基于移动通信技术的5G时代核心网架构研究

石丽梅 朱又敏 郑颖 谭艳春

摘   要：随着通信网络的更新迭代，5G网络的研发与应用已被提上日程。文章结合5G三大应用场景，对目前5G核心网的网络架构面临的挑战及改进方向进行分析，对5G核心网架构的关键技术进行探讨和研究。

关键词：5G核心网;服务化架构;软件定义网络

随着科学技术的飞速发展、信息化时代的到来，移动通信产业迎来了前所未有的发展机遇，人们的生活方式和工作方式都发生了翻天覆地的变化，但是在繁荣发展的同時也面临着巨大的挑战。移动通信技术在不断升级演进和发展的同时，移动通信网络架构也需要不断革新。从1G到目前的4G乃至临近的5G，移动通信技术在不断升级、演进和发展。移动通信为满足每一代新系统的性能和业务要求，与其相对应的网络架构也必须要进行实时动态的调整。因此，为了移动通信系统网络架构能够匹配新系统性能和业务要求，就亟需对5G时代核心网的架构进行重新规划。

1    5G核心网面临的挑战

5G核心网的架构是不断进行改进和升级的。目前，5G核心网架构还有许多的问题和挑战亟需解决，具体包括以下几个方面。

1.1  5G三大应用场景及需求差异

国际电信联盟无线电通信组标准化组织定义了5G 3类主要应用场景：增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、海量机器通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）、超高可靠低时延通信（Ultra Reliable&Low Latency Communication，uRLLC）。这里eMBB场景可以进一步划分为连续广覆盖场景和热点高容量场景两种。三大应用场景的需求和关键技术如表1所示。

5G通信需求多样化，3类主要应用场景的需求和关键指标是不同的，甚至是矛盾的。5G当中不同的应用场景所面临挑战是不同的。在不同的场景中，用户体验率、流量密度、延迟、能效和连接数量都有可能成为具有挑战性的指标，在面对不同应用场景差异化性能指标的挑战下，单一网络很难支持，5G核心网网络架构面临着极大的挑战[1]。

1.2  用户平面与控制平面分离不彻底

移动通信从GPRS（2G）到EPC（4G），它们的网络架构在演进过程中具有相似的体系架构，但仍然在一定程度上体现了控制平面与转发平面的分离，不过它们分离得并不彻底。如EPC核心网络架构中HSS，MME以及新引入的PCRF都是纯控制平面的网元，但eNodeB，S-GW，P-GW等主要网元在实现数据转发功能的同时仍然需要兼顾部分控制平面功能。这就导致网络的控制平面与转发平面分离不彻底，带来处理时延高、网络灵活性差等问题。

对于5G网络来说，这里以eMBB场景为例，eMBB场景分为连续广覆盖场景和热点高容量场景，两种场景的需求和组网方式如表2所示。

5G网络中的控制平面与用户平面未分离时，当在连续广覆盖场景下为了对覆盖进行改善时，就需要增加宏基站，这样会在用户平面上进行扩容，导致相当一部分投资被浪费。但是当在热点高容量的场景下需要对基站进行扩容的时候，就会导致一部分投资需要浪费在控制平面上。

1.3  软件与硬件紧密耦合

由于运营商依托的移动通信服务是通过大型专属硬件设备不断升级来实现，因此，不断更新的新业务会给运营商在专属硬件设备的建设、运营、维护和升级等方面带来巨大的压力。例如当有一项新网络服务投入使用时，需要将与之对应的专属硬件设备整合到现存的移动通信网络中，导致设备投入的成本增加、能耗增加以及后续维护复杂性。

2    5G核心网架构发展趋势

相比于4G，5G核心网架构设计发生了巨大的变化。随着5G多种应用场景的出现，移动通信系统核心网架构在设计时要遵循一定的设计原则，这样才能更好地满足5G的需求。5G核心网的发展趋势如下。

2.1  控制平面与转发平面进行分离

根据移动通信网络演进趋势的启发，5G核心网络架构的设计方向需要将5G网络中控制面与转发面进行相分离，这里分别由不同的网络节点承载，形成两个独立的功能平面。控制面与转发面分离优势是使得网元功能更加独立，这样灵活性和伸缩性都提高了。针对控制面和用户面不同的需求与特征，可以分别进行进一步优化与独立扩展，最终才能满足5G不同应用场景的核心网络需求。

2.2  软件与硬件解耦

随着虚拟化技术在电信领域的不断深入，使得传统核心网中的网元有了软硬件解耦的趋势。只有软硬件解耦，才能更灵活实现网络功能。软件与硬件解耦优势在于可进一步支持网元功能的模块化、虚拟化，以满足按需组网的需求。

2.3  服务化网络架构

服务化架构由第3代合作伙伴计划所定义，它是将一个网络功能拆分成多个可重用、自管理、自包含的网络功能服务，尤其是它们之间可以进行解耦。服务化架构还具备独立弹性、独立升级能力，它的标准接口可以与其他网络功能服务之间进行互联互通，而且还可以通过编辑工具对不同的网络需求进行编辑和实例化的部署。

3    5G核心网络架构的关键技术

5G网络采用基于功能平面的架构设计，将传统与网元绑定的网络功能进行抽离和重组，重新划分为3个功能平面：接入面、控制面和数据面[2]。其中，控制平面采用服务化架构（Service Based Architecture，SBA），每个网元功能模块可集中化处理，这样可组成融合的控制面。控制平面提供按需接入、移动性管理和会话管理，而且可以支持精细化资源管控和全面开发的网络能力。

为了解决5G核心网面临的3个挑战，5G核心网络引入了软件定义网络（Software Defined Network，SDN）和网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）两种关键技术，从而实现控制面与转发面分离、软硬件解耦，并以SBA为目标进行自我重构。

3.1  SDN技术：转发平面与控制平面分离

SDN是一种全新网络设计理念，本质上是一种新型网络架构。它将网络的控制平面与数据平面进行分离，从而通过集中控制器中的软件平台去实现可编程化的控制底层硬件，进而实现对网络资源灵活地按需调配[3]。因此，与传统网络架构相比，SDN具有3个显著特征：（1）控制平面与转发平面进行分离。（2）控制面处理集中化。（3）控制平面与转发平面之间的接口满足开放且可编程。

3.2  NFV技术：实现软件与硬件解耦

NFV是从运营商角度出发提出一种软件和硬件分离的架构。软件和硬件之间的解耦在很大程度上降低两者对彼此的依存程度。NFV技术基础主要是云计算和虚拟化[4]。一方面，虚拟化技术可以将通用平台的计算、存储、网络等硬件设备划分成为许多种虚拟的资源，这样有助于实现应用与硬件之间的解耦，最终实现根据需要进行网络功能的按需部署。另一方面，云计算技术可以将应用弹性进行伸缩、资源和业务负荷进行匹配，这样不仅提高了资源利用率，还可以保证系统的响应速度。

3.3  SBA技术：服务化架构

为了适应5G多种应用场景的网络要求，5G核心网架构需要采用SBA進行设计。SBA是将原来具有多个功能的网元，分拆为多个具有独自功能的网元，每个网元实现自己的微服务[5]。SBA设计的网络更符合资源开放、更加适用于新业务架构进行创新。

SBA是5G网络架构中非常重要的变革。它具备灵活且可编排、软硬件解耦、网络开放等优点，这是传统网络架构所不具备的优点。基于SBA服务化架构5G核心网，会在万物互联的应用中展现巨大的能力。

3.4  网络切片

为实现5G三大应用场景，引入网络切片技术。网络切片是指对于不同用户的业务流量，无线接入网和核心网进行不同的处理。其中，网络切片的核心思想是在同一套物理网络上实现3个逻辑网络，分别支持eMBB，mMTC和uRLLC。这就使得5G核心网本质上可通过在相同的一张物理网络上划分出来许多虚拟的“专用”逻辑网络架构，进而提供端到端、按需定制和相互隔离的服务，从而满足5G时代多样化的通信需求。

4    结语

本文结合5G三大应用场景需求和指标差异，分析目前核心网架构面临的挑战及发展趋势，并对5G核心网技术进行研究。其中，SDN和NFV技术使得5G核心网架构更加灵活、更加弹性化，并通过SBA服务化架构为目标进行自我重构，这使得网络切片技术成为可能，而网络切片技术又满足了5G多种应用场景的需求。

[参考文献]

[1]李同同.5G应用的前景与面临的挑战[J].科学技术创新，2019（12）：75-76.

[2]朱浩，项菲.5G网络架构设计与标准化进展[J].电信科学，2016（4）：126-132.

[3]华一强，郭晓琳，杨艳松.NFV及其在IP网中应用的探讨[J].邮电设计技术，2015（2）：11-16.

[4]徐一鸥，任哲，杨磊，等.中国联通5G网络覆盖影响因素解析[J].中国新通信，2019（10）：4-5.

[5]朱奋起，张建强，付道繁，等.5G通信需求下核心网网络重构研究[J].电信快报，2019（3）：10-12.

Research on core network architecture in 5G era

Shi Limei1， Zhu Youmin1*， Zheng Ying2， Tan Yanchun1

（1.Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China;

2.School of Electrical Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin 150000， China）

Abstract：With the update iteration of communication network， the research and application of 5G network has been put on the agenda. Based on the three application scenarios of 5G， this paper analyzes the challenges and improvement directions of the network architecture of 5G core network， and discusses and studies the key technologies of 5G core network architecture.

Key words：5G core network; service based architecture; software defined network