5G核心网的部署问题与建议

聂衡/NIE Heng，赵慧玲/ZHAO Huiling，毛聪杰/ MAO Congjie

（1.中国电信股份有限公司研究院，北京 102209；2.工业和信息化部通信科技委，北京100035）

(1.China Telecom Corporation Limited Research Institute, Beijing 102209, China;2.Communications Science and Technology Commission of the Ministry of Industry and Information Technology of the People's Republic of China, Beijing 100035, China)

目前，国际标准组织已经基本完成5G核心网标准的制定，可以满足5G 3大基础场景之一的增强移动宽带（eMBB）[1]的需求。5G独立组网（SA）的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全面重构的第一步，并且它与行业深度融合满足垂直行业终端互联的多样化需求[2]。相比于非独立组网（NSA），SA网络能够带来众多的5G网络新业务和特性，因此中国运营商目前将SA网络作为当前的网络建设目标。本文中，我们通过研究和分析5G SA核心网的服务化架构、网络切片、移动边缘计算、用户面云化等关键技术，提出了当前部署5G核心网中存在的问题、挑战，以及应对和发展建议。

1 服务化架构

5G SA核心网顺应了未来电信网络向着云化、软件化演进的趋势，参考了IT领域的软件架构建设经验（采用微服务进行组织），也将服务化架构（SBA）作为5G网络的基础架构来设计。5G 核心网的SBA将网络功能（NF）进一步拆分成若干个自包含、自管理、可重用的NF服务。这些NF相互之间解耦，具备独立升级、独立弹性的能力，具备标准接口与其他网络功能服务互通的能力，并根据不同的需求通过编排工具进行编排和实例化部署。考虑到5G标准的完成进度、技术成熟度等因素，5G核心网的SBA目前完成的是控制面的服务化；而用户面的服务化是未来的建设目标，目前尚未完成。图1为非漫游情况下5G核心网的控制面采用的SBA[3]。

可以看到，除了无线接入网（RAN）和核心网用户面的用户面功能（UPF）之外，所有的控制面NF都采用了SBA，这些NF对外提供一种或多种服务。

1.1 服务注册和发现

在5G核心网的SBA下，服务通过生产者与消费者间的消息交互来提供。交互模式主要简化为两种：Request-Response、Subscribe-Notify，从而支持NF间按照服务化接口交互。5G核心网的各种服务采用服务自动注册和发现机制，实现了各NF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。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服务的其他NF实例。这种注册和发现通过5G核心网引入的新型网络功能——网络资源功能（NRF）来实现的，此时NRF作为生产者来提供网络功能注册服务。NRF接收其他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接收其他NF发来的NF发现请求，返回对应的NF实例信息。5G核心网的服务注册、发现、通信机制具体如图2所示。

当NF-B作为新部署的网元上线时，会将自身支持的两个网络功能中的服务（NFS-B1、NFS-B2）和地址注册到NRF中。NRF维护各种NF实例的相关信息和支持的服务信息。当NF-A需要使用NF-B的某个服务时，NF-A向NRF发出NF-B的服务发现请求，获取拥有所需服务的NF实例，然后NRF向NF-A返回所请求服务的NF实例对应的地址（包括NF-B在内），随后NF-A向这个地址（NF-B）发起请求相应的服务。对于Request-Response模式，NF-A请求的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。对于Subscribe-Notify模式，NF-A向NF-B订阅NF服务，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），NF-B对订阅了该服务的NF-A发送通知并返回结果。

这种服务的自动注册和发现机制，在大范围组网时会面临挑战。例如，中国运营商习惯于按省来组织移动核心网，此时需要省内NRF来实现各个5G核心网网元的自动组网；同时又采用更高层面的全国NRF来实现跨省的5G核心网网元自动组网，如图3所示。

图1 5G独立组网核心网服务化架构

图2 5G核心网的服务注册、发现、通信机制

图3 NRF的组网

省NRF向所属的全国NRF注册NF数据，而全国NRF会有多个省的NF数据，且这些数据量很大；因此，需要减轻全国NRF负荷，但如何对数据进行聚合还不成熟。在同一个全国NRF上，多个省的数据间可能存在冲突和重复，但如何处理该情况目前也没有规范或经验。在有多个全国NRF的情况下，各个NRF之间如何自动发现，国际上还没有制定符合SBA理念的标准规范。目前的全国NRF之间是同级架构，不存在服务注册关系。

针对以上挑战，一些运营商通过手动配置来解决。例如，对于省NRF向全国NRF注册NF数据，可以手动在全国NRF配置所辖省NRF的NF注册信息，并进行数据聚合。对于全国NRF之间的发现，可以手动配置全国NRF间的路由，并基于NF网元的省编号、用户号码段等信息来进行发现。

1.2 服务化接口

5G核心网采用统一的服务化接口协议。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，目前采用了表1所示的协议栈。

5G服务化接口协议栈在传输层采用了传输控制协议（TCP），在应用层采用HTTP/2.0[4]，在序列化协议方面采用了JSON，接口描述语言采用Open应用程序编程接口（API）3.0（API的设计方式采用RESTFul）。对于传输层，目前3GPP正在研究用户数据报协议（UDP）、快速UDP网络连接（QUIC）。如果需要保证5G网元间服务化接口通信的安全，可以通过网元开启传输层的安全协议——安全传输层协议（TLS）来实现。作为对比，4G网络的核心分组网演进（EPC）的控制面协议采用了传统的电信网络协议——Diameter和通用无线分组业务隧道控制协议（GTP-C）。

表1 5G服务化接口协议栈

可以看出，服务化接口的复杂会给5G网络的运行指标带来一定的挑战。5G核心网采用SBA的接口协议栈。与传统移动核心网的协议相比，5G核心网虽然带来了更多的灵活性，但因为更加复杂会导致性能下降。用同样的硬件来实现的话，处理相同的信令任务，服务化接口的处理能力相对传统协议有所下降，协议处理时延也有所增加，这在各种测试和实验中已经有所体现。另外，SBA的网络变得复杂，例如，接口增多、信令增多。接口和信令的增多，再加上协议处理时延的增加，导致了5G相对于4G的任务处理时延增加。例如，从控制面看，5G网络下的N2切换就比4G网络下的S1切换时延要长。毕竟服务化架构的5G核心网还是新生事物，这些处理性能和时延的问题带来的运营指标下降是暂时的。从长远来看，可以通过优化软件结构和代码、不断升级的云资源池的服务器性能来解决。

2 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。网络切片的关键特征表现为：端到端、可编排、可隔离、差异化的服务等级协议（SLA）、功能模块化。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，涉及核心网络（控制平面和用户平面）、无线接入网、IP承载网和传送网等多个子域，需要多领域的协同配合。从目前来看，核心网切片的标准和设备相对比较成熟，5G核心网支持切片的选择功能、切片的通信流程。无线网切片由于具有一定的技术难度，如何根据切片标识进行逻辑或物理资源的切分及服务质量（QoS）调度，目前不同设备厂家的进展和实现各有不同。承载网切片目前相对独立发展，在与移动网之间跨专业的联动/打通方面还需要进一步推进。总体上看，实现网络端到端切片在技术上还有许多挑战，需要做到各子域间切片的协同和对接，复杂度相当高。对这个问题，目前产业界也在逐步解决，CCSA已经成立了相关特设工作组来协调运营商、厂商等共同推进这一工作。

在5G网络中，通过单网络切片选择辅助信息（S-NSSAI）来区分不同的切片，且终端、无线网、核心网都需要用到这个标识。S-NSSAI的编码由切片服务类型（SST）和切片微分器（SD）两部分组合而成。SST标明切片的业务类型。目前3GPP定义了4大类业务，分别为eMBB、超可靠低时延通信（URLLC）、海量机器类通信（mMTC）、车用无线通信技术（V2X），SD标明大类业务下具体的切片业务，这个可以由运营商自己基于切片业务的规划来进行编码管理。5G终端是切片的发起方，可以基于不同的应用（APP）来选择对应的切片，然后在建立承载会话的过程中将S-NSSAI发给无线网、核心网，再由网络来选择对应的网络切片实例，进行网络资源的分配。

根据3GPP的设计，终端可以通过网络切片选择策略（NSSP）来选择切片，NSSP可以由网络下发给终端或配置在终端上。NSSP的信息结构示意如表2所示，包含了APP应用信息、终端操作系统（OS）的信息、切片信息等。

当前智能终端的能力不够，对网络提供多切片会带来挑战。由于智能终端和APP生态的复杂性，终端NSSP相关的标准和产业化还做得不完善。目前的智能终端无法基于不同应用选择不同的切片，只能对所有应用都选择同一个切片，这就限制了企业对企业对客户（B2B2C）类切片业务的开展（毕竟这类业务主要是基于智能终端的）。对于那些只提供单一业务的政企终端（2B类应用，例如视频监控），则没有限制，网络可以选择终端请求的对应切片。针对上面智能终端的问题，业界正在从标准和产业的角度进行积极推进。

表2 网络切片选择策略的信息结构示意表

为了在未来能够真正发挥出5G网络切片的价值，需要实现切片管理域对切片的编排和管理。图4是切片管理域的示意图，可以看到切片管理域与切片网络（业务域）之间的关系。

网络切片管理域由如下功能组成：通信服务管理功能（CSMF）、网络切片管理功能 （NSMF）、网络子切片管理功能（NSSMF），具体包括天线接入网（RAN）子切片管理功能（AN-NSSMF）、传输网子切片管理功能（TN-NSSMF）和核心网子切片管理功能（CN-NSSMF）。对于云化的核心网，CN-NSSMF需要通过网络功能虚拟化编排器（NFVO）来实现核心网切片中各个NF所需资源的创建。图4中切片管理域里面的各个功能实体只是从单纯的切片管理角度来阐述。在运营商实际的网络中，在很多情况下这些切片管理功能并不会独立存在，而是分散并嵌入到运营商自己的运营支撑系统（OSS）、业务支撑系统（BSS）中，并且不同的运营商的具体方案也不同，需要运营商的运维、IT、政企、网络部门深度参与才能将切片管理域整合进这些系统中。这对运营商的系统集成能力、研发能力、运营和维护能力将是挑战，运营商应该尽早着手来发现问题解决问题，提自身升能力。

3 移动边缘计算

传统集中式云计算将业务处理数据回传至云数据中心，采用集中式数据存储，并利用超强的计算能力来集中式解决计算和存储问题；但在面对大带宽、大连接、低时延的5G应用场景时有局限性。移动边缘计算（MEC）在移动网边缘提供IT服务环境和云计算能力，强调靠近移动用户，以减少网络操作和服务交付的时延，提升用户体验。由于4G核心网对MEC支持的能力不足，5G核心网在架构设计时就考虑了MEC的需求，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、移动性、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，支持对网络及用户的信息获取和控制。5G MEC端到端系统架构如图5所示。

图4 切片管理域

图5 5G移动边缘计算端到端系统架构

图5右侧的MEC系统在5G核心网中担任着“应用功能（AF）+数据网络（DN）”的角色。MEC系统可以以非可信AF的角色通过“NEF到策略控制功能（PCF）到系统管理功能（SMF）”这个路径来影响用户面策略，或以可信AF的角色通过“PCF到SMF”这个路径来影响用户面策略；作为AF的一种特殊形式，MEC系统可以与5G核心网的NEF/PCF进行更多的交互，并可以调用其他的5G核心网开放能力。MEC系统和UPF之间为标准的N6连接，5G核心网控制着UPF并将指定的MEC业务分流到MEC系统中。

目前，业界对边缘UPF与MEC系统间的关系还并不完全清晰，这会对边缘技术的规模商用构成挑战。从3GPP标准的系统架构上看，5G核心网中支持MEC的边缘UPF与MEC系统之间是松耦合关系，这样可以实现网络与平台的安全隔离，适应更多应用场景。在当前SMF与UPF之间的N4接口尚未完全开放的情况下，可以按照业务的需求直接部署与5G核心网SMF相同厂商的边缘UPF。从MEC系统实际部署和资源利用效率来看，考虑到部署在边缘的系统可能存在各种资源受限的情况，在一些情况下边缘UPF与MEC系统间采用紧耦合会更好。这样一来，UPF和MEC系统可以统一集成，效率相对较高；但又会面临在MEC系统厂商与5G核心网厂商不同的情况下，边缘UPF与5G核心网SMF之间N4接口互通的问题。对于这个问题，目前中国的运营商发起了N4接口开放合作计划，规范了N4接口的基础服务和部分增值服务，由此来促进边缘UPF与SMF的解耦。由于边缘UPF比核心的UPF简单，并且对5G核心网主流厂家的利益触动不大，因此，N4接口开放合作的推动难度会小很多。

4 用户面云化

在电信设备产业云化发展的趋势下，5G核心网UPF网元采用云化的部署，具备快速部署、位置动态调整、新业务快速使能等能力。增强现实（AR）/虚拟现实（VR）、4K/8K高清视频、3D游戏等eMBB应用将会进一步提升用户流量，因此5G移动用户流量将会增速迅猛。UPF需要提供用户流量的高速处理，需要资源池满足转发性能及计算能力。例如，GTP、IP转发等对吞吐量要求高；新业务的增多导致深度报文分析（DPI）逻辑复杂、协议多样，对计算能力的要求也变高；QoS的处理对内存消耗较大。

目前，5G核心网用户面UPF的设备形态包括专用设备、通用服务器。专用设备的转发效率最好，能够以线速转发；但无法实现分层解耦，无法被NFVI统一纳管，扩容能力不灵活。通用服务器包括软件加速方案和硬件加速方案。软件加速方案的转发效率不高，目前已经无法满足大流量、低延迟的转发需求；但其扩展性好，可通过资源池管理系统并进行统一纳管。硬件加速方案的转发效率可接近线速，但各厂商网卡类型、业务卸载方式不一，资源池难以纳管，这与硬件加速当前的标准化程度还不够、产业化成熟度不够高有关。

因此，当前UPF的部署面临着是否需要云化、如何云化的挑战。UPF云化部署的方案，应该结合转发性能、建设成本、部署环境、成熟度进行综合考量。目前主流5G核心网厂家的大容量中心UPF以硬件加速的通用服务器为主，并采用数据平面开发套件（DPDK）和单根IO虚拟化技术（SR-IOV）加速技术。但实际上，云化部署并没有那么成熟，需要由厂商来进行集成。只有完成硬件、虚拟化基础设施管理（VIM）、VNF的集成部署，才能保证高转发性能，从而提升对接、运维效率。对于边缘UPF，转发性能要求不高，且需要按需下沉，灵活和快速部署，灵活扩展；因此，可以考虑采用小型化、低成本的通用服务器虚拟化方案。

5 结束语

当前服务化架构5G核心网的级联组网，可以通过NRF的手动配置来进行；接口性能问题可以通过优化软件代码、不断升级的云资源池的服务器性能来逐步解决。对于网络切片的问题，需要从标准和产业角度提升终端的多切片能力；切片管理则需要运营商提升系统集成能力、研发能力。边缘计算需要综合考虑边缘UPF与MEC系统的解耦，并且推动N4接口的开放合作。根据当前的技术发展水平，中心的用户面云化建议由厂商来进行集成，边缘用户面可以考虑通用服务器虚拟化方案。