基于5G核心网的网络演进及策略

赵伟超，吕 晨，刘军涛

（河南省信息咨询设计研究有限公司，河南 郑州 450000）

1 5G网络的应用场景和能力需求

1.1 5G网络的应用场景

（1）极致的移动宽带。5G网络所应用高频频率均在6 GHz以上，不仅时延更低，而且其速率可以达20 Gbps。因此， 3D视频业务包括AR或者VR等，需要以超高宽带为支撑，而5G网络则可以满足其需求[1]。

（2）大规模物联网。物联网应用具有低带宽、广覆盖的特点，5G网络能够实现海量连接，并且可以借助低频频谱来实现室内或者广域覆盖，这样的应用场景与物联网的应用需求十分契合，如借助5G打造智能家居等。

（3）超可靠通信。低时延以及高可靠性是5G网络的优势，可以满足那些对时延性要求较高的业务，如远程医疗等，也能满足可靠性要求高的业务需求，如自动驾驶、工业远程控制等。

由此可见，相较于4G网络的单一应用场景，5G网络的应用场景更加广泛，这进一步丰富了5G网络的功能，使其不仅仅在通信方面发挥重要作用，而且在物联网通信方面也起到了重要的支撑作用。因此，5G网络的应用场景具有多样化的特征，能够满足不同业务的需求，针对不同的业务需求提供差异化网络服务[2]。

1.2 5G网络的能力要求

在不同的应用场景下，对5G网络的能力要求也不相同，具体而言，5G网络的能力如表1所示。

表1 5G网络能力

2 5G核心网基本架构

2.1 5G网络基本架构

5G打造了全新的网络架构，主要依托软件定义网络以及网络功能虚拟化，相较于传统网络，5G网络更加分散，同时也更具灵活性。正是因为5G网络的这些特点使其能够为提供不同的网络切片，而不同的网络切片则具有不同的功能与网络特性，因此可以更好地满足应用需求。因其具有更大的灵活性，因此可以支持多样化的5G场景。5G结构主要包括接入层面、控制平面以及转发层面三个部分，其中接入层面是指以用户为中心，并且面向多场景的多层异构网络；控制平面则以提供网络控制功能为目的，能够为资源的转发以及资源的接入调度等工作提供有力支持；转发层面的功能主要体现在分布式的数据转发以及数据处理等方面，同时还具备更强的业务链处理能力，能够满足低时延要求相关业务[3]。

2.2 多连接框架

在5G的支持下，终端能够与多个网络同时进行连接，实现了网络与终端之间更加灵活的深度集成，并且可以进一步拓展覆盖范围，提升网络性能。在5G网络中，终端不再孤立于网络之外，而是成为网络的重要组成部分，终端也可以与其他终端进行连接，可以拓展网络覆盖范围[4]。

2.3 5G网络架构与4G网络架构对比分析

4G网络架构核心网集中，接入网扁平，固定的点到点通信是4G网络的主要特征，并且控制面设备单一。而5G网络架构则不同，5G网络在服务化功能设计的支持下，可以结合需求对网络功能进行合理组合，以便满足应用需求。另外，5G网络的用户面更加简化，转发效率更高。5G网络也实现了无线资源的集中控制与协作。在网元功能方面二者也存在较大的差异，详见表2。

表2 5G核心网网元功能与4G核心网网元功能对比

序号 网元名称 中文全称 功能介绍 与4G网元对比6 AUSF 认证服务器功能完成用户接入的身份认证功能MME中的鉴权功能7 UDM 统一数据管理存储、管理签约数据和鉴权数据 HSS、SPR 8 NRF 网络存储功能处理别的NF发来的NF发现请求，维护原有NF的信息 -----

3 5G核心网络的演进方向

3.1 NSA与SA组网架构

同时支持NSA与SA是5G组网的主要特征之一，所谓NSA方式即非独立组网模式，而SA则是指独立组网模式，二者均是支持5G发展的重要组网配置形态。其中，非独立组网模式主要借助传统的4G基础设备进行组网，同时还以4G核心网软件来支持5G网络。这种组网模式充分利用了现有的设备和软件，因此可以保障组网效率，同时也有助于降低组网成本，通过较少的投入，快速实现5G网络应用，提升网络应用效果。在这种组网模式下，5G载波只能承载用户数据，依然需要借助4G网络来传输控制信令。对于独立组网模式而言，则需要对5G网络进行新建，不利用原有的4G基础设备以及相关核心网软件。独立组网模式是完全意义上的新建，因此在独立组网模式下，核心网、基站以及回程链路等均需要新建，因此核心网的转变更加彻底。独立组网模式以虚拟化技术为主要支撑，同时借助切片/子切片管理功能及MANO等，为5G网络赋予定制功能，并且还可以结合网络应用提供隔离网络环境功能。独立组网模式下的5G网络功能更加完善，可以满足不同行业的需求，其应用范围更广[5]。不同的组网架构具有不同的特点，具体表现在以下几个方面。

（1）以4G核心网为基础的非独立组网架构。这种组网架构需要对4G基站进行升级，但是涉及4G核心网升级则相对较少。在这种网络架构模式下，对MEC以及网络切片等均不支持，同时还对基站有较高的要求，需要4G或者5G基站均出自相同的厂家。此外，这种网络架构控制面要锚定于4G基站，这些都是该组网架构的特点。

（2）以5G网络核心网为基础的非独立组网架构。这种组网架构同样需要将控制面锚定于4G基站，但是这种组网架构支持MEC以及网络切片，并且需要对4G基站进行升级。在升级过程中涉及的内容相对比较复杂，需要通过对4G基站的升级使其能够满足5G网络协议栈。此外，这种组网架构在终端连接以及基站厂家要求等方面均与以4G核心网为基础的非独立组网架构中的组网架构相同。

（3）独立组网架构。在这种组网结构下，5G NR直接接入5GC，而且无须在终端进行上连接，支持MEC以及网络切片。另外这种组网架构涉及的4G核心网升级相对较少，并且对基站的厂家要求不严，基站可以出自不同的厂家。

由此不难看出，独立组网架构，即SA组网架构的优势更加显著，因此这种组网架构形式更受国内运营商的青睐，对SA方案的应用也更加广泛。非独立组网模式会涉及较多的网络变动，而独立组网模式则不具备这方面的问题。另外，独立组网方案只需对现网进行较小的改动即可，而非独立组网模式则需要保证基站出自相同的厂家，否则4G/5G则难以进行双向连接。同时非独立组网模式还需要对4G基站进行升级，不仅工作量更大，而且操作难度大。

3.2 核心网演进阶段

鉴于上文分析，运营商更加青睐独立组网模式，会更多地应用SA方案，但是这并不意味着可以完全摒弃非独立组网模式。非独立组网模式能够在5G初期提供有力的支持，确保eMBB类业务的顺利开展，在非独立组网模式的支持下，可以帮助人们快速体验5G业务，这对于抢占市场，提升5G市场份额以及增强竞争力等具有十分重要的意义。因此，有的运营商在先期建网的过程中会选择非独立建网模式。

4 5G核心网建设对策

4.1 建设思路

在5G核心网建设过程中，需要综合考虑5G业务需求情况、5G网络架构以及新技术的发展趋势等，明确建设思路，保证5G核心网建设的顺利开展。以5G业务需求情况为例，在5G核心网建设过程中不仅要考虑政企客户的需求，同时还要充分考虑公众客户的需求，并且要转变以往4G网络单一模型，打造多个业务模型。要认识到技术的发展并不能一蹴而就，而是需要进行不断探索，经历漫长的过程，因此，在5G核心网建设过程中要做好打长久战的思想准备，并对5G核心网建设做出科学规划，明确各阶段的任务指标。由于5G核心网建设周期长，因此会在很长一段时间内存在4G与5G并存的现象，这便需要做好二者的协同。由于5G核心网采用了云化架构，因此资源的共享率更高，可以对资源进行统一编排。但与此同时也会对核心网的规划提出更高的要求，不仅要准确测算网元容量，而且还需要确定对云资源池的需求。

4.2 测算网络容量

针对5G核心网容量的测算，应结合用户需求构建完善的业务模型，并以此为基础对网络容量进行准确计算。针对单网元容量以及各种网元数量的计算相对比较复杂，需要综合考虑核心网网格单网元，网元容灾备份要求以及整体网络容量等测算。网元的相关组件会与相应的虚机相对应，因此在5G核心网建设过程中需要准确测算虚机数量。在测算过程中，要结合虚机配置原则以及单套网元的总量进行计算，并根据虚机数量来计算具体的宽带需求，以及确定资源池的储存能力等。此外，还要对物理机的虚拟化参数进行评估，并以此为依据确定相关硬件配置。

4.3 网络设计的重点与难点

5G核心网建设会面临多方面的挑战，需要不断突破各种重点和难点，如网络容量的测算等，网络容量测算不仅是5G核心网建设的重要环节，而且还会对网络系统的运营效果产生重要影响，因此要保证网络容量测算的精确性。另外，在网络容量设计过程中也会涉及相应的重点和难点问题，如明确用户需求、确定业务模型等。满足用户需求是5G核心网建设的主要目的，由于5G网络用户具有多样性的特点，因此明确用户需求难度较大。5G业务类型多样，也会给确定业务模型带来更大的挑战。在5G核心网建设过程中，需要认清网络设计重点与难点，并借助有效措施突破重点难点，保证网络设计的科学性。

5 结束语

相较于以往的移动网络更新，5G网络实现了重大的突破，同时也给运营商带来了更大机遇和挑战，并且使5G核心网的演进成为必然趋势，通过不断演进来提升5G网络性能，更好地满足用户需求，推动5G的发展。探索5G核心网演进策略，能够为5G的发展提供有力支撑，具有十分重要的意义。■