5G核心网关键技术及业务能力

中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司 张亚飞

中国电子科技集团公司第二十七研究所 阎 东

随着5G网络的到来，5G网络相关标准的不断完善和5G商用网络逐渐成熟部署，使得移动核心网无论从架构、网元、平台和功能上都需要进行深度重构，因此5G核心网相关的关键技术及技术能力成为研究的热点。本文主要概括总结5G核心网关键技术和相关业务能力，可以为运营商移动核心网络向5G演进部署方案的学习提供参考。

1 引言

第三代合作伙伴计划（3GPP）技术规范组自2016年开始加速5G标准R15、R16的研究进展，满足5G各垂直行业和切片应用完全标准化的R16预计在2019年底完成；国际电信联盟（ITU）于2016年2月启动了5G技术评估工作，5G标准化工作将于2020年完成；由我国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立的IMT-2020(5G) 推进组目前已经发布了多份白皮书，并大力开展5G相关技术和服务功能的研发。核心网在演进过程中，依托与NFV基础设施结合，可提供网络切片、边缘计算等新型业务功能，同时5G核心网基于云化平台设计思路和服务化架构将提供更广泛的接入、更灵活的功能和更友好开放的业务提供能力。

2 关键技术及业务能力

2.1 服务化架构

5G网络借鉴了目前在IT、CT领域内比较成熟的SQA、微服务架构的相关思路，结合运营商网络的现有状况和以后发展的趋势，形成了以服务为中心的新型核心网架构，即服务化架构（Service Based Architecture，SBA）。这种架构使得传统核心网转变为以软件服务为目标的，更加开放、灵活和智能的体系。

（1）传统核心网网元功能被逐渐分解

原有4G核心网的网络架构属于硬性或者刚性网络，无论是在互联、功能和信令间的通信上都很难灵活调整。随着软件定义网络（Software Defined Networking, SDN）技术在运营商网络中日益应用，原有4G EPC的网元功能将逐步分解为灵活的网络功能（Network Function, NF），而这些网络功能也可由更为灵活的、可以基于标准API调用的网络功能服务（NF Service）组合实现，网络功能服务本身可以独立扩展和升级，并通过接口自由的与其他网络功能进行信息交互。这样原有刚性网络将逐渐演变成“柔性网络”，变得更加灵活、智能和开放，也就更加适应不同场景下对于不同网络服务的需求。

（2）网络功能服务的有效管理

随着刚性网络的网元功能被网络功能服务取代后，越来越灵活解耦的网络功能服务迫切需要进行统一的管理。因此网络功能存储库（NF Repository Function，NRF）模块应需而生，它统一管理网络功能服务并实现NF Service的注册登记、升级/更新、状态监控等功能，并且使得管理过程、发现过程、选择过程、调用过程、认证授权过程等全部自动化进行。这样5G核心网功能就实现了即插即用、管理有效。

（3）网络功能服务协议及接口

在原有移动核心网架构中，网元之间的通信是专门的通信协议和固定的通信链路支撑。如2/3G 时代，在传输层和应用层分别是SCTP协议、GTPv1和SS7协议；在4G EPC架构中传输层和应用层分别由SCTP协议、GTPv2和Diameter协议支撑。而5G核心网由于SBA架构的革新，在借鉴互联网和云计算相关业务灵活高效的基础上，5G核心网需要由刚性协议转变为更加灵活的新的协议和接口来支撑。目前5G核心网协议体系由TCP、HTTP/2、JSON、OperaAP等协议组成，这些协议在IT和互联网中使用非常广泛，它使得网络功能服务可以快速实现，并且可以方便的将REST API接口提供给运营商和其他第三方使用。

（4）架构的持续演进

目前核心网的服务化架构SBA的提出和标准的制定，使得移动核心网加快向5GCloud Native架构演进，在演进过程中需要注意以下几点：

1）构建合理的架构模型，全面提升服务理念：遴选出更加合理的网络功能服务的颗粒度，实现网络功能服务可以更加快速和独立的实施，提升各种服务的组合能力以实现新的功能；

2）提升服务化架构的管理能力：不断提升网络功能服务的发现、选择、注册、授权、寻址、交互通信水平和能力，实现增强自动化的配置、管理、监控等功能。

2.2 网关控制转发分离

在4G EPC网络中，虽然核心网网元设备在功能上实现了控制和转发，但是网元设备本身属于专有设备，在控制和转发实现上既缺乏灵活性，同时信令交互及管理较为困难。在5G核心网网络架构体系下，基于SDN和网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）思想，将在网关控制处引入更为灵活的控制转发（C/U）分离，与现网混合组网，最终形成控制面融合云化、用户面云化的5G核心网架构。在运营商传统的2/3/4G核心网中，由于核心网网元及功能模块是集中放置，所以在网络层级上地理位置较高，使得传统核心网对于低延迟业务支持能力较弱，并且信令交互复杂。而在5G核心网中区域DC、本地DC、边缘DC/MEC的分层可以针对不同应用场景提供不同层级服务，重要的是C/U分离可以实现用户面分布式部署，尤其是针对MEC的网关设备可以采用分布式部署，它使得核心网用户面将更靠近用户，并且可以按需灵活部署，支持更多的高可靠性、低时延服务业务（自动驾驶、工业控制等）。

2.3 网络功能虚拟化

SDN/NFV是5G核心网必不可少的关键技术。核心网网络结构从来都是运营商网络中最复杂的环节，主要体现在网元种类繁多、专用设备软硬件难以解耦和实现资源共享。随着NFV技术的引入，原有刚性的核心网网元结构将会被网络虚拟化系统架构下的跨功能统一资源管理架构取代，它包括硬件资源层、虚拟资源层和虚拟网络功能层。硬件资源层主要包括硬件基础设施，它可由多个厂家通用硬件设备构建，并且可以灵活采购分地域多DC部署。虚拟资源层是在硬件资源层基础上构建的成熟、开放、兼容的CloudOS平台，它是NFV三层解耦的核心因素，可以实现资源统一分配、向上保证支撑多租户、向下保证硬件无关性。虚拟网络功能层除了可以提供核心网的vIMS和vEPC功能平台外，还可以支撑第三方的APP系统，它不但具备高效弹性、业务无状态的特点，而且可以跨区域CD部署，其灵活性、可靠性和业务实现速度比传统核心网得到大幅度提升。因此随着SDN/NFV技术的引入，5G核心网体系架构将会更好的协调和敏捷，并具备高可靠性和高资源利用率的特点。

2.4 按需组网和网络切片

在4G网络中，网络智能化能力相对较弱，难以适应更多样的需求和业务服务场景。因此运营商在5G网络架构中需要具备为不同垂直行业提供端到端、具备特定网络性能和功能服务的专用网络，因此按需组网和网络切片的功能要求应运而生。传统运营商核心网络基于专有的硬件，在实现按需组网和网络切片非常困难，因此在向5G核心网网络演进过程中，建设基于SDN/NFV技术的应用和通用基础设施平台尤为关键。在核心网通用基础平台上可以将原有核心网的各种功能和应用进行切片和隔离，并可为用户提供定制化的网络服务，实现端到端网络切片的智能终端接入控制、切片选择和切片的协同管理。

2.5 移动边缘计算

移动边缘计算(Mobile Edge Computing, MEC)本质上是属于分布式计算的应用，它可以在移动网络边缘处的智能网关位置推送计算和内容服务给用户，因此距离用户更近，所以可以满足较低的网络实验和更高的网络带宽。移动边缘计算是移动核心网的重要组成部分，它由一系列的智能设备组成（智能网关、智能终端、智能服务等），它是移动核心网提供给用户灵活业务的直接通道，具备较高的用户体验。实际上移动边缘计算是云计算在远端具体形态的一种体现，二者是互补的关系，协同将不同用户的各种服务分别从中心端和远端提供给用户。

3 结束语

综上所述，电信运营商移动网络核心网在向5G架构演进过程中，新技术和新业务功能不断更新和应用是一个较长的过程，并且在这个过程中，随着相关标准和规范的完善，5G移动核心网的部署策略也会不断调整优化，这些都将成为以后研究的重点和难点。