5G SA的网络架构和关键技术

【摘  要】SA是5G网络演进的目标架构，当前处于商用准备阶段。由于5G SA采用全新的服务化架构、虚拟化部署，是网络架构的深刻变革，在网络部署、运营、业务模式等多方面存在一系列新的问题和挑战。描述了5G SA的总体网络架构、跨区域漫游架构、4G/5G互操作架构、全国组网架构，分析和探讨了5GC网元实现、虚拟化部署、网络切片与切片管理、边缘计算、语音、智慧运营等方面的架构、方案和关键技术。

【关键词】5G;SA;虚拟化;4G/5G互操作;切片;边缘计算

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.01.005        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）01-0024-09

引用格式：王波. 5G SA的網络架构和关键技术[J]. 移动通信， 2020，44（1）： 24-32.

0   引言

2019年11月，我国5G商用启动，5G商用的初期是基于NSA（Non Stand-Alone）方式，SA（Stand-Alone）是5G网络演进的目标架构，但5G SA尚不成熟，面临诸多问题和挑战，以下基于现有研究进展分析SA的网络架构和关键技术。

1    5G SA的组网架构

1.1 总体网络架构

在5G SA方案中，5G无线网（NR，New Radio）直接接入5G核心网（5GC，5G Core），与LTE网络之间相对独立。5G SA的网络架构如图1所示[1]。5GC与4G核心网（EPC，Evolved Packet Core）相比，主要区别是实现了控制面与用户面完全分离，控制面采用服务化架构。EPC中，部分实现了控制与转发分离[2]，其中MME（Mobility Management Entity，移动性管理实体）、HSS（Home Subscriber Server，归属地用户服务器）、PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则功能）为纯控制面网元，而SGW（Serving Gateway，服务网关）、PGW（Packet Data Network Gateway，分组数据网网关）以转发功能为主，但也包含了控制功能。而5GC中，用户面网元为UPF（User Plane Function），与控制面实现了完全的分离。对于5GC控制面，3GPP标准中[1]规定了多个网络功能（NF，Network Function，以下通俗地称为“网元”），其中，5G SA初期部署需要的网元主要有AMF（Access and Mobility Function，接入及移动性管理功能）、SMF（Session Management Function，会话管理功能）、AUSF（Authentication Server Function，认证服务器功能）、UDM（Unified Data Management，统一数据管理）、PCF（Policy and Charging Function，策略与计费功能）、NRF（Network Repository Function，网络存储库功能）、NSSF（Network Slice Selection Function，网络切片选择功能）、BSF（Binding Support Function，绑定支持功能）和NEF（Network Exposure Function，网络能力开放功能）等。

1.2  跨区域漫游架构

在一个运营商内部的不同区域之间，5GC漫游架构图（Local Breakout方式）如图2所示。由于不同区域间可能由异厂商组网，要求实现鉴权接口（包括N8、N10、N12）、策略接口（包括N7、N15）的异厂商互通。其中，对于策略接口，目前厂商实现未采用3GPP标准[1]中规定的hPCF与vPCF之间的N24，而采用N7、N15接口的方式。另外，不同区域之间网元的自动发现，需要打通N27接口。

1.3  4G/5G互操作架构

4G/5G互操作架构如图3所示。其中，需引入融合网元UDM+HSS、SMF+PGW-C、UPF+PGW-U。这些网元实现上是在5GC网元中增加4G功能，不是现网4G网元的升级。MME与AMF宜相互独立部署。虽然MME与AMF存在合设的可能性，但这样做会将AMF的不成熟性引入纯4G网络，而且要求5G与4G核心网同厂商，增加了厂商选择的限制，因此不是优选方案。

为支持4G/5G互操作，现网MME需升级支持N26接口，以实现5G用户在4G/5G网络之间无缝切换。N26接口需实现异厂商互通，以保证5G与4G核心网厂商的独立选择。

为支持4G/5G互操作，实现4G用户不换卡不换号使用5G SA业务，需实现用户数据（包括签约数据、策略数据等）的迁移，具体包括一次性迁移、按需迁移两种方式。“一次性迁移”指在5G SA部署前，将所有4G用户的数据从4G网络的HSS、PCRF迁移至5G数据库UDM+HSS、PCF。这种方案实现上简单，但存在5G数据库不成熟会影响全部4G用户的风险。“按需迁移”指在5G SA部署时，仅当特定4G用户申请5G SA业务时，才将其数据从4G网络迁移至5G。具体实现时，BOSS系统负责数据迁移，用户签约5G SA后，将用户数据迁移到UDM+HSS、PCF中，并删除HSS、PCRF中的原有数据。当5G用户在4G网络中接入时，由于其数据已迁移至5G网络，数据查询时的路由方式可HSS Proxy（见图3），这是一种国际标准未规定的创新型方案。

1.4  全国组网架构

运营商内部的分区域部署，通常包括5GC控制面分省部署、分大区部署两种方式。两种方式技术上均可行，但5GC控制面按大区部署时，存在控制面与用户面之间时延大，有可能影响用户切换的成功率、以及对实时控制要求高的业务的KPI。另外，如果5G与4G组网方式不同，会引入新的管理层级，从而增加管理上的复杂度。而5GC控制面分省部署方案技术风险小，管理复杂度低。

图4为5GC控制面分省部署方案的全国组网架构。其中，控制面网元L-NRF、L-NEF、UDM+HSS、AUSF、AMF、SMF+PGW-C、NSSF、BSF、PCF+PCRF，用户面UPF+PGW-U省集中部署，而H-NRF、H-NEF部署在骨干层面，实现网元跨省自动发现、跨省网络能力开放。为满足低时延等业务需求，UPF将按需下沉，部署在本地网层面，甚至城域边缘。

2   5GC的實现架构

2.1  服务化架构

5GC控制面采用服务化架构（SBA，Service-based Architecture），其来源于IT技术，主要特征包括：第一，相对独立、可重用、松耦合、可灵活调用的功能模块，甚至是微服务;第二，功能以服务方式定义，采用轻量高效的服务调用接口（即服务间通信接口）、以API方式对外呈现;第三，自动化、智能化的服务管理框架。

5GC的网络功能（NF）在4G EPC网元的基础上进行了细分和重构。例如，MME的功能被拆分为三部分，其中接入与移动性管理功能形成AMF，用户鉴权功能形成AUSF，会话管理功能与SGW/PGW的控制功能合并形成SMF。从目前3GPP标准（R15）定义的NF来看，还达不到微服务的程度，而对于每个NF内的Service，可作为微服务的基础。从总体上看，这些网络功能可独立演进、按需部署、独立扩容，大大增强了网络的高效性和敏捷性。

NF间采用总线方式连接，每个NF接口以API方式呈现，供其它多个NF调用。而传统网络架构（如2G、3G、4G网络）采用的是“点对点”接口方式，即每两个有关联的网元（网络功能）之间都需要定义专用的接口，N个网元需定义的接口数为N平方量级。采用服务化架构，不论是扩展新功能（只需将新的NF挂在总线上），还是新增NF间的联系（只需扩展接口API），都比较方便，而且N个网络功能只需要定义N个接口，因此从总体上看灵活性更强、扩展性更好。

SBA接口设计基于应用广泛的互联网技术（见图5[3]），以HTTP/2及TCP为承载协议，以JSON为应用层序列化协议（即通信消息格式），以REST（Representational State Transfer，表述性状态传递）风格及OpenAPI 3.0规范为接口描述语言。这种方式能够大大简化开发，同时有利于提升接口的开放性。

2.2  5GC控制面与用户面的实现方式

SDN（Software Define Networking，软件定义网络）、NFV（Network Function Virtulization，网络功能虚拟化）技术的发展，带来了开放、开源、通用、白盒、虚拟化、微服务、自动化、智能化、迭代式开发和灰度升级等一系列新理念、新思路和新方法。5G网络架构的设计融入了IT、NFV、SDN及互联网技术的理念和思路，体现出促进CT与IT的深度融合，云与网的深度融合，与传统网络相比发生了根本性变革。

5GC的控制面以计算功能为主，对转发性能要求不是很高，可以虚拟化，并基于通用服务器、采用软件加速技术实现，关键技术包括：DPDK（Data Plane Development Kit，数据面开发工具）、SR-IOV（Single Root-Input Output Virtualization，单根输入输出虚拟化）、CPU核绑定、NUMA

（Non-Uniform Memory Access Architecture，非一致内存访问架构）亲和性等。

对于5GC的用户面（UPF），由于对转发性能，包括吞吐量、时延等要求较高，其具体实现方式主要有三种。

方式一，通用服务器+软件加速方式（与控制面方案类似）。其特点是通用性好，但小包转发能力不足、时延抖动大，主要适用于对UPF时延、吞吐量等性能要求不太高的场景。

方式二，通用服务器+智能网卡（硬件加速）方式。UPF的少量控制功能由CPU实现，其主体的转发功能由智能网卡实现，可达到高性能;但智能网卡目前存在异厂商无法通用，尺寸、供电要求等不统一，与控制面接口不统一等问题。这种方式主要在要求UPF低时延、高吞吐量时使用，例如，UPF分布式部署（下沉到边缘）场景。

方式三，基于专用硬件。具体实现方式可细分为两种。一是基于传统专用硬件平台（类似SGW/PGW）实现;二是采用通用服务器，但厂商有特殊要求，无法实现解耦（对运营商来说是“专用”的）。这种方式性能上有保证，但通用性差，适用于要求UPF低时延、高吞吐量的场景。

总体上看，方式二性能与通用性兼备，具有良好发展前景，下一步应重点推动智能网卡的通用化及面向5G产品的成熟。

2.3  5GC虚拟化部署架构

NFVI（NFV Infrastructure，NFV基础设施）承载VNF的基本方式包括基于Hypervisor的虚机（VM）、基于容器两种[4]。容器是一种在操作系统内核空间上使用多个独立的用户空间实例的方法，具有资源占用少、启动快（秒级）、支持灰度升级等特点，成为微服务的最佳载体，但存在隔离性较弱等缺点，在CT云及NFV中的应用尚不成熟。

5GC主流设备厂商的VNF实现采用了虚机（VM，Virtual Machine）、容器方式。对运营商而言，NFVI主要三种部署方案。

方案一（如图6所示）：运营商NFVI平台仅提供虚机。设备厂商可采用虚机、容器方式，VNFM提供容器管理，容器对运营商不可见。

方案二（如图7所示）：运营商NFVI平台提供虚机、虚机容器、裸机容器，以及虚机、容器的管理，设备厂商在这些方式中选择。

方案三（如图8所示）：软硬件解耦方式，运营商仅提供通用硬件，设备厂商提供所有软件，包括VNF（Virtualized Network Function，虚拟网络功能）、EM（Element

Management，网元管理）、VNFM（VNF Manager，VNF管理器）、虚拟化层和VIM（Virtualized Infrastructure Mana-

ger，虚拟基础设施管理器）等。

总体上看，采用方案一，运营商仅需提供在NFV中已广泛部署且比较成熟的虚机，对近期而言更为稳妥，但虚机承载容器方式的效率有所降低。方案二中，运营商灵活提供多种方式，能够充分发挥容器方式的特点，但存在容器尚未在NFV中规模部署、成熟度有限的风险，以及容器间隔离度不足、大量容器带来的管理复杂度等问题。从长远看，应进一步评估方案二的成熟度与可行性，方案三适合在部署初期采用，风险最小。

3   5G SA的关键能力及架构

3.1  网络切片与切片管理

5G网络切片（以下简称“切片”）指提供特定网络能力和特性的逻辑网络，即基于同一物理网络，实现多个逻辑网络。切片的主要特点包括隔离性（安全隔离、资源隔离与操作维护隔离等）、端到端（核心网、无线网、承载网）、按需定制（按业务、功能、容量、服务质量与连接关系等）。切片可支持多种应用场景，特别是支持垂直行业应用。目前核心网切片在3GPP中已有明确定义，无线网切片尚不成熟。

一个切片实例包括专用的网络功能，一般也包括多切片共享的网络功能。图9是切片实现一个例子。目前无线网无法划分切片，核心网部分，通常NSSF、NEF、NRF、PCF、UDM、AUSF、AMF为共享NF;UPF1为切片1专用部分，SMF2、UPF2为切片2专用部分;SMF对切片1为共享，对切片2为专用。5G核心网采用NFV虚拟化方式实现，使得网络切片的实现更为灵活，能够根据每个切片的具体要求，建立不同的5GC VNF实例，并能够独立进行扩缩容，从而实现隔离性、按需定制等特性。

端到端、智能化的切片编排与管理，需要引入切片管理功能，并融入新一代运营管理系统。3GPP描述了切片管理三个层面的功能[5]：CSMF（Communication Service Management Function，通信业务管理功能）将用户/业务需求转换为切片要求，基本上属于BSS功能。NSMF（Network Slice Management Function，网络切片管理功能）实现对切片实例管理与编排，并将切片要求转换为切片子网要求;NSSMF（Network Slice Subnet Management Function，网络切片子网管理功能）对切片子网实例进行管理与编排，并将切片子网要求转换对该子网中设备的配置和管理要求。NSMF、NSSMF的功能基本上属于OSS。

端到端切片管理系统应包括核心网、无线网、承载网三类子网。图10描述了端到端切片管理系统的架构。其中，不同NSSMF根据该子网的技术实现，分别与EMS（Element Management Server，网元管理服务器）、NFVO（NFV Orchestrator，NFV编排器）或SDN-O（SDN Orchestrator，SDN编排器）对接（例如，核心网NSSMF对接EMS和NFVO，承载网NSSMF对接EMS和SDN-O，无线网NSSMF对接EMS），基于切片子网要求对该子网中设备进行配置和管理。

切片管理功能需跨厂商、跨网络、跨区域实现，图11展示了端到端切片管理系统部署的一种方式。其中，CSMF分全国、区域（省或大区）两级部署，分别受理跨域、域内切片;NSMF同样采用分全国、区域两级架构，全国级NSMF实现跨区域、端到端的切片管理，并与区域级NSMF对接，同时下挂骨干网的NSSMF;区域级NSSF管理本区域内各个子网的NSSMF。

3.2  边缘计算（MEC，Multi-access Edge Computing）

MEC的引入，最主要的目的是降低时延。当端到端时延要求达到毫秒量级时，光纤传输时延（每公里5微秒）就会成为一个主要因素。当业务靠近网络边缘部署时，光纤传输时延会大大降低，同时设备跳数也会减少，从而降低设备转发时延。对于高带宽业务，在边缘分流还能够节省承载网带宽，也有利于提升业务体验。

ETSI对MEC的功能、架构、接口等方面进行了比较系统化的研究。ETSI定义了MEC功能框架[6]。MEC主要包括虚拟化基础设施、MEC平台、MEC应用以及MEC管理，其中，MEC平臺的主要功能是为MEC应用提供注册、发布等功能，同时也提供一些公共功能，供MEC应用来调用。

NFV的发展为MEC提供了优化的实现方式。ETSI提出了在NFV环境下部署MEC的架构[7]，其中MEC平台、MEC应用均可采用虚拟化方式作为VNF实现，基于通用的NFVI统一承载，并由MANO（Management and Orchestration，管理与编排）编排管理。

5G网络为满足MEC的要求，进行了专门的设计。控制与转发分离的架构使UPF能够根据业务需求灵活下沉。在会话管理方面，提供了UL CL（Uplink Classifier，上行分类器）、IPv6 multi-homing、LADN（Local Area Data Network，本地数据网）等分流机制[1]。图12为5G MEC架构示意图。在5G网络架构中，MEC相当于DN（Data Network，数据网络）+AF（Application Function，应用功能）。作为DN，通过N6接口与UPF相连;作为AF，可通过Npcf（授信场景）或Nnef（非授信场景）调用5G网络能力。MEC与5G网络（RAN、UPF、5GC控制面网元）是解耦的。

MEC应当是固移融合的架构，统筹考虑移动网、固网的接入、功能和应用。MEC的发展应遵循云网融合、云边协同的思路，充分发挥运营商在边缘云网方面的优势，实现资源高效利用、业务灵活运营。

关于UPF下沉、MEC部署位置的选择，应综合考虑两方面因素。第一，越靠近网络边缘，时延越小，对承载网带宽节省越明显。第二，越靠近边缘，机房条件（温度范围、面积、防尘等）越差，而且DC化改造也需要一个过程。因此，UPF按需下沉部署，只有在性能（如时延）或业务必需的情况下才考虑下沉。

3.3  5G SA语音

5G SA语音在4G/5G互操作基础上实现，其架构如图13所示。融合数据库UDM+HSS需包含IMS用户数据;P-CSCF（Proxy-Call Session Control Function，代理-呼叫会话控制功能）与UPF+PGW-C之间通过N6接口连接。由于目前P-CSCF不支持服务化接口Npcf，因此PCF需融合PCRF功能，并通过Rx接口连接P-CSCF，EPC与5GC之间需打开N26接口。

5G SA语音的具体实现方式有两种。第一，VoLTE（EPS Fallback），用户在5G网络发起呼叫，NR触发回落LTE。这种方式适合于5G覆盖不够好、4G覆盖包含5G的场景，其接续时延（比纯4G VoLTE）长，但通话中无4G/5G切换，适合在5G SA发展初期采用。第二，VoNR，用户在5G网络完成呼叫，适合于5G网络覆盖较好的场景，无需4G覆盖包含5G，其接续时延短，但5G网络覆盖不好时通话中可能存在4G/5G频繁切换，影响用户体验。这种方式适合5G SA发展中后期采用。

3.4  5G SA智慧运营

5G SA网络架构的根本性变革，提出了业务自动部署、资源动态调度、网络灵活扩缩、故障智能判断等智慧化运营的新需求，推动新一代运营管理系统的发展演进。

ONAP（Open Network Automation Platform，开放网络自动化平台）开源组织，在AT&T的ECOMP（Enhanced Control Operations Management and Policy，增强的控制、操作、管理和策略）架构基础上，构建了面向虚拟和物理网络功能进行实时和自动化编排、控制、管理的平台，支持元数据驱动、策略驱动、闭环自动化，支持北向接口能力开放，其最新架构（Dublin版本）如图14所示[8]。

借鉴ONAP的思路，新一代运营管理系统应支持两大状态：设计态、运行态。设计态提供定义资源、业务、产品的综合开发环境。运行态的功能包括两个层面。第一，专业网络层面的编排管理及数据采集。第二，端到端层面，应至少包括服务开通、服务保障、云网资源管理、数据分析（可引入AI）、策略管理、以及端到端业务及资源编排。系统宜采用服务化架构，基于模块化或微服务实现，使各功能模块之间可灵活调用，保证平台功能的可扩展性。对于切片管理系统，NSMF的功能应以模块化方式融入端到端层面相关功能，NSSMF功能应融入相关专业网络层面的编排管理。

4   结束语

SA是5G网络的目标架构，当前处于商用准备阶段。由于5G SA采用全新的服务化架构、虚拟化部署，是网络架构的深刻变革，体现了CT与IT的融合、云网融合，许多新的、不成熟的问题叠加在一起，在网络部署、运营、业务模式等多方面带来诸多新的挑战。5G SA推进中遇到的问题，全球都没有现成答案，这是5G引领必须付出的代价，需要我们深入研究、大胆探索、自主创新。

参考文献：

[1]    3GPP. 3GPP TS 23.501. System Architecture for the 5G System[S]. 2018.

[2]    3GPP. 3GPP TS 23.401. General Packet Radio Service （GPRS） enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） access[S]. 2018.

[3]     3GPP. 3GPP TS 29.500. Technical Realization of Service Based Architecture[S]. 2018.

[4]     ETSI. GS NFV-EVE 004： Network Functions Virtualisa-tion （NFV）; Virtualisation Technologies; Report on the application of Different Virtualisation Technologies in the NFV Framework[S]. 2016.

[5]   3GPP. 3GPP TR 28.801. Study on management and orchestration of network slicing for next generation network[S]. 2018.

[6]      ETSI. GS MEC 003 V2.1.1. Multi-access Edge Computing （MEC）; Framework and Reference Architecture[S]. 2019.

[7]    ETSI. GS MEC 017 V1.1.1. Mobile Edge Computing （MEC）; Deployment of Mobile Edge Computing in an NFV environment[S]. 2018.

[8]      ONAP. ONAP Architecture Overview[S]. 2019.

作者簡介

王波（orcid.org/0000-0003-1954-5249）：硕士毕业于清华大学、英国考文垂大学，现任职于中国电信集团有限公司科技创新部，从事5G核心网、NFV、光接入等方面的技术研究和研发项目管理工作，担任FSAN O&E工作组联合主席，CCSA接入网与家庭网络工作组副组长。