5G核心网规划建设的挑战及策略

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd, Beijing 100080, China)

1 5G标准和产业进展

3GPP 5G标准R15版本聚焦增强移动宽带（eMBB）业务，主要定义了5G全新网络架构，包括网络切片、服务化架构、边缘计算架构、移动性管理、会话管理分离和基于流粒度的服务质量（QoS）设计等。R15定义了与网络部署相关的3大网络架构：基于4G核心网（EPC）的新空口（NR）双连接架构——R15 NR非独立组网（NSA）、基于5G核心网的独立组网架构——R15 NR独立组网（SA）以及基于5G核心网的NR-LTE/LTENR双连接架构（R15 Late Drop）。R15 NR NSA和R15 NR SA的标准均已于2017年12月和2018年6月冻结；R15 Late Drop版本也已于2019年3月冻结。

3GPP 5G标准R16和R17版本聚焦垂直行业应用。R16版本标准主要包括增强超可靠低时延通信（URLLC）、增强车用无线通信技术（eV2X）、物联网（IoT）支持和演进、5G局域网、5G定位和位置服务、网络自动化等。R16标准预计于2020年6月冻结。5G R16标准完成后，基于R16及后续的R17的5G核心网才真正能够实现eMBB、URLLC、海量大连接（mIoT）3大场景网络能力，全面支撑5G面向垂直行业的发展。

2 5G核心网规划建设面临的挑战

2.1 5G NSA和SA的选择

目前R15 NSA和SA架构是标准及产业成熟度较高的两种架构，如图1所示。其中，NSA架构采用4G EPC增强控制5G NR，以支持终端双连接；SA架构采用全新5G服务化核心网架构。2019年已商用的5G网络主要采用NSA技术架构，该方案的优势是5G先发部署。建网初期，在5G覆盖不足的情况下，采用NSA架构可充分发挥4G/5G协同优势，由LTE基站保证用户流量的承载。由于采用和4G共用EPC核心网，对于没有签约的5G NSA终端，只要网络归属签约用户服务器（HSS）/增强移动性管理实体（MME+）默认允许NSA接入，在5G NR覆盖区的用户可以建立至NR的5G承载，接入5G网络体验5G业务。

5G SA定义了5G全新网络架构，包括网络切片、服务化架构、边缘计算架构、移动性管理、会话管理分离和基于流粒度的QoS设计。这些架构功能在R16标准中被进一步增强，满足了URLLC和V2X等需求。5G SA架构的核心网是革命性的变革，产业成熟度低；因此，大多数运营商将5G SA架构作为5G网络的目标架构。以中国移动为例，2019年5G开始商用，主要采用NSA架构，并基于4G EPC来部署5G NSA网络；同时，面向垂直行业进行5G SA预商用，推进SA架构5G核心网的成熟。

2.2 5G与4G的互操作

移动通信换代时都需要满足一个基本要求，即用户不换号。从4G到5G的网络演进也不例外。移动通信的用户数据存储在4G HSS中，如果4G用户开通4G语音承载（VoLTE）业务，那么还会涉及到IP多媒体子系统（IMS）HSS设备。现网中为实现用户业务的继承和兼容性，这些用户数据设备以不同方式形成融合网元，即2G/3G/4G/VoLTE HSS/归属位置寄存器（HLR）。当5G采用SA架构建网时，5G核心网是一个服务化架构、全云化的网络。其中，用户数据功能统一数据存储（UDR）/统一数据管理（UDM）也是云化网元，要实现4G用户不换号也能使用5G业务的目标，同样需要融合的用户数据网元。图2给出了3GPP定义的5G用户数据存储架构。

3GPP R15 5G SA标准定义了4G/5G的互操作架构（如图3所示），即4G/5G融合的UDM+HSS，以便实现用户的统一签约和统一鉴权管理：融合的策略控制功能（PCF）+策略与计费规则功能单元（PCRF），可以实现用户的统一策略管理；融合的会话管理功能（SMF）+分组数据网网关-控制面（PGW-C），可以实现用户的统一会话管理和统一锚点选择，从而实现4G/5G切换的业务连续性；融合的用户面功能（UPF）+分组数据网网关-用户面（PGW-U），实现统一的用户面隧道锚点功能，保证4G/5G切换的业务连续性。因此，在5G网络建设中不仅用户数据网元UDM/UDR需要与2G/3G/4G/VoLTE融合，以上策略管理网元PCF/UDR、会话管理网元SMF、用户面网关UPF均需与4G形成融合网元；而5G核心网的服务化和云化新架构与2G/3G/4G核心网的融合也将会为5G网络的建设带来一些重大挑战。

图1 R15新空口非独立组网和独立组网技术架构示意图

图2 3GPP定义的5G数据存储架构图[1]

图3 3GPP定义的4G/5G互操作架构（无漫游）图[1]

2.3 5G面向个人用户和垂直行业用户

经济社会发展对信息通信技术的需求越来越迫切。5G等信息技术与实体经济深度融合，将促进智能连接、云网融合等贯穿到各行各业生产经营各环节，充分发挥对经济发展的放大、叠加、倍增作用，激发经济增长新动能；因此，5G的使命不仅是满足个人用户（ToC）的需求，改变生活，更重要的是满足垂直行业（ToB）信息化和智能化需求，改变社会。

3GPP面向垂直行业应用的两大场景（URLLC和mIoT）均未在3GPP R15版本中完成标准化。在现阶段基于R15版本的5G网络建设中，5G能够满足eMBB场景的需求；URLLC的场景将在R16版本的5G标准中完成，低功耗mIoT场景的优化和演进，将在R17版本完成。因此，面向ToB市场的需求，运营商近期将继续依靠现有窄带-物联网（NB-IoT）和增强机器类通信（eMTC）技术演进。同时，5G网络建设还要协同2G/4G物联网的建设和演进，通过5G网络切片能力，满足部分场景ToB用户的需求，实现未来2G/4G/5G物联网的逐步融合发展。

2.4 5G用户需要实现国际漫游

2019年，已有韩国、英国、欧洲等多个国家或地区实现了5G NSA架构的商用网络服务。根据韩国科学技术信息通信部发布的信息，截至2020年2月28日，韩国5G NSA用户数已达536万。目前国际上商用5G网络已发展了大量的5G NSA用户。要实现国际用户能够漫游在中国的5G网络中，那么中国也需为5G NSA用户保留NSA网络。即使中国在2020年抢先实现SA架构的5G网络规模商用，为了保证国际用户能够在中国5G网络漫游，依然需要保留NSA架构网络和足够的覆盖能力。这也将是5G核心网建设的另一个挑战。

3 5G核心网规划建设策略和关键问题

3.1 2G/3G/4G/5G融合数据面的建设策略

要实现在用户不换号的条件下，网络从4G升级到5G，则需要实现用户数据的融合。现网是2G/3G/4G的融合网络，所以融合用户数据和融合策略数据的建设策略需要涵盖现网2G/3G/4G/VoLTE的用户数据和现网4G的策略数据。数据融合的建设目标和建设策略应以终为始，实现云化用户数据、策略数据的融合和现网数据的迁移。

对于ToC用户，主要用户来源为4G换机用户和已成为5G NSA的用户，对于此类用户需实现2G/3G/4G/5G/VoLTE的融合数据层建设和用户数据的迁移。根据工业和信息化部公布的2020年1—2月通信业经济运行情况数据看，截至2月底，3家基础电信企业的4G用户规模为12.62亿户。从3G到4G的网络升级中，4G用户数据的迁移持续1～2年的时间；而面向5G用户数据迁移难度更大，从设备形态到网络架构都在云化转型，使得现网网元升级不可行。建设策略[2]有以下几种：策略1，以大区或省为单位新建云化融合用户数据网元HLR/HSS/UDM/UDR来替换现网融合HSS/HLR。云化融合用户数据网元的建设规模需要满足所替换设备的全部容量。对于后端设备（BE）存储数据库，采用云化融合HSS/HLR/UDR替换传统HSS/HLR后端数据库；对于前端设备（FE）信令处理模块，采用云化UDM/HSS/HLR FE设备一次性替换现网HLR-FE和HSS-FE，分别处理不同用户的用户数据接入信令。该策略较适用于现网设备运行年限较长、临近退网或满足折旧期限要求的情况。由于策略1采用替换方案，导致初期建设规模增大，先期的建设成本较高；但优势是可以一步到位达到目标架构，网络架构清晰简洁。

策略2，以大区或省为单位新建云化融合HLR/HSS/UDM/UDR设备，容量满足本期工程预测的5G用户规模需求，并与现网HSS/HLR混合组网，实现2G/3G/4G用户开通5G后的逐步数据迁移。在该策略下，与新建设备配对迁移的现网HSS/HLR，需要改造支持与新建云化融合UDM/UDR间的接口。当4G用户开通5G时，该用户的签约数据写入新建融合HLR/HSS-BE/UDR数据库中。当用户漫游在4G网络使用业务时，服务于该用户的4G 移动性管理实体（MME）设备向现网HLR/HSS请求鉴权和签约数据，现网HLR/HSS通过与新建融合UDM/UDR设备间接口获取用户数据。该策略较适用于现网设备版本较新、在网运行时间不长的场景。该策略无须提前进行用户数据迁移，而是当用户更换5G手机后，逐步将用户数据迁移至新建融合UDM/UDR数据库中。该策略可随用户换机规模逐步建设，先期建设成本与5G用户发展规模相关，可以有效利旧现网设备资源，减少先期投入；但该策略由于需要新旧用户数据设备间开放接口，接口需要进一步规范，实施上存在一定风险。

还有一些其他的非标私有定制化方案，在此不一一赘述。综上所述，5G核心网ToC用户数据层的建设应根据5G SA业务需求，统筹考虑数据迁移场景、投资效益等因素后再进行选择，且针对不同区域可以选择不同方案。对于5G面向ToB用户，采用物联网号段且均为新用户，不涉及现有用户数据迁移问题。

3.2 5G策略数据融合建设策略

在3GPP定义的数据存储架构中，5G用户数据、策略控制数据、能力开放数据等均存储在统一的后端数据库UDR中，如图1所示。因此，在建设策略中不仅要考虑策略控制数据4G/5G的融合建设，还要考虑用户数据和策略数据是否融合建设。考虑到用户数据和策略数据现网网元厂家分布不同，跨厂家数据迁移难度大；因此，5G SA网络建设初期可以暂不考虑用户数据和策略控制数据后端数据库网元的融合设置。为实现4G/5G网络互操作，5G策略数据网元PCF/UDR需实现与4G策略数据网元PCRF/签约数据仓库（SPR）的融合。4G的用户策略需迁移到4G/5G融合的云化策略控制网元中，建设策略与3.1节用户数据融合相似，主要有以下几种：

策略1，以大区或省为单位，新建与4G融合的PCF/UDR，以替换现网PCRF/SPR设备。

第略2，以大区或省为单位，新建的4G/5G融合PCF/UDR与现网PCRF/SPR混合组网，同时须升级现网PCRF/SPR，以支持与新建融合PCF/UDR设备的接口。

无论采用以上哪种建设策略，与用户数据融合不同的是：策略控制数据由于控制策略个性化强，现网数据业务控制策略多，异厂家替换工作量大且周期长，风险较大；因此，无论采用策略1还是策略2，均需要考虑实施风险。

3.3 5G SA核心网全云化网络建设策略

5G移动网络是一个电信级的基础网络，它要求云化网络的云计算基础设施具备电信级高可用性和异地容灾能力。5G SA核心网虚拟网络功能（VNF）部署在NFV云计算资源池中，它面向大众市场和垂直行业提供5G服务。5G网络面向ToC和ToB用户的多样化需求可通过网络切片技术实现，在5G核心网建设中，需要考虑5G与现网2G/3G/4G融合核心网以及2G/3G/4G/NB物联网的协同发展[3]。5G SA核心网控制面网元包括接入管理功能（AMF）、SMF、网络切片选择功能（NSSF）、服务注册管理功能（NRF）、融合计费功能（CHF）等，它们均为服务化网元，对外提供服务化接口，其部署策略如下[4]：

1）AMF和会话管理功能（SMF/网关-控制面）VNF分别服务于特定区域的基站，可以省或地市为单位集中部署于省或大区中心资源池。

2）NSSF用于网络切片选择，可以省或大区设置。

3）NRF主要完成VNF服务注册、管理和发现，可以省或大区设置。当需要跨省或跨大区服务发现时，可采用NRF网状联接或分级部署。

4）CHF与网络侧接口实现在线和离线计费部分功能，可与SMF同区域部署。当多个CHF需要被选择和路由时，可采用直接配置局数据的方式或采用设置NRF提供服务注册和服务发现功能来实现CHF的发现和选择。

5G SA核心网用户面为4G/5G融合网元UPF/网关-用户面（GW-U），其部署策略为：用户面网元UPF/GW-U通过N3接口直接与基站相连，通过N4接口与SMF通信。UPF/GW-U可以省、地市为单位部署，当部署在地市不能满足业务时延需求时，可向边缘扩展。由于目前N4接口不开放，当UPF向边缘扩展时，需与辖区SMF同厂家。

5G SA核心网需要与4G EPC核心网进行互操作，因此还需要现网4G EPC进行升级改造。

3.4 5G SA核心网用户面N4接口开放策略

为实现5G面向垂直行业的发展和支撑，5G引入了边缘计算能力。边缘计算架构可实现5G UPF网关下沉到就近用户位置，实现低时延和数据分流应用[5]。5G SA核心网形成集中化的控制面和分布式的用户面的部署架构。用户面UPF需要控制面SMF的会话控制，来完成会话建立和策略的执行。它们之间的N4接口为厂家内部接口，实现流量的实时统计和上报、会话建立命令的下发和执行等多种功能。N4接口为非开放接口，因此5G集中部署的核心网SMF需要与分布式部署的UPF同厂家设置，这为未来的网络建设和面向垂直行业的发展带来了挑战和限制。中国移动已牵头成立OpenUPF-面向垂直行业的5G UPF及N4接口开放合作伙伴计划，意在解耦N4接口，使得用户面UPF面向垂直行业的边缘节点功能更简单，未来的部署更加灵活。

3.5 5G用户实现国际漫游策略

为了保证国际用户能够在中国5G网络条件下实现漫游，在2020年规模商用5G SA的情况下，中国5G NSA架构网络和足够的覆盖能力均需要被保留，以满足国际5G NSA用户漫入使用5G的需求[6]。当5G NSA来访用户漫游至5G SA/4G EPC覆盖的区域时，漫游互通可实现“EPC-EPC”模式，这时用户只能接入4G EPC网络漫游，无法使用5G SA网络服务；当5G NSA来访用户漫游至5G NSA/4G EPC覆盖区域时，漫游互通可实现“EPC+-EPC+”模式，此时用户可以接入漫游地NSA网络，使用5G NSA网络服务；当5G SA用户漫游至5G SA覆盖区域时，漫游可实现“5GC-5GC”互通模式，用户可以接入漫游地SA网络，使用5G SA网络服务。为了实现5G SA架构核心网国际漫游，3GPP定义了本地疏通和归属地疏通两种漫游架构，具体如图4和图5所示。其中，图4描述了5G本地疏通漫游架构通过控制面互通的方式，图5描述了5G归属地疏通漫游架构通过控制面互通的方式。

在本地疏通架构中，除归属地用户数据查询和鉴权外，拜访地PCF可以根据运营商间漫游协议使用本地配置策略为漫游用户生成业务疏通规则并进行业务的本地疏通，或对归属地PCF进行策略查询后生成业务疏通规则并进行业务的本地疏通。在归属地疏通架构中，除归属地用户数据查询、鉴权、策略数据查询和生成外，还涉及跨两地会话连接的建立，以便建立从拜访地到归属地的用户面隧道连接。以上跨运营商核心网的控制面交互均通过3GPP定义的安全边界代理功能（SEPP）实现。SEPP实现消息过滤和拓扑隐藏功能，因此5G SA核心网国际漫游互通双方均须部署自己的SEPP，所有控制面互通的消息均通过SEPP进行中继转发。不同运营商间SEPP的互通通过IPX网络完成互通，如图6所示。

图4 5G本地疏通控制面互通的漫游架构示意图[1]

图5 5G归属地疏通控制面互通的漫游架构示意图[1]

图6 跨运营商5G独立组网信令互通示意图[7]

4 结束语

2020年是5G SA核心网规模商用的第1年，产业界主要负责提供满足5G R15阶段的5G核心网设备。一方面伴随5G核心网的网络云化转型以及5G网络切片和边缘计算的引入，移动网络的架构发生了巨大变化；另一方面移动网络需同时服务于ToC和ToB多样化需求的市场，这使得5G核心网的引入和部署策略受到诸多条件的制约，策略选择也非常多样。文中，我们仅结合移动用户和网络需求进行了5G SA核心网初期引入的相关策略分析和探讨。随着5G R16标准的进一步完善以及产业的逐步成熟，5G增强核心网将能满足更多场景，提供更高服务质量要求。未来，5G核心网网络规划建设策略也将面临更多问题，需要研究者们进一步探讨。