5G核心网演进需求及关键技术

（中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057）

(ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China)

1 5G核心网的演进需求

1.1 5G核心网现状

5G开启了全连接、全业务的时代。不同于4G核心网的单纯增强移动宽带（eMBB）服务能力，独立组网的5G核心网能够同时提供eMBB、超可靠低时延通信（URLLC）和海量机器类通信（mMTC）服务，实现一网万用、使能行业数字化转型。一方面，屏蔽接入方式的差异，实现以用户体验为中心的多接入网络；另一方面，网络切片和边缘计算为各行各业提供按需服务[1]。

当前，独立组网的5G核心网商用部署已经逐步开始。5G核心网关键技术已取得如下进展：

（1）云化部署。

云化部署是5G核心网的基础。目前，大区集中全云化核心网技术已经成熟。云化部署可构建基于业务感知的弹性网络，使业务容量不受单一硬件物理限制，可实现资源按需分配，网络功能按需生成，使5G网络建设更平稳、更高效[2]。当前，5G核心网云化部署处于中心云部署初级阶段，还有待引入边缘云，中心云技术架构也需要持续演进。

（2）服务化架构。

5G核心网以服务代替传统网元，以服务之间的操作来代替传统的网元间接口[3]。服务的引入有利于组件化重用。基于超文本传输协议（HTTP）的服务化接口让网络和业务设计更加灵活。目前，5G核心网控制面已经完全采用服务化架构；但是服务化架构仍然不够灵活、用户面功能（UPF）网元还未能服务化。

（3）网络切片。

网络切片同时支持多种业务场景和用户定制网络服务，对运营商商业模式有深远影响。目前5G核心网和无线接入网已经支持网络切片，传输网也可通过虚拟局域网（VLAN）、灵活以太网（FlexE）等技术实现逻辑隔离；但是，切片标准定义涉及6个行业组织：第三代合作伙伴计划（3GPP）、国际电信联盟（ITU）、国际互联网工程任务组（IETF）、全球移动通信系统联盟（GSMA）、欧洲电信标准化协会（ETSI）和电信管理论坛（TMF）。其中，3GPP负责无线接入、核心网和端到端管理标准的制定，ITU/IETF负责传输标准制定，GSMA定义应用场景和切片模板，ETSI/TMF负责管理框架架构定义。各组织相互协同进展缓慢，制约了端到端切片的商用步伐，导致网络切片目前还以示范、演示和技术验证为主，端到端切片自动部署还限于相同厂家设备。

（4）分布式网络和边缘计算。

5G核心网采用控制面和用户面分离（CUPS）分布式架构，使转发功能下沉到用户侧边缘，降低了转发时延。数据本地处理保证企业用户的数据安全。网络边缘引入多接入边缘计算（MEC），并结合网络动态分流技术如业务会话连续性（SSC）模式2/3、上行分类器（UL-CL）和分支点（BP）保证最佳的用户体验和商业实践[4]；然而，边缘服务有区域限制。诸如如何保证用户移动时业务连续性，如何发现新的本地MEC服务等实际商用部署问题，仍然有待解决。

1.2 业务发展需要5G核心网持续增强

随着5G商用不断深入，5G应用热点将从消费互联网走向产业互联网。不同于消费互联网服务，产业互联网应用向用户提供可定制、差异化的“确定性的服务”。这些服务在工业、能源、视频、交通等行业有非常广泛的需求[5]。5G核心网当前以3GPP Rel15为基础，主要还是面对虚拟现实（VR）/扩展现实（XR）、高清视频，实时游戏等eMBB业务场景。要支持URLLC（端到端时延＜5 ms，安全性和可靠性＞99.999%）和mMTC（连接密度＞1×106/km2）服务[6]，除了接入网要增强外，核心网也需增强。

2 5G核心网演进的关键技术

5G核心网演进聚焦在网络架构、垂直行业应用使能和网络智能化3个方面。

2.1 网络架构

（1）网络切片演进。

切片是5G核心网的核心特性。不同于传统的服务质量（QoS）、接入点名称（APN）/数据网络名称（DNN）技术，切片可以提供端到端的专用网络，满足行业用户差异化的网络需求；而QoS只能提供单类用户的性能保障，APN/DNN只能选择服务接入点，无法区分无线能力。

4G/5G互通切片选择。4G并不支持网络切片。在4G演进分组核心网（EPC）和5G网络互通的时候，如何选择合适的5G网络切片以避免或减少对4G网络产生影响是需要解决的问题。为此，现有网络切片技术需要进行增强：4G EPC选择一个通用的接入和移动性管理功能（AMF），随后AMF从会话管理功能（SMF）获知当前会话的单一网络切片选择辅助信息（S-NSSAI），然后再进行5G切片选择。

切片内认证鉴权。在接入网络切片时，除了运营商需要对终端进行认证外，切片所有者也需要对终端进行认证，以增强5G网络安全性。为此，现有网络切片技术需要进行增强：在注册过程中，增加终端和切片的认证、鉴权和计费（AAA）交互，实现终端和切片的相互认证。切片AAA也允许随时取消对终端的认证，或者要求终端重新认证。

切片管理增强。这包括5G切片性能定义及测量，5G切片信息模型及切片模板定义，服务化切片管理接口，切片管理服务的发现，切片故障监测等增强功能。根据GSMA定义的通用切片模板，3GPP将增强现有切片模板中的相关参数、网络功能和接口，如对切片中小区选择、快速接入、业务连续性和集中单元（CU）/分布单元（DU）分离进行增强。

（2）边缘计算增强。

边缘计算增强包括新加入边缘服务的自动发现、边缘应用移动性管理、网络信息能力开放效率、本地分流重定向和多接入边缘计算选择。

边缘服务自动发现。这包括：终端新接入网络时，如何自动发现部署在边缘的服务；终端移动时，如何发现位置更优的边缘服务；当边缘服务因为需要维护等原因迁移时，如何及时通知终端新的地址。

边缘应用移动性管理。当终端移动到新位置需要迁移边缘服务器，或者边缘服务器因自身原因发生迁移的时候，服务器在迁移过程中的业务连续性需要得到保证，数据丢失也要减少。

网络信息能力开放效率。网络负荷、QoS检测结果等实时信息需要通过SMF、PCF、NEF等控制面网元通知到边缘应用。路径较长，实时性难以保证，需要在边缘部署本地NEF以提高传递效率。

本地分流重定向。如果用户接入的SMF因某种原因不支持本地分流，本地分流路径就需要被激活，以通知AMF重选选择SMF，或者通知终端重新建立边缘网络会话。

多接入边缘计算。边缘计算能被允许通过无线局域网（WLAN）接入、固定接入、4G接入、5G接入等多种接入技术接入，并根据应用需求实现接入方式选择和切换控制。

此外，3GPP R16正在定义URLLC业务；但是垂直行业对于SLA保障、安全和隔离的要求可能超过现有设备的能力。边缘算力应随着边缘应用的不断丰富而提升。基于现场可编程门阵列（FPGA）、图形处理单元（GPU）的硬件加速技术以及异构加速资源的统一管理、能力开放、一体化设备集成将成为边缘计算的新趋势。

（3）云原生。

5G核心网云化将进一步向云原生方向演进，以满足电信服务特有的性能和稳定性需求以及行业定制要求。如图1所示，云原生演进将从基础设施、应用层的服务化以及管理系统自动化3个方面展开。

● 基础设施轻量化。传统的虚机需要在Host 操作系统（OS）之上再叠加Guest OS系统，导致资源占用相对较大。相对于传统虚机，容器只有Host OS，具备更轻量、快速弹缩、部署高密度、性能强等优势。由于边缘机房占地、供电以及其他环境条件的限制，计算资源不像核心数据中心（DC）那样充裕。边缘基础设施需要轻量化，并支持应用的容器化部署。同时，为了实现云边协同，应用应与底层虚拟化技术解耦，以支持容器及虚机的混合部署。将来，随着容器隔离和安全能力的增强，基础设施最终统一到容器架构，实现应用以及管理系统的统一容器化部署，以提升资源利用率、业务弹缩和发布速度。

● 应用层服务化优化。应用层服务化架构需要增强无状态设计，并进一步抽取出可共享的公共服务。这可以采用无状态的微服务架构和共享数据层来构建。微服务采用“高内聚，低耦合”的设计。微服务之间通过应用程序接口（API）或统一的消息总线进行通信。用户的接入和会话信息统一存放在数据共享层。分布在不同位置的微服务实例，通过数据共享层同步用户的最新状态。具体包括：独立的信令连接协议（SCP）服务支持非直接通信和代理网络功能的发现功能。引入网络功能组（NF Set）和网络功能服务组（NFS Set）的概念以更好地支持无状态网络架构。增加了Set之间的用户上下文直接传递等过程。以上设计实现微服务实例的独立运行和弹缩、灰度升级，提升应用的高可靠性。

● 编排部署自动化。结合Kubernetes容器集群管理平台，从蓝图设计、资源调度编排和生命周期管理、应用状态监控、控制策略更新等多个环节实现5G核心网高度自动化。规划、建设、维护、优化和运营各个环节有效衔接，并形成DevOps闭环，实现业务的一键部署安装、全面自治和高效管理。应用和切片能力可以通过API/软件开发工具包（SDK）服务化接口开放给用户，进行二次开发和业务创新，在网络能力可编程的基础上实现业务创新和构建丰富生态圈。虚拟化运营平台提供持续集成（CI）/持续部署（CD）环境工具，协助开发者进行业务开发、发布和升级。

▲图1 5G核心网向云原生的演进

（4）其他架构增强。

● 业务连续性。中间会话管理功能（I-SMF）确保用户移动出当前SMF服务区时的业务连续性。例如，集中的企业接入VPN就是这种典型业务场景之一。增加5G到3G的单待模式的语音业务连续性（SRVCC），确保在没有4G覆盖情况下，用户移出5G覆盖时话音业务的连续性。

● 定位业务。新增网关移动位置中心（GMLC）等网络功能以支持商业定位业务，与现有EPC定位功能对齐的同时，新增位置信息能力开放等5G特有功能。

2.2 垂直行业使能技术

（1）5G时间敏感网络（TSN）。

电气和电子工程师协会标准（IEEE 802.1）于2007年创建了音视频桥接（AVB）任务组，用以太网取代家庭中的高清多媒体接口（HDMI）和同轴电缆。AVB是L2桥接网络。2012年，AVB任务组更名为TSN任务组，扩展了时间同步、延时保证等确保实时性的功能；但TSN仍然只支持L2桥接网络，不支持L3数据流[7]。2015年，国际互联网工程任务组（IETF）成立了确定性网络（DetNet）工作组，致力于将TSN从从局域网扩展到广域网中，实现L2/L3网络中的确定传输路径，以提供延迟、丢包和抖动的最坏情况界限或确定的时延[8]。

对于工业控制领域，传统的“尽力而为”机制已经不能满足需求。工业控制需要网络支持有界的时延和抖动、极其严苛的丢包率和可靠性保证。为了支持工业控制领域应用，5G核心网在URLLC通信服务基础上增加了时间同步、时延和时延抖动有界性，增强了可靠性指标[9]，并将TSN网络无线化，实现了5G TSN。5G TSN由5G网络充当TSN桥，确保UPF和用户终端（UE）之间的确定性延迟，具有精准的流量调度能力，可以保证多种业务流量的共网高质量传输[10-11]。5G TSN架构如图2所示。5G TSN技术包括：与TSN系统互通架构、5G高精度时钟同步技术、Bridge端口和协议数据单元（PDU）会话的映射、QoS映射、针对确定周期性传输的QoS控制、针对TSN数据流的缓存技术、同一UPF下的UE-UE直连通信以及确定性通讯的能力开放等。

（2）5G行业局域网（LAN）。

5G LAN为垂直行业客户提供定制化专属广域“局域网”，使得企业终端与企业云随时随地处于一个虚拟化局域网（或虚拟组）中，无缝接入企业专网和企业私有云[12]。如图3所示，无人机和机器人编组后各自组成一个虚拟局域网络。5G LAN面向企业云接入、智能制造等领域，实现终端的灵活组管理和组内直接通信。企业可以通过开放接口来定制互联网协议（IP）地址分配策略、流量路由策略等。5G LAN包括：5G用户虚拟组管理技术，以支持对虚拟组成员的动态加入、删除和修改，实现对虚拟组内终端通信的会话控制；增强策略控制技术，以控制UPF内和UPF之间直接包交换，实现虚拟组内终端点对点、点对多点直接通信；虚拟组内路由快速收敛和隧道调度控制优化技术，自适应感知网络拓扑结构变化，实现路由快速收敛，避免路由震荡、提升传输效率。

（3）5G非公开网络（NPN）。

专有网络有2种部署方式：一种是完全独立的网络，由网络拥有者维护和控制；另外一种是和公共网络集成部署，由公共网络运营商进行控制和维护。对于后者，5G核心网采用增强的NPN技术实现。如图4所示，5G NPN基于闭合接入组（CAG）和网络切片的结合，实现端到端资源隔离，限制非垂直行业终端尝试接入专属基站和频段，保障行业客户网络安全和资源独享，提供为工业领域特定用户组服务的专有网络，例如在工厂内专门为机器人控制服务的网络。为了和公网进行区分，NPN网络具有独立的网络标识（NID），可以实现终端接入公网或者私网的网络选择，以及公有网络和专属网络的互访控制。

（4）URLLC相关核心网技术。

URLLC主要依赖空口的优化技术。为实现端到端URLLC，核心网也需要做如下增强：

▲图2 5G TSN网络架构

▲图3 5G 行业局域网的通信机制

针对不同业务需求使用不同的5G QoS标识（5QI），以指示基站根据5QI进行资源预留，支持低时延和高可靠业务传输。

终端可以通过双连接建立冗余会话，业务层数据复制到2个会话连接同时进行传输，从系统角度提高数据传输可靠性。

核心网支持QoS监控，向应用上报当前传输路径真实QoS信息，让应用感知当前网络的服务等级协议（SLA）能力，从而根据当前情况调整数据传输策略或需求。

（5）mMTC相关核心网技术。

3GPP R16定义了5G核心网需支持窄带物联网（NB-IoT）和演进机器类通信（eMTC）接入，提供物联网终端接入。基于新空口（NR）的物联网终端的mMTC接入预计将在R17定义。

2.3 网络智能化

5G支持万物互联，使用高频段使基站数量大量增加，控制面云化部署，用户面下沉到基站和用户实现分布式部署。随着网络组网和拓扑变得越来越复杂，5G核心网需要充分利用人工智能（AI）、大数据等新技术，实现网络智能化，以降低运维成本和提升效率。如图5所示，网络智能化体现在3个层面：网元层、管控层和运营层。通过在各层引入AI引擎以及多层次闭环优化和数据协同，实现自动网络优化和运维运营。

● 数据收集和智能化网元闭环控制。为了增强网络数据采集能力，5G核心网引入专门的数据采集和分析网元NWDAF。NWDAF利用标准接口从设备收集用户信息，从操作维护管理（OAM）收集网元信息。根据不同场景采用特定AI算法进行智能数据分析，包括切片负荷分析、网络功能（NF）负荷分析、业务体验分析、网络性能分析等。核心网利用这些分析结果反向闭环控制网元，从而对网络稳定运行、网络性能、功耗控制、资源分配等进行优化和控制；另一方面，这些信息可向授权用户开放，便于用户定制和管理自己的网络与业务。NWDAF有别于大数据采集系统，主要用于实时网络数据采集、分析和控制，并不存储海量数据做后分析。NWDAF可以作为一个数据源接入大数据采集和分析系统。

● 智能化网管和运维。在5G的网络管理运维中，AI技术的精准预测和智能保障将是实现智能运维的利器。5G智能保障系统可以通过采集网络运行数据建立预测模型，即根据历史数据和实时数据结合AI技术对用户行为、网络业务和相应的资源需求进行预测，包括用户移动性预测、用户通讯模式预测以及异常用户检测等。预定义策略给出相应的措施（如网络切片的扩缩容、异常终端检测），从而保障网络在业务变化时能够及时提供相应的资源。同时，面对复杂网络产生的大量告警，通过机器学习实现告警关联，根因定位，并结合故障自动诊断和恢复程序，消除潜在的故障，实现网络自愈，减少工单数量。实验表明，内置人工智能引擎和专家经验的智能根本原因分析（RCA）系统，通过机器学习建立告警关联规则，持续优化排障规则库，实现故障精准定位，可有效降低75%的人工运维成本，运维效率提升2倍以上[13]。

▲图4 5G非公开网络（NPN）接入控制机制

▲图5 5G 网络智能化的3个层次

●智能化网络运营。智能运营是5G网络新特性，通过能力开放平台支撑，可以向用户提供切片或服务的能力封装，实现用户自助定制、开通、运维网络切片。意图引擎[11]将用户对业务的需求意图自动转译为具体的网络语言和配置策略，指导网络的规划、设计、构建和激活，实现网络运营所想即所得。针对具体垂直行业的切片，对于同类切片的海量数据进行分析和挖掘，建立行业专用切片画像，指导个性化的优化设置和行业应用拓展。引入切片自助服务门户和切片服务智能客服，提供智能化的交互、咨询、切片套装推荐和个性化切片自助定制等服务。

3 结束语

伴随着产业互联网应用的不断深入和边缘计算、网络切片、人工智能、垂直行业使能等5G核心网新技术的引入，5G网络将更好地使能垂直行业，更快地实现业务部署和更高效地运维，从而推动5G的全面发展。中兴通讯创新性地提出基于Common Core+ Common Edge技术架构的5G融合核心网解决方案，围绕确定网络、智能网络和灵动网络实现5G核心网的持续演进。