无线网络。NSA方式需要终端支持在4G和5G无线之间的双连接，这对终端也有较高的要求，并且4G和5G无线网需要同厂家部署。由于没有5GC，NSA方式在业务方面只是继承了传统的移动宽带业务。option2的SA方式采用了5GC，可以利用5GC新型的网络和业务能力，例如切片、支持边缘计算等，是5GC产业成熟阶段的目标方案。目前不同运营商对于5G商用初期采用option2的SA还是option3的NSA有各自不同的考虑，取决于5G商用的时间点、5GC的成熟度、对5G网络的业务诉求等综合因素。
当前业界部署的EPC主要是传统设备，并不具备向云化的5GC升级的能力。从EPC向5GC演进，主要有两种方案。一种是直接在云资源池部署5GC，传统EPC随着4G用户逐步迁移到5G而退网。另一种是先在云资源池部署vEPC，满足近期4G业务发展需求，并积累云化运营经验，然后适时将vEPC升级为5GC。采用哪种方案取决于运营商自身的业务和网络发展规划，并且都需要考虑EPC与5GC/vEPC如何协同组网。
3 5G核心网的关键技术
3.1 服务化架构
5G核心网的控制面采用服务化架构（SBA，Service Based Architecture）设计，借鉴IT系统服务化的理念，通过模块化实现网络功能间的解耦和整合，各解耦后的网络功能（服务）可以独立扩容、独立演进、按需部署；各种服务采用服务注册、发现机制，实现了各自网络功能在5G核心网中的即插即用、自动化组网；同一服务可以被多种NF调用，提升服务的重用性，简化业务流程设计。关键技术点如下：
（1）服务的提供通过生产者（Producer）与消费者（Consumer）之间的消息交互来达成。交互模式简化为两种：Request-Response、Subscribe- Notify，从而支持NF之间按照服务化接口交互，如图3和4所示。
1）Request-Response模式下，NF_A（网络功能服务消费者）向NF_B（网络功能服务生产者）请求特定的网络功能服务，服务内容可能是进行某种操作或提供一些信息；NF_B根据NF_A发送的请求内容，返回相应的服务结果。
2）Subscribe-Notify模式下，NF_A（网络功能服务消费者）向NF_B（网络功能服务生产者）订阅网络功能服务。NF_B对所有订阅了该服务的NF发送通知并返回结果。消费者订阅的信息可以是按时间周期更新的信息，或特定事件触发的通知（例如请求的信息发生更改、达到了阈值等）。
（2）实现了服务的自动化注册和发现。NF通过服务化接口，将自身的能力作为一种服务暴露到网络中，并被其他NF复用；NF通过服务化接口的发现流程，获取拥有所需NF服务的其它NF实例。这种注册和发现是通过5G核心网引入的新型网络功能NRF来实现的：NRF接收其它NF发来的服务注册信息，维护NF实例的相关信息和支持的服务信息；NRF接收其它NF发来的NF发现请求，返回对应的NF示例信息。
（3）采用统一服务化接口协议。R15阶段在设计接口协议时，考虑了适应IT化、虚拟化、微服务化的需求，目前定义的接口协议栈从下往上在传输层采用了TCP，在应用层采用HTTP/2.0[3]，在序列化协议方面采用了JSON，接口描述语言采用OpenAPI3.0，API的设计方式采用RESTFul。
可以看出，目前5G核心网采用服务化架构的接口协议栈与传统移动核心网的协议相比，变得更加复杂。用同样的硬件来实现的话，其性能相对传统协议是下降的，因此需要通过高性能的云资源来抵消接口性能的损失。对于服务化架构的自动化组网，目前能力也还不完善，例如在容灾和过载控制方面和在多NRF级联方面。这都需要在标准组织进行进一步的推动和研究，在实际网络部署和运营中也需要加以注意。
3.2 支持边缘计算
相比于4G核心网对边缘计算（Edge Computing）支持能力不足而带来种种问题，5G核心网在架构中就考虑了支持边缘计算需求，在网络层面和能力开放层面都支持边缘计算。在网络层面，5G核心网支持多种灵活的本地分流机制、支持移动性、支持计费和QoS以及合法监听。在能力开放层面，5G核心网支持APP路由引导、支持对未网络及用户的信息获取和控制。对于本地分流机制，5G核心网支持如下几种：
（1）上行分类器UL-CL（Uplink Classifier）：可以基于目的地址进行本地分流UL-CL的机制如图5所示。
根据边缘计算业务需求，当UE移动到某个位置时SMF插入本地的UPF进行分流，UPF根据SMF下发的分流规则（Uplink Classifier）过滤上行数据包IP地址，将符合规则的数据包分流到本地DN。UL-CL机制下UE只有一个IP地址，不感知数据分流，对UE没有特别要求。
（2）IPv6多归属（IPv6 Multi-homing）：基于源地址进行本地分流IPv6 Multi-homing的机制如图6所示：
此机制利用了IPv6多归属的特性，将UE的一个IPv6地址用于边缘计算业务。SMF根据UE位置选择本地的共同UPF（Branching Point）进行分流，不同的IP锚点通过这个Branching Point UPF实现用户面路径的分离。Branching Point UPF根据SMF下发的分流规则过滤上行数据包源IP地址，符合规则的数据包分流到本地DN。IPv6 Multi-homing机制下UE需要支持IPv6 Multi-homing，一个PDU会话分配两个IPv6前缀，并且UE能感知并控制数据分流。
（3）本地区域数据网（LADN，Local Area Data Network）：基于特定的DNN进行本地分流
LADN机制与前面两种不同，需要UE建立新的PDU会话接入本地DN来用于边缘计算业务。UE在5G核心网注册成功后，AMF告知UE其LADN信息（服务区域、LADN DNN）。UE移动到LADN服务区域内时发起PDU会话，SMF根据UE的位置选择本地UPF，将会话路由到LADN。UE离开区域后SMF发起会话释放。LADN机制下UE需要支持LADN，并且能感知并控制数据分流。
5G核心网支持边缘计算的分流机制提供了多种灵活的方式，每种方式有其特点和对网络和终端的能力要求。在提供5G网络的边缘计算服务时，需要根据技术的成熟度、终端的能力、对网络的影响、运营成本等多方面综合考虑来选择合适的方案。另外，由于边缘计算需要将5G核心网的UPF尽量下沉以满足业务时延、服务覆盖范围等要求，运营商部署边缘计算能力时需要结合自身网络设施的DC化改造进程，选择具备能力的相应层级的数据中心。
3.3 网络切片
网络切片是5G网络的重要使能技术，实现了基于业务场景按需来定制网络，不同的网络切片之间可共享资源也可以相互隔离。网络切片是端到端的逻辑子网，涉及核心网络（控制平面和用户平面）、无线接入网、IP承载网和传送网，需要多领域的协同配合。目前来看，核心网切片的标准相对进展更快，5G核心网网络和终端支持切片的功能、流程基本完成，但是切片管理还不完善。无线网切片由于具有一定的技术难度，业界还在进行技术和方案研究。承载网切片目前相对独立发展，缺乏与移动网跨专业间的联动/打通。
5G切片的定制和自动化部署是通过切片管理来完成的[4]，网络切片管理架构如图7所示：
网络切片管理架构包括通信业务管理、网络切片管理、网络切片子网管理。其中通信业务管理功能（CSMF）实现业务需求到网络切片需求的映射；网络切片管理功能（NSMF）实现切片的编排管理，并将整个网络切片的SLA分解为不同切片子网（如核心网切片子网、无线网切片子网和承载网切片子网）的SLA；网络切片子网管理功能（NSSMF）实现将SLA映射为网络服务实例和配置要求，并将指令下达给MANO，通过MANO进行网络资源编排。对于承载网络的资源调度，将通过与承载网络管理系统的协同来实现。
可以看出，切片是在NFV/SDN之上的一种业务，其运维难易程度与NFV/SDN技术的成熟度是相关的，因此需要尽快促进NFV/SDN技术的落地和运营。鉴于5G网络端到端的切片还不成熟，当前需要加强网络切片的设计、编排以及管理方面的研究，例如网络切片管理/网络切片子网管理与MANO的相互协同[5]、切片管理与OSS/BSS的融合、切片的跨专业（核心网、无线、承载）协同。由于任何UE都需要在网络切片框架下使用5G网络，在初期可以先提供简单的eMBB核心网切片，掌握5G网络的基本运营能力，然后再逐步细分切片，面向垂直市场打造行业切片，提供差异化的网络服务，充分挖掘切片的商业价值。
4 结束语
下一代5G通信网络的核心网标准已经基本完成，本文基于发布的标准研究了5G核心网的几大关键技术和其特征，包括：服务化架构、支持边缘计算、网络切片，对SA和NSA进行了比较，分析了5G核心网关键技术特点和应用场景，并且研究了还存在的问题和限制，提出了相关的技术研究和网络发展建议，可为5G核心网技术的后续发展和完善发展、部署和运营提供参考。
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.001
文章编号：1006-1010(2019)01-0002-05
引用格式：聂衡,赵慧玲,毛聪杰. 5G核心网关键技术研究[J]. 移动通信, 2019,43(1): 2-6.
作者简介
聂 衡：高级工程师，硕士毕业于北京交通大学，现任职于中国电信股份有限公司北京研究院，研究方向为移动通信。
赵慧玲：现任工业和信息化部通信科学技术委员会专职常委，信息通信网络专家组组长，中国通信学会信息通信网络技术专业委员会主任委员，中国通信标准协会网络与业务能力技术工作委员会主席，中国电信科技委常委兼核心网组负责人，国际标准组织MEF顾问董事，SDN、NFV产业联盟技术委员会副主任。
毛聪杰：硕士毕业于北京邮电大学，现任中国电信股份有限公司北京研究院团队负责人，研究方向为移动通信。
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