中國通信建設(shè)集團設(shè)計院有限公司第四分公司 張亞飛

中國電子科技集團公司第二十七研究所 閻 東

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的到來，5G網(wǎng)絡(luò)相關(guān)標準的不斷完善和5G商用網(wǎng)絡(luò)逐漸成熟部署，使得移動核心網(wǎng)無論從架構(gòu)、網(wǎng)元、平臺和功能上都需要進行深度重構(gòu)，因此5G核心網(wǎng)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)能力成為研究的熱點。本文主要概括總結(jié)5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)業(yè)務(wù)能力，可以為運營商移動核心網(wǎng)絡(luò)向5G演進部署方案的學(xué)習(xí)提供參考。

1 引言

第三代合作伙伴計劃（3GPP）技術(shù)規(guī)范組自2016年開始加速5G標準R15、R16的研究進展，滿足5G各垂直行業(yè)和切片應(yīng)用完全標準化的R16預(yù)計在2019年底完成；國際電信聯(lián)盟（ITU）于2016年2月啟動了5G技術(shù)評估工作，5G標準化工作將于2020年完成；由我國工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合推動成立的IMT-2020(5G) 推進組目前已經(jīng)發(fā)布了多份白皮書，并大力開展5G相關(guān)技術(shù)和服務(wù)功能的研發(fā)。核心網(wǎng)在演進過程中，依托與NFV基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合，可提供網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算等新型業(yè)務(wù)功能，同時5G核心網(wǎng)基于云化平臺設(shè)計思路和服務(wù)化架構(gòu)將提供更廣泛的接入、更靈活的功能和更友好開放的業(yè)務(wù)提供能力。

2 關(guān)鍵技術(shù)及業(yè)務(wù)能力

2.1 服務(wù)化架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)借鑒了目前在IT、CT領(lǐng)域內(nèi)比較成熟的SQA、微服務(wù)架構(gòu)的相關(guān)思路，結(jié)合運營商網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有狀況和以后發(fā)展的趨勢，形成了以服務(wù)為中心的新型核心網(wǎng)架構(gòu)，即服務(wù)化架構(gòu)（Service Based Architecture，SBA）。這種架構(gòu)使得傳統(tǒng)核心網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐攒浖?wù)為目標的，更加開放、靈活和智能的體系。

（1）傳統(tǒng)核心網(wǎng)網(wǎng)元功能被逐漸分解

原有4G核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)屬于硬性或者剛性網(wǎng)絡(luò)，無論是在互聯(lián)、功能和信令間的通信上都很難靈活調(diào)整。隨著軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking, SDN）技術(shù)在運營商網(wǎng)絡(luò)中日益應(yīng)用，原有4G EPC的網(wǎng)元功能將逐步分解為靈活的網(wǎng)絡(luò)功能（Network Function, NF），而這些網(wǎng)絡(luò)功能也可由更為靈活的、可以基于標準API調(diào)用的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)（NF Service）組合實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)本身可以獨立擴展和升級，并通過接口自由的與其他網(wǎng)絡(luò)功能進行信息交互。這樣原有剛性網(wǎng)絡(luò)將逐漸演變成“柔性網(wǎng)絡(luò)”，變得更加靈活、智能和開放，也就更加適應(yīng)不同場景下對于不同網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求。

（2）網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)的有效管理

隨著剛性網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元功能被網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)取代后，越來越靈活解耦的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)迫切需要進行統(tǒng)一的管理。因此網(wǎng)絡(luò)功能存儲庫（NF Repository Function，NRF）模塊應(yīng)需而生，它統(tǒng)一管理網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)并實現(xiàn)NF Service的注冊登記、升級/更新、狀態(tài)監(jiān)控等功能，并且使得管理過程、發(fā)現(xiàn)過程、選擇過程、調(diào)用過程、認證授權(quán)過程等全部自動化進行。這樣5G核心網(wǎng)功能就實現(xiàn)了即插即用、管理有效。

（3）網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)協(xié)議及接口

在原有移動核心網(wǎng)架構(gòu)中，網(wǎng)元之間的通信是專門的通信協(xié)議和固定的通信鏈路支撐。如2/3G 時代，在傳輸層和應(yīng)用層分別是SCTP協(xié)議、GTPv1和SS7協(xié)議；在4G EPC架構(gòu)中傳輸層和應(yīng)用層分別由SCTP協(xié)議、GTPv2和Diameter協(xié)議支撐。而5G核心網(wǎng)由于SBA架構(gòu)的革新，在借鑒互聯(lián)網(wǎng)和云計算相關(guān)業(yè)務(wù)靈活高效的基礎(chǔ)上，5G核心網(wǎng)需要由剛性協(xié)議轉(zhuǎn)變?yōu)楦屿`活的新的協(xié)議和接口來支撐。目前5G核心網(wǎng)協(xié)議體系由TCP、HTTP/2、JSON、OperaAP等協(xié)議組成，這些協(xié)議在IT和互聯(lián)網(wǎng)中使用非常廣泛，它使得網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)可以快速實現(xiàn)，并且可以方便的將REST API接口提供給運營商和其他第三方使用。

（4）架構(gòu)的持續(xù)演進

目前核心網(wǎng)的服務(wù)化架構(gòu)SBA的提出和標準的制定，使得移動核心網(wǎng)加快向5GCloud Native架構(gòu)演進，在演進過程中需要注意以下幾點：

1）構(gòu)建合理的架構(gòu)模型，全面提升服務(wù)理念：遴選出更加合理的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)的顆粒度，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)可以更加快速和獨立的實施，提升各種服務(wù)的組合能力以實現(xiàn)新的功能；

2）提升服務(wù)化架構(gòu)的管理能力：不斷提升網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)的發(fā)現(xiàn)、選擇、注冊、授權(quán)、尋址、交互通信水平和能力，實現(xiàn)增強自動化的配置、管理、監(jiān)控等功能。

2.2 網(wǎng)關(guān)控制轉(zhuǎn)發(fā)分離

在4G EPC網(wǎng)絡(luò)中，雖然核心網(wǎng)網(wǎng)元設(shè)備在功能上實現(xiàn)了控制和轉(zhuǎn)發(fā)，但是網(wǎng)元設(shè)備本身屬于專有設(shè)備，在控制和轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)上既缺乏靈活性，同時信令交互及管理較為困難。在5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系下，基于SDN和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）思想，將在網(wǎng)關(guān)控制處引入更為靈活的控制轉(zhuǎn)發(fā)（C/U）分離，與現(xiàn)網(wǎng)混合組網(wǎng)，最終形成控制面融合云化、用戶面云化的5G核心網(wǎng)架構(gòu)。在運營商傳統(tǒng)的2/3/4G核心網(wǎng)中，由于核心網(wǎng)網(wǎng)元及功能模塊是集中放置，所以在網(wǎng)絡(luò)層級上地理位置較高，使得傳統(tǒng)核心網(wǎng)對于低延遲業(yè)務(wù)支持能力較弱，并且信令交互復(fù)雜。而在5G核心網(wǎng)中區(qū)域DC、本地DC、邊緣DC/MEC的分層可以針對不同應(yīng)用場景提供不同層級服務(wù)，重要的是C/U分離可以實現(xiàn)用戶面分布式部署，尤其是針對MEC的網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以采用分布式部署，它使得核心網(wǎng)用戶面將更靠近用戶，并且可以按需靈活部署，支持更多的高可靠性、低時延服務(wù)業(yè)務(wù)（自動駕駛、工業(yè)控制等）。

2.3 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

SDN/NFV是5G核心網(wǎng)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從來都是運營商網(wǎng)絡(luò)中最復(fù)雜的環(huán)節(jié)，主要體現(xiàn)在網(wǎng)元種類繁多、專用設(shè)備軟硬件難以解耦和實現(xiàn)資源共享。隨著NFV技術(shù)的引入，原有剛性的核心網(wǎng)網(wǎng)元結(jié)構(gòu)將會被網(wǎng)絡(luò)虛擬化系統(tǒng)架構(gòu)下的跨功能統(tǒng)一資源管理架構(gòu)取代，它包括硬件資源層、虛擬資源層和虛擬網(wǎng)絡(luò)功能層。硬件資源層主要包括硬件基礎(chǔ)設(shè)施，它可由多個廠家通用硬件設(shè)備構(gòu)建，并且可以靈活采購分地域多DC部署。虛擬資源層是在硬件資源層基礎(chǔ)上構(gòu)建的成熟、開放、兼容的CloudOS平臺，它是NFV三層解耦的核心因素，可以實現(xiàn)資源統(tǒng)一分配、向上保證支撐多租戶、向下保證硬件無關(guān)性。虛擬網(wǎng)絡(luò)功能層除了可以提供核心網(wǎng)的vIMS和vEPC功能平臺外，還可以支撐第三方的APP系統(tǒng)，它不但具備高效彈性、業(yè)務(wù)無狀態(tài)的特點，而且可以跨區(qū)域CD部署，其靈活性、可靠性和業(yè)務(wù)實現(xiàn)速度比傳統(tǒng)核心網(wǎng)得到大幅度提升。因此隨著SDN/NFV技術(shù)的引入，5G核心網(wǎng)體系架構(gòu)將會更好的協(xié)調(diào)和敏捷，并具備高可靠性和高資源利用率的特點。

2.4 按需組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)切片

在4G網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)智能化能力相對較弱，難以適應(yīng)更多樣的需求和業(yè)務(wù)服務(wù)場景。因此運營商在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中需要具備為不同垂直行業(yè)提供端到端、具備特定網(wǎng)絡(luò)性能和功能服務(wù)的專用網(wǎng)絡(luò)，因此按需組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)切片的功能要求應(yīng)運而生。傳統(tǒng)運營商核心網(wǎng)絡(luò)基于專有的硬件，在實現(xiàn)按需組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)切片非常困難，因此在向5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)演進過程中，建設(shè)基于SDN/NFV技術(shù)的應(yīng)用和通用基礎(chǔ)設(shè)施平臺尤為關(guān)鍵。在核心網(wǎng)通用基礎(chǔ)平臺上可以將原有核心網(wǎng)的各種功能和應(yīng)用進行切片和隔離，并可為用戶提供定制化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實現(xiàn)端到端網(wǎng)絡(luò)切片的智能終端接入控制、切片選擇和切片的協(xié)同管理。

2.5 移動邊緣計算

移動邊緣計算(Mobile Edge Computing, MEC)本質(zhì)上是屬于分布式計算的應(yīng)用，它可以在移動網(wǎng)絡(luò)邊緣處的智能網(wǎng)關(guān)位置推送計算和內(nèi)容服務(wù)給用戶，因此距離用戶更近，所以可以滿足較低的網(wǎng)絡(luò)實驗和更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬。移動邊緣計算是移動核心網(wǎng)的重要組成部分，它由一系列的智能設(shè)備組成（智能網(wǎng)關(guān)、智能終端、智能服務(wù)等），它是移動核心網(wǎng)提供給用戶靈活業(yè)務(wù)的直接通道，具備較高的用戶體驗。實際上移動邊緣計算是云計算在遠端具體形態(tài)的一種體現(xiàn)，二者是互補的關(guān)系，協(xié)同將不同用戶的各種服務(wù)分別從中心端和遠端提供給用戶。

3 結(jié)束語

綜上所述，電信運營商移動網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)在向5G架構(gòu)演進過程中，新技術(shù)和新業(yè)務(wù)功能不斷更新和應(yīng)用是一個較長的過程，并且在這個過程中，隨著相關(guān)標準和規(guī)范的完善，5G移動核心網(wǎng)的部署策略也會不斷調(diào)整優(yōu)化，這些都將成為以后研究的重點和難點。