張宏宇
(上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司,上海 200092)
5G核心網(wǎng)的創(chuàng)新驅(qū)動力源于5G業(yè)務(wù)場景需求和新型ICT使能技術(shù),旨在構(gòu)建高性能、靈活可配的廣域網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,全面提升面向未來的網(wǎng)絡(luò)運營能力。5G時代要求未來能形成虛擬化、分層化的核心網(wǎng)絡(luò),以及資源開放、適宜開發(fā)新業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),從而能夠提供從網(wǎng)絡(luò)運營到業(yè)務(wù)服務(wù)的經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的模式。隨著5G標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié),商用部署提上議程,5G需求中所描繪的未來美好的全社會信息化生活正在從暢想變得觸手可及。作為連接萬物,賦能業(yè)務(wù)的社會化信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要環(huán)節(jié),移動核心網(wǎng)在5G階段實現(xiàn)架構(gòu)、功能和平臺的全面重構(gòu)。相比于傳統(tǒng)4G核心網(wǎng)(EPC),5G核心網(wǎng)采用原生適配云平臺的設(shè)計思路、基于服務(wù)的架構(gòu)和功能設(shè)計提供更泛在的接入,更靈活的控制和轉(zhuǎn)發(fā)以及更友好的能力開放[1]。
5G核心網(wǎng)采用控制轉(zhuǎn)發(fā)分離架構(gòu),同時實現(xiàn)移動性管理和會話管理的獨立進(jìn)行,用戶面上去除承載概念,QoS參數(shù)直接作用于會話中的不同流。通過不同的用戶面網(wǎng)元可同時建立多個不同的會話并由多個控制面網(wǎng)元同時管理,實現(xiàn)本地分流和遠(yuǎn)端流量的并行操作,5G的核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為兩種架構(gòu)呈現(xiàn),即參考點方式呈現(xiàn)和服務(wù)化架構(gòu)方式呈現(xiàn),如圖1所示。
圖1 5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
服務(wù)化架構(gòu)是在控制面采用API能力開放形式進(jìn)行信令的傳輸,在傳統(tǒng)的信令流程中,很多的消息在不同的流程中都會出現(xiàn),將相同或相似的消息提取出來以API能力調(diào)用的形式封裝起來,供其它網(wǎng)元進(jìn)行訪問,服務(wù)化架構(gòu)將摒棄隧道建立的模式,傾向于采用HTTP協(xié)議完成信令交互[2]。
5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)借鑒IT系統(tǒng)服務(wù)化和微服務(wù)化架構(gòu)的成功經(jīng)驗,通過模塊化實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能間的解耦和整合,解耦后的網(wǎng)絡(luò)功能可獨立擴(kuò)容、獨立演進(jìn)、按需部署;控制面所有NF之間的交互采用服務(wù)化接口,同一種服務(wù)可以被多種NF調(diào)用,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,靈活支持不同的業(yè)務(wù)場景和需求。
5G核心網(wǎng)絡(luò)定義了兩種狀態(tài)模型,即注冊管理模型和連接管理模型。
(1)注冊管理模型
5G核心網(wǎng)定義以下兩種注冊管理狀態(tài),用于反 映 UE(User Equipment) 與 AMF(Access and Mobile Management Function,接入和移動管理功能)間的注冊狀態(tài),UE的不同接入(如3GPP和N3G)有不同的注冊管理上下文。AMF給UE分配的RM上下文包括:一個在3GPP和非3GPP之間共用的臨時身份標(biāo)識,該臨時身份標(biāo)識全球唯一;每種接入類型(3GPP/Non-3GPP)有各自的注冊狀態(tài);每種接入類型的注冊區(qū)域(RA);3GPP接入類型的周期性注冊計時器,非3GPP不需要周期性注冊;Non-3GPP的隱式去注冊定時器。此外3GPP和非3GPP的注冊區(qū)域是獨立的,在同一PLMN或者equivalent PLMN中后續(xù)注冊的接入側(cè)繼續(xù)使用前一接入側(cè)使用的臨時標(biāo)識,UE可以通過3GPP側(cè)觸發(fā)處在IDLE態(tài)的非3GPP側(cè)的去注冊[3]。
注冊管理狀態(tài)如圖2所示。
圖2 注冊管理狀態(tài)圖(UE&網(wǎng)絡(luò)側(cè))
(2)連接管理模型
5G核心網(wǎng)定義以下兩種連接管理狀態(tài),用于在UE和AMF間通過N1接口實現(xiàn)信令連接的建立與釋放。
空閑態(tài):UE與AMF間不存在N1接口的NAS信令連接,不存在UE N2和N3連接。UE可執(zhí)行小區(qū)選擇、小區(qū)重選和PLMN選擇??臻e態(tài)AMF應(yīng)能對非MO-only模式的UE發(fā)起尋呼,執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的業(yè)務(wù)請求過程。
連接態(tài):UE所屬的AN和AMF間的N2連接建立后,網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入連接態(tài)
連接管理狀態(tài)如圖3所示。
圖3 5G核心網(wǎng)連接管理狀態(tài)
5G QoS參數(shù)分為A-Type和B-Type兩種。A-type為預(yù)設(shè)值,B-Type是實時下發(fā)的,其可選功能和Reflective QoS由核心網(wǎng)決定是否激活,由UE產(chǎn)生,可通過用戶面和信令面?zhèn)鹘oUE,用戶面有SMF發(fā)給UPF(User Plane Function,用戶平面功能),UPF在N3接口消息中加入RQI(QoSIndicator),然后發(fā)給RAN,再發(fā)給UE,信令面為SMF(Session Management Function,會話管理功能)通過N1信令直接發(fā)給UE,UE收到后生成衍生的QoS規(guī)則,并把上行數(shù)據(jù)和QoS流進(jìn)行映射,對上行流也進(jìn)行QoS處理。衍生規(guī)則包括Packet filter、QFI、優(yōu)先值。
5G核心網(wǎng)的QoS是基于QoS流的框架,QoS Flow是5G核心網(wǎng)QoS控制的最小粒度。5G系統(tǒng)中采用QoS Flow ID(QFI)來標(biāo)識QoS流。一個PDU會話中QFI保持唯一,具有相同QFI的用戶面業(yè)務(wù)流獲得相同的轉(zhuǎn)發(fā)處理方式。QFI封裝在N3接口報頭內(nèi),可以被用于不同類型的凈荷,如IP數(shù)據(jù)包、非IP數(shù)據(jù)包和以太網(wǎng)幀。RAN可以根據(jù)策略,讓多個Qos Flow共用1個DRB,比如GBR Qos Flow使用一個DRB,Non-GBR Qos Flow使用一個DRB[4]。5G核心網(wǎng)的Qos機(jī)制原理圖如圖4所示。
5G核心網(wǎng)的Reflective Qos機(jī)制是指UE側(cè)根據(jù)下行數(shù)據(jù)包推演出上行數(shù)據(jù)的QoS規(guī)則,無需SMF通過NAS提供上行QoS規(guī)則。5G核心網(wǎng)的Reflective Qos機(jī)制主要體現(xiàn)在控制機(jī)制和退出機(jī)制兩個方面。
圖4 5G核心網(wǎng)的Qos機(jī)制原理圖
(1)控制機(jī)制
控制機(jī)制分為控制面和用戶面,在控制面當(dāng)SMF確定激活Reflective QoS機(jī)制時,SMF(Session Management Function,會話管理功能)發(fā)送包含RQI的SDF QoS控制信息給UPF,并發(fā)送包含RQA的QoS profile給AN。在用戶面當(dāng)UPF接收SDF對應(yīng)的數(shù)據(jù)包,在數(shù)據(jù)包的隧道中包含RQI;AN根據(jù)數(shù)據(jù)的RQI設(shè)置空口數(shù)據(jù)包頭包含RQI;UE接收到包含RQI的數(shù)據(jù),確定本地?zé)o對應(yīng)數(shù)據(jù)的上行QoS規(guī)則,則生成一個UE derived的QoS規(guī)則,并啟動一個定時器。確定本地有對應(yīng)數(shù)據(jù)的上行QoS規(guī)則,則重啟定時器。定時器超期時,刪除UE derived的QoS規(guī)則。如果本地有對應(yīng)數(shù)據(jù)的上行Qos規(guī)則但下行數(shù)據(jù)的QFI不同,UE則更新Qos規(guī)則對應(yīng)的QFI。
(2)退出機(jī)制
退出機(jī)制分為控制面和用戶面,在控制面,當(dāng)5GC決定不再對某SDF使用Reflective Qos時,SMF通過N4接口移除提供給UPF的相應(yīng)SDF的RQI。在用戶面當(dāng)UPF接收到此SDF的指令時,UPF不再在N3參考點的報文頭中設(shè)置RQI。UPF將在一定時間內(nèi)(運營商可配)在最初授權(quán)的QoS Flow上繼續(xù)接收該SDF的UL業(yè)務(wù)。
網(wǎng)絡(luò)切片將一個物理網(wǎng)絡(luò)分成多個虛擬的邏輯網(wǎng)絡(luò),每一個虛擬網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)不同的應(yīng)用場景。網(wǎng)絡(luò)切片可以按需網(wǎng)絡(luò)定制,在通用的物理基礎(chǔ)設(shè)施上(可包含外部用戶)提供具有不同特性和彈性能力的定制化網(wǎng)絡(luò)。
網(wǎng)絡(luò)切片分為公共部分和獨立部分。公共部分是可以共用的功能,一般包括簽約信息、鑒權(quán)、策略等相關(guān)功能模塊。獨立部分是每個切片按需定制的功能,一般包括會話管理、移動性管理等相關(guān)功能模塊。
為了能夠正確的選擇網(wǎng)絡(luò)切片,3GPP協(xié)議中引入了S-NSSAI(Single Network Slice Selection Assistance Information,單一網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息)標(biāo)識,S-NSSAI包括:切片業(yè)務(wù)類型(SST Slice Business Type),指示所需切片的業(yè)務(wù)特性與業(yè)務(wù)行為。切片租戶標(biāo)識(SD),在切片業(yè)務(wù)類型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步區(qū)分接入切片的補充信息UE可提供網(wǎng)絡(luò)切片選擇的信息,以網(wǎng)絡(luò)側(cè)的決定為準(zhǔn)。
不同的網(wǎng)絡(luò)切片中,可以根據(jù)不同的應(yīng)用類型,靈活、動態(tài)的定義與之相匹配的網(wǎng)絡(luò)能力。這樣不僅可以提升應(yīng)用的體驗,適配應(yīng)用的快速創(chuàng)新,也可以通過減少不必要的能力降低網(wǎng)絡(luò)的成本和復(fù)雜度。網(wǎng)絡(luò)隔離和SLA保障,通過資源隔離生成網(wǎng)絡(luò)切片以向租戶提供SLA保障的專有網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)新商業(yè)模式的關(guān)鍵因素。切片是端到端網(wǎng)絡(luò),包括RAN(Radio Access Network,無線接入網(wǎng)),傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng),需要跨域的切片管理系統(tǒng)。切片需要實現(xiàn)資源隔離,安全隔離和OAM隔離,不同域可以采用不同的技術(shù),如CN采用虛擬化技術(shù),此外切片是可以定制的,目前R15只定義了eMBB(Enhanced Mobile Broadband,移動增強(qiáng)帶寬)。網(wǎng)絡(luò)切片有利于運營商按垂直行業(yè)的需求對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定制,從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。
5G支持端到端網(wǎng)絡(luò)切片包括無線接入網(wǎng)絡(luò),核心網(wǎng)控制面,核心網(wǎng)用戶面,不同網(wǎng)絡(luò)切片的網(wǎng)絡(luò)功能可共享,典型的共享包括:基站共享(Slice A&B&C);控制面功能共享,如AMF共享(Slice A&B);核心網(wǎng)用戶面功能不共享。UE可同時接入共享AMF的多個網(wǎng)絡(luò)切片(Slice A&B),例如UE最多可同時接入8個切片,目前只定義了三種類型的網(wǎng)絡(luò)切片即eMBB,uRLLC,mIoT
5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)圖如圖5所示。
圖5 5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)圖
切片功能相當(dāng)于VPN(Virtual Private Network,虛擬專用網(wǎng)絡(luò)),但是比VPN靈活,例如VPN不管怎么設(shè)置,還是需要滿足一整套的Internet協(xié)議,而切片可以只包括部分Internet協(xié)議,不用的可以不要,需求可以定制,可以共享[5]。
邊緣計算,也稱Edge Computing(EC),邊緣計算技術(shù)使得運營商和第三方業(yè)務(wù)能夠部署在靠近UE附著的接入點,因而能降低端到端時延和傳輸網(wǎng)的負(fù)載,實現(xiàn)高效的業(yè)務(wù)交付。5G核心網(wǎng)支持邊緣計算的能力包括:本地路由即5G核心網(wǎng)選擇UPF引導(dǎo)用戶流量到本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò);流量加速即5G核心網(wǎng)選擇需引導(dǎo)至本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用功能的業(yè)務(wù)流量;支持會話和業(yè)務(wù)連續(xù)性,支持QoS與計費;EC服務(wù)兼容移動性限制要求;用戶面選擇和重選,如基于來自應(yīng)用功能的輸入。
5G引入MEC一方面可以降低E2E時延,提升用戶體驗,另一方面通過本地泄流,可以減小回傳網(wǎng)絡(luò)開銷,降低網(wǎng)絡(luò)成本。MEC將移動網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行深度融合,開啟了業(yè)務(wù)重回網(wǎng)絡(luò)的契機(jī),對運營商和設(shè)備商都有重要的戰(zhàn)略意義。
MEC的引入對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在用戶面,包括業(yè)務(wù)的分流、連續(xù)性的保障、UPF的選擇和重選,此外對能力開放、QoS和計費等也有影響。
除此之外SMF可以控制PDU會話的數(shù)據(jù)路徑,使得PDU會話可以同時對應(yīng)于多個N6接口。同一個PDU會話的不同UPF提供對同一DN的訪問。在PDU會話建立中分配的UPF與PDU會話的SSC模式相關(guān)聯(lián),并且在同一PDU會話中分配的附加UPF(例如,用于選擇性地向DN路由)獨立于PDU會話的SSC模式。選擇性DN業(yè)務(wù)路由支持將一些選定的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)到某個與UE更近的DN的N6接口。
基于EPC里的網(wǎng)絡(luò)能力開放層SCEF的設(shè)計理念,結(jié)合5G需求和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特點,提出了5G網(wǎng)絡(luò)能力開放架構(gòu)。5G網(wǎng)絡(luò)將構(gòu)建端到端的業(yè)務(wù)域、平臺域和網(wǎng)絡(luò)域的能力開放。
其中業(yè)務(wù)域包含第三方業(yè)務(wù)提供商,虛擬運營商,終端用戶,或運營商的自營業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)域可以向平臺域輸入網(wǎng)絡(luò)能力的需求信息,并接受平臺域提供的網(wǎng)絡(luò)能力,也可以向平臺域提供網(wǎng)絡(luò)域需求的能力信息,實現(xiàn)反向的能力開放。
平臺域則需要具備第三方業(yè)務(wù)的簽約管理,對業(yè)務(wù)域的API開放和計費功能,以及對網(wǎng)絡(luò)域的能力編排和能力調(diào)度功能。構(gòu)建具有良好的互通能力,管理能力和開放能力的平臺域是5G網(wǎng)絡(luò)能力開放的重要研究內(nèi)容[6]。
網(wǎng)絡(luò)域則主要考慮BSS/OSS(Business Support System,業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)/Operation Support System運營支持系統(tǒng))和MANO能力的結(jié)合實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)切片的統(tǒng)一編排管理,以及對平臺域的能力開放。網(wǎng)元實體實現(xiàn)具體的網(wǎng)絡(luò)控制能力,監(jiān)控能力,網(wǎng)絡(luò)信息,以及網(wǎng)絡(luò)基本服務(wù)能力的開放。大數(shù)據(jù)分析平臺實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析,并將分析結(jié)果上報給平臺域[7]。
5G核心網(wǎng)發(fā)展兼顧EPC演進(jìn)和NGC部署兩種情況,選擇EPC還是直接上NGC,取決于如下因素:
(1)3GPP核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品成熟度;RAN產(chǎn)品成熟度和部署策略,若NR先于NGC成熟則考慮優(yōu)選EPC增強(qiáng),反之建議直接上NGC;
(2)SDN/NFV基礎(chǔ)設(shè)施部署成熟度,5G核心網(wǎng)需要通過NFV/SDN基礎(chǔ)設(shè)施上實現(xiàn)“自上而下”按需、靈活的網(wǎng)絡(luò)切片定制;
(3)IMS語音成熟度,5GC必須且只支持VoLTE語音業(yè)務(wù)。
NSA(Non-Stand Alone非獨立組網(wǎng))與SA(Stand Alone獨立組網(wǎng))混合組網(wǎng)分析如下:
SA方案的標(biāo)準(zhǔn)于2018年6月凍結(jié)。采用SA方案,5G網(wǎng)絡(luò)可支持網(wǎng)絡(luò)切片、MEC等新特性,4G 核心網(wǎng)MME需要升級支持N26接口,4G基站僅需較少升級(如增加與5G切換等參數(shù)),4G/5G基站可異廠家組網(wǎng),終端不需要雙連接。
NSA是將5G的控制信令錨點在4G基站上,通過4G基站接入EPC或5GC(5G核心網(wǎng)),NSA方案要求4G/5G基站同廠家,終端支持雙連接?;贓PC的NSA標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在2017年12月凍結(jié)。采用這種方案,不支持網(wǎng)絡(luò)切片、MEC等新特性,EPC需升級支持5G接入相關(guān)的功能,4G基站需要升級支持與5G基站間的X2接口。采用這種方案,5G網(wǎng)絡(luò)可以支持網(wǎng)絡(luò)切片、MEC等新特性,但4G基站需升級支持5G協(xié)議[8]。
NSA非獨立組網(wǎng)方案在5G啟動之初以eMBB和mMTC(Massive Machine Type of Communication,海量機(jī)器類通信)業(yè)務(wù)為突破口。在業(yè)務(wù)上,重點應(yīng)用場景以eMBB和mMTC為切入點;在核心網(wǎng)側(cè),eMBB業(yè)務(wù)和mMTC業(yè)務(wù)通過演進(jìn)的EPC架構(gòu)支持;在無線側(cè),用戶面以4G基站作為5G基站的錨點接入EPC網(wǎng)絡(luò),5G站點視為對當(dāng)前容量的提升,mMTC業(yè)務(wù)的接入通過4G增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行,在4G基礎(chǔ)上演進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)和5G新網(wǎng)絡(luò)共同進(jìn)行eMBB業(yè)務(wù)的接入。NSA架構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)性能、投資成本及5G初期商用等方面具有先發(fā)優(yōu)勢。首先,從網(wǎng)絡(luò)性能上來看,NSA架構(gòu)的5G載波可看作在現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)上增加的新型載波,可用于熱點區(qū)域擴(kuò)容;基于雙連接特性,可以保證5G與4G之間的業(yè)務(wù)連續(xù)性,有利于保障用戶體驗。其次,從投資及建設(shè)成本來看,NSA架構(gòu)在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源基礎(chǔ)設(shè)施上整合新的5G網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)升級所需投資門檻低,既有利于LTE投資的收回,又有利于5G初期低成本部署。最后,從5G商用需求來看,NSA架構(gòu)使得運營商。有選擇性地靈活建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò),便于快速推出5G新業(yè)務(wù)[9]。
5G核心網(wǎng)的演進(jìn)要分階段分步驟進(jìn)行。第一階段主要針對部分eMBB業(yè)務(wù)首先要升級EPC網(wǎng)絡(luò),對接LTE和NR,重點實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)發(fā)分離,采用虛擬化技術(shù)實現(xiàn)vEPC。第二階段在原有的EPC增強(qiáng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)PGW-C/U(PDN GateWay-C/U,控制面/用戶面的PDN網(wǎng)關(guān))、HSS Home Subscriber Server(歸屬簽約用戶服務(wù)器)、PCRF Policy and Charging Rules Function(策略與計費規(guī)則功能單元)等平滑升級,支持NGC,實現(xiàn)上述網(wǎng)元的合設(shè),新建5G AMF網(wǎng)元與MME實現(xiàn)對接,支持與EPC的無縫切換,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的搭建,承載部分專網(wǎng)業(yè)務(wù)。第三階段擴(kuò)建5G核心網(wǎng)并支持接入所有4G和5G基站,逐步淘汰專有硬件的EPC網(wǎng)元,將vEPC資源釋放,實現(xiàn)NGC網(wǎng)元重構(gòu),將大部分eMBB、mMTC和uRLLC等業(yè)務(wù)遷移到5G網(wǎng)絡(luò)。演進(jìn)示意圖如圖6所示。
圖6 5G核心網(wǎng)的演進(jìn)示意圖
5G已來,萬物互聯(lián)已展現(xiàn)在眼前。未來多樣化的業(yè)務(wù)將提供更多智能化的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。這些多樣化的業(yè)務(wù)需求使得5G核心網(wǎng)在基本性能上提出了更高的要求。比如,10 Gbit/s以上的高峰值速率;連接密度達(dá)百萬的大連接,毫秒級別的低時延等。5G網(wǎng)絡(luò)承載的多樣化業(yè)務(wù),需要新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)靈活地適配不同的業(yè)務(wù)需求。為引領(lǐng)5G時代,在5G啟動之際,組網(wǎng)方式的選擇已經(jīng)成為運營商首要考慮的問題。運營商需要基于發(fā)展愿景和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)特點,選擇合適的組網(wǎng)方式,通過新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),承載靈活的網(wǎng)絡(luò)功能,同時實現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的逐步演進(jìn)及與5G網(wǎng)絡(luò)的融合互通。