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如何構(gòu)建高效5G核心網(wǎng)？
發(fā)布時間：2019-10-10 分類：趨勢研究
隨著5G商用的全面開啟，如何構(gòu)建高質(zhì)量、強健的網(wǎng)絡成為業(yè)界關注的焦點，尤其是5G核心網(wǎng)的規(guī)劃和建設策略，更是直接關系到5G網(wǎng)絡的后續(xù)發(fā)展。與此同時，如何促進5G和工業(yè)、交通等行業(yè)融合，“孵化”能夠顛覆傳統(tǒng)生產(chǎn)和生活方式的“殺手級”應用，也成為業(yè)界研究和探索的重點。
5G時代，海量的智能終端將會接入網(wǎng)絡。面對以自動駕駛為代表的超低時延業(yè)務，以智慧城市、智慧家庭為代表的超大連接業(yè)務和以AR/VR為代表的超高帶寬業(yè)務等應用場景，現(xiàn)有核心網(wǎng)已無法滿足未來多場景接入和業(yè)務的多樣性需求。為此， 5GC（5G核心網(wǎng)）系統(tǒng)引入了一系列新技術(shù)，包括NFV、服務化架構(gòu)（SBA）、C/U分離、網(wǎng)絡切片以及MEC等來實現(xiàn)及支撐各種新業(yè)務場景，為未來面向各行各業(yè)的海量應用落地奠定堅實基礎。
5G核心網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)3GPP規(guī)范，5G核心網(wǎng)采用服務化架構(gòu)（SBA）設計，虛擬化方式實現(xiàn)。
5G核心網(wǎng)控制平面功能采用基于服務的設計理念，來描述控制面網(wǎng)絡功能和接口交互，并實現(xiàn)網(wǎng)絡功能的服務注冊、發(fā)現(xiàn)和認證等功能。服務化架構(gòu)下，控制平面的功能既可以是服務的生產(chǎn)者（Producer），也可以是服務的消費者（Consumer），消費者要訪問生產(chǎn)者的服務時，必須使用生產(chǎn)者提供的統(tǒng)一接口來進行訪問。
采取服務化（SBA）設計，可以提高功能的重用性，簡化業(yè)務流程設計，優(yōu)化參數(shù)傳遞效率，提高網(wǎng)絡控制功能的整體靈活性。同一種NF可以被多種NF調(diào)用，從而降低NF之間接口定義的耦合度，最終實現(xiàn)整網(wǎng)功能的按需定制，支持不同的業(yè)務場景和需求。
5G核心網(wǎng)的關鍵特性包括：一、控制面采用服務化架構(gòu)（SBA），接口統(tǒng)一，簡化流程；二、控制和承載完全分離，控制面和用戶面可分別靈活部署與擴容；三、采用虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)軟硬件解耦，計算和存儲資源動態(tài)分配；四、支持網(wǎng)絡切片，靈活快速按需部署網(wǎng)絡；五、支持MEC，有利于低時延、高帶寬等創(chuàng)新型業(yè)務的部署。
5G核心網(wǎng)關鍵技術(shù)
5G核心網(wǎng)擁有五大關鍵技術(shù)，分別是C/U分離、網(wǎng)絡切片、邊緣計算、虛擬化技術(shù)以及語音業(yè)務方案。
C/U分離
現(xiàn)有移動核心網(wǎng)網(wǎng)關設備既包含流量轉(zhuǎn)發(fā)功能，也包括部分控制功能（信令處理和業(yè)務處理），控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能之間是緊耦合關系。5G核心網(wǎng)實現(xiàn)了控制與轉(zhuǎn)發(fā)的徹底分離，網(wǎng)絡向控制功能集中化和轉(zhuǎn)發(fā)功能分布化的趨勢演進，如圖1所示。
控制和轉(zhuǎn)發(fā)功能分離后，控制面采用邏輯集中的方式實現(xiàn)統(tǒng)一的策略控制，保證靈活的移動流量調(diào)度和連接管理，同時減少了北向接口，增強了南向接口可擴展性。轉(zhuǎn)發(fā)面將專注于業(yè)務數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，具有簡單、穩(wěn)定和高性能等特性，便于靈活部署以支持未來高帶寬、低時延業(yè)務場景需求。
網(wǎng)絡切片
5G網(wǎng)絡需同時支持eMBB、uRLLC、mMTC等完全不同的業(yè)務場景，但實際上很難用一張統(tǒng)一的網(wǎng)絡來滿足所有業(yè)務千差萬別的需求。為此，網(wǎng)絡切片的概念應運而生。
網(wǎng)絡切片是5G網(wǎng)絡的重要使能技術(shù)，基于網(wǎng)絡切片方案來滿足不同業(yè)務類型、業(yè)務場景以及垂直行業(yè)的特定需求。網(wǎng)絡切片就是利于虛擬化技術(shù)，在統(tǒng)一的網(wǎng)絡基礎設施上，虛擬出多個不同的邏輯網(wǎng)絡，來分別滿足不同的業(yè)務/用戶需求。網(wǎng)絡可按不同的業(yè)務、客戶群等多種維度來切分。網(wǎng)絡切片是端到端的邏輯子網(wǎng)，涉及核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)、IP承載網(wǎng)和傳送網(wǎng)，需要多領域的協(xié)同配合。不同的網(wǎng)絡切片之間可共享資源也可以相互隔離。3GPP定義的網(wǎng)絡切片管理功能包括通信業(yè)務管理、網(wǎng)絡切片管理、網(wǎng)絡切片子網(wǎng)管理。
邊緣計算
MEC（移動邊緣計算）通過將計算存儲能力與業(yè)務服務能力向網(wǎng)絡邊緣遷移，使應用、服務和內(nèi)容可以實現(xiàn)本地化、近距離、分布式部署，從而在一定程度上解決了eMBB、uRLLC以及mMTC等應用場景的業(yè)務需求。5G將MEC理念和需求融入架構(gòu)設計中，從網(wǎng)絡層面支持MEC（業(yè)務層面在ETSI定義）。
流量識別和本地分流：5GC識別本地流量和業(yè)務，選擇UPF并將用戶流量路由到本地數(shù)據(jù)網(wǎng)的App。
會話和業(yè)務連續(xù)性：在用戶或AF發(fā)生移動或遷移時保持業(yè)務和會話的連續(xù)性。
用戶面選擇和重選：根據(jù)AF的要求或其他策略實施用戶面的選擇或重選。
網(wǎng)絡能力開放：5GC和AF通過NEF進行交互實現(xiàn)對網(wǎng)絡功能的調(diào)用。
QoS和計費：PCF為本地流量提供QoS控制和計費規(guī)則。
MEC使得運營商和第三方業(yè)務可以部署在靠近用戶接入的位置，通過降低時延和負荷來實現(xiàn)高效的業(yè)務分發(fā)，節(jié)省傳輸帶寬，降低運營成本，改善用戶體驗，加速創(chuàng)新型業(yè)務的開發(fā)和部署。
虛擬化技術(shù)
5GC虛擬化方式主要包括虛機、虛機容器以及裸容器。
虛機方式標準及應用更成熟、隔離性好、更安全，但是啟動慢（分鐘級）、性能低下、鏡像尺寸較大。
容器技術(shù)資源利用率高、啟動快（秒級）、彈性擴縮容快（秒級），但是隔離性弱、安全風險大，且生態(tài)系統(tǒng)不成熟、標準化進度慢，目前在電信領域應用并不成熟。
虛機容器方式介于兩者之間，實現(xiàn)難度小，但需要對MANO進行改造以支持容器技術(shù)。
雖然5G核心網(wǎng)是原生云、微服務架構(gòu)，采用容器技術(shù)來部署核心網(wǎng)具有更大的靈活性、更高的效率、更低的成本。但是為降低開通和解耦難度，建議5G建設初期采用虛機或虛機容器方式，積累虛擬化經(jīng)驗。
語音業(yè)務方案
5G網(wǎng)絡建設初期，迅速實現(xiàn)全網(wǎng)覆蓋難度較大，為避免頻繁切換，保持語音連續(xù)性，5G初期建議使用EPS Fallback方案回落到4G，提供VoLTE語音業(yè)務。后期當5G網(wǎng)絡覆蓋性能全面提升時，逐步演進到VoNR。
EPS Fallback方案由于需回落4G，其呼叫建立時延比VoLTE更長。VoNR方案適用于5G信號連續(xù)覆蓋場景，其呼叫建立時延比VoLTE更短，QoS保障也優(yōu)于VoLTE。
5G核心網(wǎng)建設策略
建設思路
5GC網(wǎng)絡建設應關注以下幾方面：
一、4G與5G網(wǎng)絡將長期并存、有效協(xié)同。考慮到與EPC網(wǎng)絡的互操作，5GC部分網(wǎng)元需要與EPC網(wǎng)元合設。
二、5GC采用全新SBA架構(gòu)，網(wǎng)元及接口數(shù)量顯著增加、標準成熟時間也不一致。為此，5GC網(wǎng)元需要基于業(yè)務需求、規(guī)范及設備的成熟度分階段部署。
三、5GC原生支持NFV，因此5GC網(wǎng)絡應采用云化方式部署，實現(xiàn)資源的統(tǒng)一編排、靈活共享。
四、5G核心網(wǎng)實現(xiàn)了徹底的C/U分離，控制面、用戶面網(wǎng)元按需獨立建設。
五、5G網(wǎng)絡建設初期，采用EPS Fallback方式回落4G網(wǎng)絡，提供VoLTE語音業(yè)務。
組網(wǎng)方式
對于5GC組網(wǎng)，可以采用大區(qū)集中與分省部署兩種方式。
第一，大區(qū)集中式組網(wǎng)。5GC控制面網(wǎng)元（包括SMF、NRF、PCF、UDM、AUSF、NSSF等）主要集中部署在大區(qū)DC中心，負責多個省的5G業(yè)務，省層面部署5GC控制面網(wǎng)元AMF。用戶面網(wǎng)元UPF基于業(yè)務應用場景，部署在大區(qū)、省、地市和區(qū)縣層面（見圖2）。
大區(qū)集中組網(wǎng)架構(gòu)可以實現(xiàn)集約化運維管理，資源利用率高，但與現(xiàn)網(wǎng)組網(wǎng)方式差異較大，導致方案比較復雜，同時對容災要求也高。
第二，分省組網(wǎng)。集團層面只部署業(yè)務、信令路由/尋址網(wǎng)元（骨干NRF和骨干NSSF等），5GC控制面網(wǎng)元部署在各省DC中心。用戶面網(wǎng)元UPF基于業(yè)務應用場景，部署在省、地市和區(qū)縣層面。
分省組網(wǎng)架構(gòu)可以沿用現(xiàn)有運維管理模式及經(jīng)驗，各省可靈活開展業(yè)務，但資源利用率相對較低。
網(wǎng)元部署
（1）分層部署
5GC控制面網(wǎng)元的部署遵循虛擬化、大容量、少局所、集中化原則，應至少設置在兩個異局址機房，進行地理容災。用戶面網(wǎng)元按業(yè)務需求進行分層部署，比如：設置在省層面，滿足VoLTE等業(yè)務需求；設置在本地網(wǎng)層面，滿足互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務需求；設置在邊緣，滿足MEC業(yè)務高帶寬、低時延需求。
（2）4G/5G協(xié)同
5GC部分網(wǎng)元需具備4G網(wǎng)元功能以實現(xiàn)與4G網(wǎng)絡的互操作，包括UDM具備HSS功能、SMF具備PGW-C功能、UPF具備PGW-U功能等。另外，SMF/PGW-C可具備SGW-C功能，UPF/PGW-U可具備SGW-U功能，以避免數(shù)據(jù)路由的迂回。
（3）分階段引入
由于5GC各網(wǎng)元標準成熟時間不一致，因此需要基于業(yè)務需求、標準規(guī)范及設備的成熟度分階段部署。初期網(wǎng)絡建設僅部署5GC商用必需的網(wǎng)元，包括控制面網(wǎng)元AMF、SMF、NRF、PCF、NSSF、UDM、AUSF、BSF等，用戶面網(wǎng)元UPF。
在5G網(wǎng)絡建設中后期，結(jié)合業(yè)務需求、標準進展及設備成熟度適時引入其他5GC網(wǎng)元，主要包括NEF（提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡能力開放）、UDSF（非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲功能）、SEPP（用于5G用戶國際漫游，與他網(wǎng)運營商5G互通）、SMSF（用于為5G單模終端-物聯(lián)網(wǎng)終端提供NAS短信服務）、N3IWF（非3GPP接入的互操作網(wǎng)關）、NWDAF（網(wǎng)絡大數(shù)據(jù)分析功能）等網(wǎng)元。
（4）容災備份
5GC網(wǎng)絡采用三級容災備份機制：VNF組件備份（類似傳統(tǒng)設備的板卡備份）、網(wǎng)元備份、資源池備份。通過三級容災備份機制提高5GC網(wǎng)絡整體可靠性。
5GC各網(wǎng)元備份方式包括：AMF、SMF/GW-C、UPF/GW-U采用Pool備份；UDM/AUSF/HSS-FE、PCF采用N 1備份；UDR、NRF、BSF、NSSF采用1 1備份。
同時，5GC網(wǎng)絡設備部署在核心節(jié)點城市的兩個及以上DC機樓，實現(xiàn)了地理容災。
資源池建設方案
不同于2G、3G、4G移動核心網(wǎng)，5GC原生支持NFV技術(shù)，5GC網(wǎng)絡NFVI資源池建設應考慮以下方面。
首先，NFVI資源池的選擇。5G核心網(wǎng)控制面網(wǎng)元應部署在核心云NFVI。核心云通常覆蓋大區(qū)、省級機房和部分城域網(wǎng)核心機房。5GC用戶面網(wǎng)元UPF結(jié)合應用場景部署在核心云或邊緣云。邊緣云覆蓋地市、區(qū)縣等機房。
對于邊緣云承載5GC網(wǎng)元UPF，在某些場景下會受限于機房環(huán)境，對NFVI硬件設備數(shù)量、重量和功耗方面有精簡需求，為此在保證可靠性的前提下，可采用定制化的硬件設備。
其次，NFVI資源池內(nèi)部組網(wǎng)。資源池內(nèi)部組網(wǎng)采用Leaf-Spine架構(gòu)，從設備、端口到鏈路進行冗余設計。
匯聚交換機EOR負責NFVI資源池內(nèi)跨機柜流量的互通，以及資源池同外部網(wǎng)絡的連接。EOR間采用堆疊技術(shù)提高鏈路冗余。接入交換機TOR負責匯聚機柜內(nèi)服務器和存儲設備的流量。TOR間采用堆疊技術(shù)。堆疊端口配置鏈路聚合，保證流量的負載均衡。
服務器和存儲設備端口應配置聚合，通過雙上聯(lián)冗余設計連接到不同TOR，支持負載分擔或主備模式，避免網(wǎng)口的單點故障。
根據(jù)流量功能和作用的不同，NFVI內(nèi)部網(wǎng)絡可分為四類平面：一、業(yè)務網(wǎng)絡平面：承載5G網(wǎng)元的業(yè)務流量；二、存儲網(wǎng)絡平面：用于NFVI內(nèi)存儲數(shù)據(jù)的互聯(lián)；三、VIM管理平面：承載VIM各組件間的API交互流量、以及相關控制信息；四、OAM平面：主要包括PXE、OAM硬件管理等用途。PXE網(wǎng)絡用于操作系統(tǒng)的遠程安裝、引導及升級。OAM網(wǎng)絡主要用于承載遠程監(jiān)控NFVI的網(wǎng)管流量。
周邊網(wǎng)絡或系統(tǒng)建設
引入5G網(wǎng)絡，會對周邊網(wǎng)絡及系統(tǒng)帶來建設改造需求，具體體現(xiàn)在兩個方面。
第一，對相關網(wǎng)絡的能力需求：4G與5G網(wǎng)絡互操作需要對現(xiàn)網(wǎng)EPC網(wǎng)絡進行能力升級。5G用戶的語音業(yè)務需要對現(xiàn)網(wǎng)VoLTE IMS網(wǎng)絡進行能力升級以支持EPS Fallback方案。如果采用HTTP Proxy組網(wǎng)，可能會涉及對現(xiàn)網(wǎng)DRA信令網(wǎng)進行能力升級。
第二，對支撐系統(tǒng)的能力需求：部署MANO，包括VIM、VNFM及NFVO的建設，VNFM部署通常采用與5GC網(wǎng)元同一設備廠家。EMS是VNF業(yè)務網(wǎng)絡管理系統(tǒng)，網(wǎng)管EMS應按北向接口接入上級綜合網(wǎng)管系統(tǒng)。同時，需對現(xiàn)有計費系統(tǒng)及業(yè)務開通系統(tǒng)進行升級改造，以支撐4G用戶向5G網(wǎng)絡遷移。此外，需評估分析5G對現(xiàn)有其他支撐系統(tǒng)（如綜合網(wǎng)管、信令監(jiān)測系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等）的影響，制定合理的系統(tǒng)升級改造方案。
