5G核心网关键技术研究

聂衡 赵慧玲 毛聪杰

【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        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        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.

Research on Key Technologies of 5G Core Network

NIE Heng1， ZHAO Huiling2， MAO Congjie1

（1. China Telecom Corporation Limited Beijing Research Institute， Beijing 102209， China;

2. Communication Science and Technology Commission of Ministry of Industry and Information Technology， Beijing 100804， China）

[Abstract]

The 3GPP R15 standardization for next generation 5G core network is basically accomplished. Based on the published specifications， this paper analyzed the networking mode and several key techniques including service-based architecture， supporting edge computing and network slicing. The brand new architecture and technical features that are different from the traditional mobile network are summarized. The scenarios and challenges for these new techniques are analyzed. Finally， the related technology applications and research developments are suggested.

[Key words]5G core network; service-based architecture; edge computing; network slicing

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、服务化架構、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。

2   5G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）采用雙连接机制。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的機制如图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。

参考文献：

[1] ITU-R， Recommendation ITU-R M.2083-0. IMT Vision-Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond[R]. 2015.

[2] 3GPP TS 23.501 V15.3.0. System Architecture for the 5G System; Stage 2 （Release 15）[S]. 2018.

[3] 3GPP TS 29.500 V15.1.0. Technical Realization of Service Based Architecture; Stage 3 （Release 15）[S]. 2018.

[4] 3GPP TS 28.530 V15.0.0. Management and orchestration; Concepts， use cases and requirements （Release 15）[S]. 2018.

[5] 中国电信集团有限公司. 中国电信5G技术白皮书[S]. 2018.