5G核心网网络架构及关键技术研究

卜何聪

（广州杰赛科技股份有限公司，广东 广州 510310）

0 引 言

基于5G网络的业务发展需要及通信场景的差异化特点，全面探讨5G网络架构与移动性等关键技术，紧密结合去中心化网络结构，合理运用具有移动特点的网络切面技术，为用户提供良好的5G移动网络应用体验，为我国通信行业的发展保驾护航[1]。因此，我国移动通信相关部门应尝试研究5G核心网网络架构及关键技术。

1 5G核心网总体架构

5G核心网联系5G三大业务场景需要完成系统规划，为开展各种业务提供了条件。根据参考点选择传统架构模式，建立了5G核心网的总体架构。按网元与接口科学明确5G核心网概念，并科学递延了4G核心网EPC。

5G核心网控制面联系了服务化接口，获得网络架构。对比服务化架构与传统参考点架构，二者表现出明显的控制面差异特点，可预防用户面功能模块与接口发生变化。控制面网络功能模块根据服务需求对接口统一处理，放弃传统点对点的接口通信方式，科学运用请求命令，提高网络的运行水平。有效整合NRF与服务化架构，不断提高控制面的自动化管理水平。当网络服务运作时，访问NRF注册本地服务的IP地址、域名以及能力等数据，与NRF同步运行，下线操作时注册NRF。服务化架构利用NRF搜寻适合核心网功能模块的对端，NRF根据命令传输功能信息[2-5]。

4G网元消失于5G服务化架构，产生了网络功能模块，经过彼此解耦，以标准接口进行联系，以编排命令完成实例化部署与规划。服务化架构的特点是简化了接口设计，改进了传递参数水平，调整了功能效率，增强了网络控制的交互操作。

2 5G网络关键技术

2.1 网关控制与转发分离

目前的移动核心网网关设备发挥了路由转发的作用，突出了控制特点，耦合了控制与转发的操作。5G网络根据SDN思想分离了控制与转发操作，形成较高聚合度的控制面板，灵活布置分布式转发面，见图1。一旦彻底分离控制与转发的功能，转发面集中转发路由的业务信息，控制平面为提高操作效率，选择了集中特点的逻辑模式，合理规划移动流量，与管理手段紧密联系，避免北向产生大量接口，增加了南向接口的延展性。采取集中方法部署控制面，在接口进行移动流控制，以编程方法有效控制转发面，预防发生大规模时延现象。通过单一方式逐一演进控制面与转发面，保证网络系统的灵活运用[6-8]。

图1 网关控制与转发分离

2.2 新型移动性管理和会话管理

5G网络为不同等级的移动管理提供了支撑，改善了移动功能。在4G状态，为得到在线数据需频繁进行切换，严重消耗了信令，而在5G状态，物联网终端降低了运行损耗，解决了永远在线的问题。利用移动特点，为控制面或用户面服务、预定接入网等提供支撑，优化了移动状态。另外，网络结合条件变化趋势管理终端，为部分特殊工作区域的垂直用户提供等级高的移动管理，避免中断业务，迅速做出反应，当跨越这一区域后，网络动态调整终端移动，令其达到最低标准，进而增加能效。5G与4G对比升级了创建模式、设计思想、承载制度以及传输方法，解决了永远在线的问题。LTE时期将永远在线作为核心特点，融合了智能终端与移动互联网，实现了双向发展，但在中后期科学引入了NB-IoT技术，最大程度降低了网络资源的耗损，以解耦方法设计会话与移动性的管理[9]。

在5G控制面功能中，以解耦方法管理移动性与连接操作，提高了部署的灵活性，避免网络间形成较大耦合性。在LTE系统内事先建立连接，以快速传输数据，虽然物联网传输数据时浪费了信令资源，但是5G发送数据不需要会话支持，可在控制面和用户面直接发送用户数据，实现无隧道传输数据。由2G、3G到LTE系统，由蜂窝网形成的GTP隧道传递了大量IP数据，体现了移动性，但也消耗了资源，降低了FMC的运行效率，而在5G连接管理过程中，无移动性的连接可抛弃隧道，或是优先采取节点隧道。

2.3 新型QoS机制

由于QoS策略与业务深入耦合，及QoS策略执行与业务感知、计费有效联动等因素，根据5G思想创新设计方案。基于承载标识数据流QoS参数的EPS及Traffic根据TFT对承载的映射操作，五元组利用互联网业务协议承载各种类型业务，利用EFS承载绑定QoS，这一机制难以达到互联网差异化控制的标准。5G异常灵敏的粒度功能处理了数据流标识，建立了全新的标识流机制，根据控制面设定QoS策略，终端转发数据流，由端到端执行差异化控制。用户面科学设定业务感知功能，借网络识别数据流，另外5G网络还系统思考计费计量与统计解耦功能，促进用户界面利用QoS完成运营操作[10]。

2.4 网络能力开放

未来5G网络将调用控制功能、制定网络资源以及全面放开业务等作为研究趋势。这一研究的前提是移动网络将运行能力分别赋予各个网元，即用户位置数据、网元负载数据以及运营商组网数据等，而运营商网络要融合以上数据设计需求，为第三方创造条件。传统第三方业务与移动网络各自采取运营方法，增加了网络准确分配业务的难度。5G网络的开放特点为第三方业务注册与安装提供了参照制度，耦合了业务和移动网络，提高了业务管理水平，紧密联系第三方业务和用户侧完成运营，在传输业务数据流中避免严重时延，为骨干网减轻传输压力。另外，5G网络为用户和业务带来了很多统计数据，这也是大数据分析的基础。5G网络基于能力开放平台连接大数据中心平台，精确分析网络数据，提高5G网络的应用价值。

3 5G网络演进

3.1 演进步骤

首先，网络DC化。ATCA架构应用在传统网元的硬件，捆绑了所有厂家的软硬件，不能实现连通，而5G核心网服务化架构分离了软硬件，联系基础设施建立了统一DC云。

其次，网络架构分布化。一般集中部署4G网元，在控制面和用户面分别设计网元，导致远距离用户在传输数据时发生了时延。而5G应用场景表现出低延时与高可靠特点，优化了网络架构，分离了控制面与用户面，且以集中方法规划控制面，下沉用户面使其与用户紧密联系，突出了低时延的优势。

最后，多切片统一接入。5G的重要特点之一是网络切片，需结合不同场景调整自身功能，如大宽带对应高清视频，高可靠低时延通信对应自动驾驶。网络切片分割物理网络形成了若干逻辑网络，每个网络产生对应的业务场景，降低了规划网络硬件的费用。因此要想在同一场景产生若干切片，应保证管理和接入的统一性。

3.2 部署建议

3.2.1 开展网络云化操作

4G向5G过渡，需开展网络云化操作，即选择合理手段创建云基础架构。为适应多个场景业务，需联系目标网络建设云基础设施。比如，根据核心网特点划分为3个等级，即省级DC、地市核心DC以及城市边缘DC。若5G核心网在省级DC规划控制面，核心网用户面则选择地市核心DC实现规划，而低时延区域不断下沉UPF，在地市边缘DC规划，5G的DC架构见图2。

图2 5G DC架构

3.2.2 钻研核心网虚拟化技术

当前我国的运营商通过传统硬件设计4G商用网络网元，极少应用NFV架构，因此系统分析核心网虚拟化的应用至关重要。此外，5G全面覆盖还要走很长一段路，可借用4G网络，在5G与4G之间交互操作，如此需要联系当前的运营商，采取合理的方式，具体如下。

（1）稳定开展5G业务。目前，5G核心网未达到较高的成熟性，而国内运营的4G网络具备了业务发展的条件。综合各方面情况，建议利用Option2方式部署规划5G。另外，该种方式不影响现网运行，简化了操作过程，联系了5G核心网与4GEPC，但也引发了一系列的问题，如5G不能全覆盖、数据业务频繁切换等。

（2）迅速发展5G业务，把握时机。在5G业务发展初期建议利用Option7/Option4方式，该方式需升级现网，5G核心网络同步发展业务，提高了终端的操作要求，实现了双连接。

4 结 论

第五代通信系统在未来将围绕终端、网络以及无线接入等内容实现创新与发展，并且表现出较大优势。5G网络坚持以人为本的思想，将高速率、高可靠性以及低延时的服务提供给人们，同时5G网络架构非常灵活，具有极强的扩展性，可以按照需求完成组网，对不同行业用户实现覆盖，开展不同类型的业务。另外，当前的通信系统借助5G网络将最大程度降低能耗，达到节能的目标。