面向应用的5G核心网组网关键技术研究

冯征

【摘  要】通过对现有5G技术标准的对比分析，推荐了满足增强移动宽带（eMBB）业务需求的5G NSA Option3和满足更多业务需求的5G SA Option2;然后，介绍了4G核心网改造支持5G NSA Option3的关键技术;最后，对比4G核心网，介绍了5G SA Option2的主要技术特点和组网关键技术，包括用户移动性管理、网络切片和用户面承载，并简要介绍了商用部署涉及的UDM和PCF/UDR建设方案、融合组网与独立组网、5G信令网和语音业务解决方案。

【关键词】5G SA;5G NSA;双连接;5G核心网;网络切片

1   引言

随着移动通信网络的演进，移动用户所能够享受到的服务也越来越丰富，业务体验也在不断提升。从1G的模拟电话、2G和2.5G的数字电话及低速数据业务、3G的多媒体通信、4G的移动互联网，每一代新的移动通信技术的产生和发展，均为移动用户提供了新的通信业务，使用户获得了更好的业务体验，带动了新的产业发展。本文将介绍如何利用5G的技术特点建设满足业务应用需求的5G网络。

2   5G的NAS与SA

2.1  5G网络的体系架构

从1G到4G，3GPP为每一代系统均仅定义了唯一的标准系统架构，但对于5G却提出了图1所示的8种可选系统架构。其中，左侧的Option1、Option2、Option5、Option6称为独立组网（SA）;右侧的Option3、Option4、Option7、Option8称为非独立组网（NSA）。

2.2  SA网络

从1G到4G采用的均是类似于图1中的Option2的SA架构，一张无线网接入对应的一张核心网。从1G到4G，每一代无线网均采用了全新的技术，而核心网则是适配无线空口的技术特点和能力，面向业务提供能力持續优化网络结构。2G采用了全数字化的电路域，2.5G增加了分组域，而3G基本沿用了2G和2.5G的网络结构并持续演进，4G优化了分组域，使之更适合IP数据的转发，并以分组域外接的IMS域替代了电路域。

5G的根本目标是使用户的数据业务在峰值速率和通信时延方面获得更好的体验（最高10 Gb/s的峰值速率和最低1 ms的空口通信时延以及最低10 ms的端到端通信时延），以满足增强移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信（uRLLC）、海量机器类通信（mMTC）这三大类业务应用场景。

在移动通信系统中，业务速率和通信时延的短板显然是在无线侧，一种办法是增强LTE（eLTE），引入1024QAM、8天线技术、增强载波聚合等技术，对应图1中的Option5和Option1;另一种办法是定义新的5G NR，利用高频段的丰富频谱资源、Massive MIMO、灵活的帧结构/物理信道结构等众多新技术，来有效提升业务速率并缩短时延，对应图1中的Option2和Option6。显然5G NR更具优势。核心网5GC则是在4G核心网的基础上重新设计了网络架构和接口协议，并支持以“网络切片”为特定应用/用户提供特定的QoS服务。总体来说，5GC核心网的理念是以更加灵活的网络结构提供对用户以及业务更强大的业务管控手段，包括增强的QoS保障以及QoS限制等。

因此，以长远发展的眼光来看，采用5G NR接入5GC核心网的Option2架构对于运营商来说是一种较好的选择。

2.3  NSA网络

由于5GC核心网对现有技术的颠覆性较大，其标准化程度和设备成熟度明显落后于5G NR无线网，严重影响了5G商用时间。而利用4G在R12版本引入的“双连接”技术，由4G网为5G网提供接入服务，既能够完全适配5G NR提升的空口业务速率，又能够实现5G的快速部署，满足更高速的移动数据业务场景，这就是更具现实意义的5G NSA架构。

“双连接”技术是指在接入同一张核心网的两个无线基站共覆盖区内，终端同时接入两个无线基站，并将其中的一个基站作为主节点（MN，Master Node），将另一个基站作为辅节点（SN，Secondary Node）。主节点是用户终端接入网络的锚点，提供用户终端接入网络的信令控制功能并能够提供用户面数据转发;辅节点仅为用户终端提供额外的用户面数据转发资源。根据排列组合，5G NSA存在图1中右侧的4种组网模式。Option3和Option7是以4G LTE基站作为主节点，以5G NR基站作为辅节点;Option4和Option8是以5G NR基站作为主节点，以4G LTE基站作为辅节点;Option3和Option8，无线接入的是4G核心网EPC;Option4和Option7，无线接入的是5GC核心网。

Option4和Option7的部署前提是运营商首先需建设一张5GC核心网，在5GC核心网技术标准和设备尚不成熟的情况下，尚不具备商用部署的条件。而在5GC核心网具备商用部署条件后，5G SA的Option2更优，只有在既无4G核心网且仍需利用4G无线资源的情况下，Option4和Option7才是一种可供选择的方案。

Option3和Option8均是利用4G核心网部署5G。Option8需要5G NR向下支持S1-MME的4G接口，对5G NR基站提出了额外的功能要求，因而首先被否决。对于Option3，5G NR基站仅需额外支持S1-U的4G用户面接口和与4G LTE基站之间的X2接口，因而在5GC尚不成熟的阶段，是实现5G快速部署的一种较优选择。

Option3的具体实现又存在Option3、Option3a和Option3x共3种选择，如图2所示。

5G NSA终端在4G LTE和5G NR共覆盖区内，通过4G LTE基站接入4G核心网EPC，在用户面承载建立阶段，4G LTE基站向核心网提供无线基站的IP地址时存在以下3种选择：

（1）Option3：本端4G LTE基站的地址，建立“EPC—4G基站—5G基站—用户”和“EPC—4G基站—用户”两个承载通道，由于5G空口带宽较大，可优先选择“EPC—4G基站—5G基站—用户”通道转发用户面数据。

（2）Option3a：本端4G LTE基站或对应5G NR基站的地址，建立“EPC—4G基站—用户”或“EPC—5G基站—用户”承载通道。

（3）Option3x：对应5G NR基站的地址，建立“EPC—5G基站—用户”和可选的“EPC—5G基站—4G基站—用户”承载通道。优先选择“EPC—5G基站—用户”承载通道转发用户面数据，并以“EPC—5G基站—4G基站—用户”承载通道增加用户数据业务的业务速率和吞吐量，能够为用户提供高于Option2 SA的用户业务速率。

显然，Option3对4G LTE基站吞吐量以及4G LTE基站与5G NR基站之间的传输要求较高;Option3a对4G LTE基站的要求较高，需要具备较为灵活的机制选择用户承载面的锚点，并动态调整，但对X2接口的传输要求较低;Option3x较能够发挥5G NR的优势，且实现起来并不复杂;另外，对于5G NAS用户的语音业务，由于4G的无线频段低于5G，具有更好的语音业务体验，因此，可要求4G LTE基站对于非IMS APN的数据业务，为用户建立“EPC—5G基站—用户”和可选的“EPC—5G基站—4G基站—用户”承载通道，传送数据业务;而对于IMS APN的语音和IP短信业务，为用户建立“EPC—4G基站—用户”承载通道，传送语音及IP短信业务。

对于Option3x，当5G NSA终端移动到仅有4G无线覆盖的区域时，则4G LTE基站可向4G核心网发送请求，将用户承载迁移至“EPC—4G基站—用户”承载通道。

3   5G NSA（Option3系列）核心网组网

关键技术

5G NSA Option3系列需4G核心网EPC改造支持EN-DC（E-UTRA NR Dual Connectivity）相关功能，具体体现在：

（1）MME需支持DCNR（Dual Connectivity E-UTRAN and NR）功能、承载迁移（在用户承载建立过程中，根据4G LTE基站提供的5G NR基站地址，通过5G NR基站建立用户承载）以及支持新增相关安全参数的传递。在MME组POOL的情况下，应将覆盖5G NSA基站范围的POOL内的所有MME进行改造，以保证与5G NR基站共覆盖的4G LTE基站接入的MME均支持5G NSA功能。

（2）在仅选择部分SGW和PGW提供5G NSA业务的情况下，MME需改造支持SGW+和PGW+的选择。

（3）5G NSA提供5G流量上报功能，5G NR基站可周期性地统计每用户的5G空口流量，并通过5G NR基站→4G LTE基站→MME→SGW（→PGW）的路径上报核心网，并在核心网设备最终生成的用户计费详单中呈现。

（4）MME和SGW能够与4G LTE基站配合实现对于承载语音和IP短信业务的IMS APN与承载数据业务的非IMS APN分别建立“EPC—4G基站—用户”承载通道和“EPC—5G基站—用户”+可选的“EPC—5G基站—4G基站—用户”承载通道。

（5）HSS中保存用户的鉴权和签约数据，5G NSA重用4G核心网，包括HSS中的用户签约数据，因此，可以不必为用户进行5G签约，即用户“不换号、不换卡、不向运营商进行5G业务开通申请”，更换为5G NSA终端后即可使用5G无线网。运营商可以通过在HSS中为用户签约的ARD（Access Restriction Data）限制用户接入（使用）特定的无线网络，若运营商需要对用户的5G接入进行限制，则需要使全网HSS支持ARD的5G限制接入，相应的MME也需要支持根据ARD的5G接入限制来限制用户的5G接入。

（6）4G核心網中的用户MBR（Maximum Bit Rate）限制最大为4 Gb/s，鉴于5G NR的目标是10 Gb/s，为避免核心网成为用户业务速率的瓶颈，可以将MBR扩展到最大4 Tb/s，改造范围涉及：全网HSS、全网PCRF/SPR以及MME、SGW、PGW和CG。

（7）另外，若运营商未部署上述（5）和（6）的功能，从而避免了全网HSS的改造，则HSS在向MME返回的ULA消息中会返回不支持DCNR能力，此时需要MME本地配置不限制用户的NSA 5G接入。

4   5G SA（Option2）核心网组网关键技术

4.1  系统架构

5GC核心网对4G核心网EPC进行了完全重构，如图3所示。

图3中的左侧为4G网络架构，将4G网络中的各网元中相同颜色的功能部分抽离出来作为独立网元组成网络即构成了图3中右侧的5G网络架构。主要体现在：

（1）将HSS中的用户签约数据功能抽离出来，作为UDM。

（2）将HSS和MME中的用户鉴权功能抽离出来，合并构成了AUSF。

（3）将MME中用户移动性管理功能抽离出来，作为AMF。

（4）将MME、SGW、PGW中用户承载控制面建立功能抽离出来，合并构成了SMF。

（5）将SGW、PGW中用户承载用户面转发功能抽离出来，合并构成了UPF。

（6）PCRF继承为PCF，SPR用户策略数据继承为UDR中的一部分（图中未画出）。

（7）SCEF能力开放网元继承为NEF。

（8）新增NSSF网元，用于支持5GC新增的“网络切片”功能。

（9）新增NRF网元，替代4G网络中的Diameter信令网寻址和DNS的IP地址解析功能。

（10）新增了AMF与PCF之间的接口，增加了基于用户移动性的PCC管控功能。

（11）4G网络中MME从HSS获得用户的移动性管理相关签约数据和PDP承载相关签约数据。5GC中，分别由AMF从UDM获得用户的移动性管理相关签约数据，SMF从UDM获得用户的PDU会话相关数据。

（12）5G网络仅支持与4G网络的互操作，不支持与2G、3G网络的互操作。

以下重点说明5G核心网比4G新增的功能和组网关键技术。

4.2  用户移动性管理

1G到4G，网络主要是面向移动手机用户提供服务，2.5G到4G兼顾了“物”的连接需求，可提供物联网服务，并在4G时代衍生出了NB-IoT和eMTC技术。而5G网络将面向“人”和面向“物”的服务并重。与“人”的全网漫游需求不同，部分“物”是严格设定在一定地理范围之内使用的。一方面5G继承了2G/3G/4G的基于RAT的ARD限制功能，另一方面增加了禁止区域（Forbidden Area）、限制服务区域（Service Area Restriction）的概念。其中，限制服务区域又包括许可区域（Allowed Area）和非许可区域（Non-Allowed Area）。当用户位于禁止区域内时，用户终端不能发起任何与网络的通信;当用户位于许可区域时，用户终端可以发起与网络的通信;当用户位于非许可区域内时，用户终端可以接入网络，但不能发起业务请求，仅能够响应网络寻呼。在用户终端接入网络的过程中，AMF从用户归属UDM获得用户的业务区域信息（TA列表），并可通过AMF与PCF之间的N15接口，由PCF随时调整区域限制策略。

4G网络也可以提供限制用户终端移动的业务功能，但采用的是PCC方式，在用户业务承载建立过程中，通过PCRF→PGW→SGW→MME→无线的路径实现。显然5GC的方式更为灵活。

通过增强的用户移动漫游限制功能，运营商可以将垂直行业用户的终端限定在一定地理范围内，防止终端/卡的滥用，降低资费风险，从而能够为行业用户提供低廉且可控的资费。

4.3  网络切片

5G的网络切片（Network Slice）是指针对不同的通信业务需求，分别建设包含5G无线接入资源、传输承载通道、核心网的端到端网络。每张网络称为1个网络切片，这些一张张的网络合在一起构成了整体的5G网络。网络切片重点强调的是通过资源隔离保障网络服务质量并按需具备相应的网络业务功能。具体实现上，是希望在运营商的统一基础设施（硬件）上以NFV虚拟化的方式来实现。本文仅讨论5GC核心网的网络切片技术。

5GC核心网引入了NSSF（Network Slice Selection Function）网元和S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information）标识。首先，需要在用户归属UDM中为用户签约用户可以使用的S-NSSAI，称为Subscribed S-NSSAI，可以是1個S-NSSAI，也可以是多个S-NSSAI，其中的1个或多个S-NSSAI可被设置为默认S-NSSAI。用户接入5G无线网发起RRC连接建立请求和注册请求消息时，均应携带Requested NSSAI，其中包括用户终端请求的S-NSSAI，若用户终端不确定请求的S-NSSAI时，Requested NSSAI应为空。5G NR基站根据用户终端提交的Requested NSSAI中S-NSSAI，选择网络切片对应的AMF，若Requested NSSAI为空或5G NR基站无法找到匹配的AMF时，5G NR基站选择为用户接入默认AMF。AMF对比从用户归属UDM获得的Subscribed S-NSSAI和用户终端提交的Requested NSSAI中的S-NSSAI，其中的交集部分为Allowed NSSAI。AMF本地配置的可为用户提供服务的S-NSSAI为Configured NSSAI;Requested NSSAI中，不包含在Allowed NSSAI和Configured NSSAI内的S-NSSAI为Rejected NSSAI。AMF在向用户终端返回的注册接受消息中会将Allowed NSSAI、Configured NSSAI、Rejected NSSAI返回给用户终端。此后，用户终端向网络提交的Requested NSSAI仅允许包含在Allowed NSSAI、Configured NSSAI内的S-NSSAI。AMF若发现Allowed NSSAI为空或其它原因无法选定为用户提供的S-NSSAI，则可查询NSSF，由NSSF基于运营商配置的策略为用户选定Allowed NSSAI、Rejected S-NSSAI、Configured NSSAI以及候选的AMF列表。AMF选定为用户服务的S-NSSAI后（或在NSSF的帮助下），将用户业务重定向至适合的AMF负责用户后续的业务处理，此后为用户服务的SMF、UPF等网元均可基于S-NSSAI执行。

从上述的网络切片实现原理可以看出，核心网中的网元分为两类，一类网元是各切片共用网元，包括：AUSF、UDM、NSSF、默认AMF;另一类网元是各切片网络专用网元，例如：设置专用的AMF、SMF、UPF提供移动互联网（eMBB）业务，设置专用的AMF、SMF、UPF提供国家电网5G业务。同时，系统也支持例如对于移动互联网业务，划分为互联网和语音业务两个网络切片，其中的eMBB AMF可以为2个网络切片共用，分别设置用于移动互联网业务的SMF和UPF、用于语音业务的SMF和UPF。4G网络不存在S-NSSAI，仅能够支持基于不同RAT的网络切片，在实现SAE-GW的CU分离的情况下，能够根据APN实现SAEGW-U的网络切片;若需要实现更复杂的网络切片则需终端、无线网、核心网进行一定的升级改造。显然，5GC核心网在网络切片的技术实现上更具优势。

如前所述，核心网的网络切片实际上就是“以端到端独立的网元实现特定的业务功能，从而保证网络质量，就是各业务独立组网”。业务独立组网的好处是显而易见的，包括功能定制化开发和资源独占保证服务质量。但“资源独占”则意味着“无法资源共享，需要更多的资源”。例如：A应用共需10个容量单位（以下将“容量单位”简称为“C”），其中忙时需要9C、闲时需要1C;而B应用共需要8C，其中忙时需要5C、闲时需要3C;而A应用和B应用的忙时不同，若不用网络切片，资源共享，则网络仅需配置13C即可，考虑资源预留也仅需共15C即可。而划分为2个网络切片后，由于无法资源共享，则网络共需配置18C。这意味着运营商更多的成本付出，并且需要更为精准的业务预测，否则会出现一个网络切片容量不足，而另一个网络切片容量空闲的情况。为此，对于网络切片，运营商与客户之间需要签署SLA（Service Level Agreement，服务等级协议），规划包括用户数、Qos、带宽等参数，当然，不同的SLA意味着不同的资费。

如上所述，5GC核心网网元基于NFV电信云虚拟化部署就显得极为重要，利用虚拟化技术将A应用和B应用所需的15C在统一的云资源池部署，并利用NFV的弹性扩容技术，在A应用忙时，为A应用网络切片部署11C，为B应用网络切片部署4C;在B应用忙时，将A应用网络切片缩为5C，将B应用网络切片扩为10C，由此来降低网络建设成本。在此意义上，也有人将网络切片称为虚拟网络。

另外，便捷地将SLA转换为NFV电信云中的一个个网络切片所需的VNF网元，对NFV的MANO系统也提出了更高的要求。

4.4  用户面承载

4G核心网由SGW和PGW负责移动用户的用户面承载，即SGW负责通过无线网连接移动用户，PGW负责连接外部数据网;SGW与PGW之间通过S5/S8接口连接。由MME根据用户TA查询DNS选择SGW、根据用户APN查询DNS选择PGW，并优先选择SGW和PGW合设的SAE-GW疏通业务，减少一级业务转接;对于同一用户的不同APN，可由同一SGW和多个不同PGW疏通业务。用户移出SGW的覆盖范围（连接的无线基站）时，SGW改变而连接外部数据网的PGW锚点不变，保障业务连续性。另外，2017年3GPP在R14版本中引入了CU分离技术，将SGW拆分为SGW-C和SGW-U，将PGW拆分为PGW-C和PGW-U，为同一用户的不同APN、不同地理位置选择不同的GW承载业务，从而为实现本地分流的边缘计算创造了技术条件。

5GC核心网将4G核心网的SGW和PGW合一，并采用CU分离技术，由SMF负责选择UPF，同一UPF的一端通过无线网连接移动用户，另一端连接外部数据网。除漫游场景下的Home Routing模式由2个UPF疏通业务外，其它场景均是由同一UPF疏通同一DNN的业务，这样会带来两个问题：

问题1：用户移动出UPF的无线覆盖范围（连接的5G基站），势必会发生UPF的改变，为此5GC引入了SSC模式2的先拆后建和SSC模式3的先建后拆。由于用户接入外部数据网的UPF锚点发生了改变，SSC模式2无法保证业务的连续性;而SSC模式3则需通过复杂的业务可保证用户的业务连续性，但对网络和终端均提出了额外的功能要求。

问题2：当同一用户同时存在通用DNN/APN业务（本地UPF连接外部数据网，可本地疏通业务）和区域性DNN/APN业务（由特定UPF或归属地UPF连接外部数据网）时，通用DNN/APN业务没有问题，但由于无法串接两个UPF导致区域性DNN/APN业务无法疏通。

对于问题1，3GPP在R16版本通过引入I-SMF和I-UPF的技术加以解决，类似于引入了4G网络中的SGW;而对于问题2，则仍需进一步研究解决。但上述2个问题仅影响存在全网漫游需求的手机用户和部分行业用户的业务;对于无漫游需求和无多DNN业务需求的部分垂直行业应用则没有影响。

4.5  其它关键组网技术

（1）UDM和PCF/UDR的设置

5G用户可以分为两类，一类是采用新的号码段的新用户，对于这部分用户可采用新建UDM和PCF/UDR的方式解决;另一类是现网4G或3G或2G用户换终端不换号转为5G用户，对于这部分用户只能采用现网HSS/HLR、PCRF/SPR融合改造的建设模式。由于各设备供应商提供的UDM和PCF/UDR设备均为NFV虚拟化网元设备形态，因此需要进行全网设备替换，其工程量将是十分巨大的。为此需要研究过渡方案。

（2）对于同时具有2G/3G/4G核心网的运营商，5GC核心网的融合组网与独立组网

所谓SA（独立组网）架构下的核心网“融合组网”是指5GC核心网网元与4G核心网网元采用同一网元实体实现，例如：AMF与MME综合设置为AMF/MME等。融合组网和独立组网均是可行的建设模式，而融合组网能够使同一网元的设备资源充分为4G（以及3G和2G用户）用户和5G用户共享，对于大部分5G用户为现网4G（或3G或2G）用户转为5G用户的场景更能够发挥设备资源共享的优势。

（3）5G信令网

4G核心网采用通过DRA组织的Diameter准直联信令网疏通全网MME与HSS之间的S6a接口、PGW-C与PCRF之间的Gx接口的信令。而5GC核心網网元之间全部采用基于HTTP/TCP/IP协议栈的服务化接口，并引入了NRF网元，由各网元自主向NRF发起注册，上报自己所负责的业务范围（如S-NSSAI、用户号码段、DNN等）和路由寻址数据（如本端设备的主机名、IP地址等）。网元之间通信时，由发端网元查询NRF（服务发现流程）后获得收端网元的路由信息（IP地址等）后，发端网元向收端网元发起TCP建链，并传送HTTP信令。可见具有信令交互需求的全网网元之间会建立一张FULL MESH（全网状）的HTTP/TCP/IP网络，对于网元的资源消耗较大，目前3GPP正在对5GC核心网构建HTTP/TCP准直联信令网进行研究。

（4）語音业务

4G核心网取消了电路域，语音业务存在双待手机终端（终端选择数据业务通过4G网络疏通、语音业务通过2G/3G电路域疏通）方案、回落电路域（语音业务回落2G/3G电路域）方案和VoLTE（语音业务通过4G核心网+IMS网络疏通）方案，共3种方案。5G网络同样没有电路域，并取消了与2G/3G网络之间的互操作，对于5G单待手机终端存在EPS FallBack（语音业务回落4G网络以VoLTE方式疏通）和VoNR（语音业务通过5G核心网+IMS网络疏通）两种方案，对5G网络与4G网络之间的切换提出了更高的要求。

5   结束语

移动通信发展到4G时代，数据业务成为了主流，需要移动运营商提供更为优质的管道，而具体的业务应用则逐步向管道两端的用户终端和互联网应用平台迁移。5G技术通过进一步提高空口带宽和缩短通信时延，将网络的“管道能力”做大做强，增强了对“管道”的管控和QoS服务保障能力，为更多的高带宽低时延应用（例如AR、VR、高清视频、实时互动在线游戏、视频监控、远程医疗）发展铺平了道路。在“云+管+端”的产业链中，移动运营商提供的5G网络聚焦于“管”（包括管道和管理），而真正的5G业务蓬勃发展仍依赖于各行各业针对5G网络的特点开发高价值的应用，即“云”和“端”。

然而5GC核心网在技术标准及设备成熟度上还有待完善，运营商应根据不同阶段的业务需求特点，选择合适的5G技术搭建网络，并逐步推进新技术的成熟商用。

参考文献：

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