5G核心网的建设与演进

邮电设计技术/2018/11——————————收稿日期：2018-10-260引言5G将开启一个全连接、全业务的时代，核心网在5G网络中发挥着至关重要的作用，它将是全接入和全业务的使能中心。一方面，通过屏蔽网络接入的差异化，使现在以网络为中心的服务模式转变为以用户为中心的服务模式；另一方面，使5G网络能够通过网络切片为各行各业按需提供服务。面对新的机遇和挑战，当前核心网的革新重构已经势在必行。15G核心网四大关键特征1.1网络原生云化云化转型是面向5G核心网发展的基础，做好云化转型可使5G网络建设更平稳、更高效，最大化实现5G新技术价值。业界在电信网络中引入CloudNative概念，构筑“弹性”“健壮”和“敏捷”为目标的网络转型。目前全云化核心网已经完成了成功的商用实践，构建基于业务感知的弹性网络，实现资源按需分配，业务容量不受单一硬件物理限制，网络功能可动态快速生成并按需部署，以确保满足多种应用对网络的不同要求。整体设计理念主要包含如下4个考虑。a）无状态设计。通过将业务状态和会话数据从业务处理单元中分离出来，并存储在独立的分布式数据库中，实现业务处理单元的无状态设计，可以任意弹性伸缩，任意单个或多个业务单元故障对业务无影响，从而大幅提升虚拟化软件的弹性和健壮性。b）服务化解构。根据业务的应用场景和网络模型对虚拟化软件进行微服务解构，解构的粒度并非越小越好，重点是放在可独立升级、可独立扩缩、可重用上。5G还在在3GPP标准化中引入了服务化框架5G核心网的建设与演进ConstrutionandEvolutionStrategyfor5GCoreNetwork关键词：原生云化；控制面和用户面分离；SBA；DevOpsdoi：10.12045/j.issn.1007-3043.2018.11.005中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1007-3043（2018）11-0023-06摘要：5G将开启一个全连接、全业务的时代，核心网在5G网络中发挥着至关重要的作用，它将是全接入和全业务的使能中心。首先介绍了5G网络的4个关键技术特征：网络原生云化、网络分布化、全接入网络、切片网络，对每个技术的价值进行了展开描述。最后，针对5G网络部署演进给出了相关部署建议。Abstract：5Gwillopenafullyconnected，full-serviceera，andthecorenetworkwillplayavitalrolein5Gnetwork.Itwillbeanall-ac-cessandfull-serviceenablingcenter.Itfirstintroducesthefourkeytechnicalcharacteristicsof5Gnetwork：CloudNative，dis-tributednetwork，fullaccessnetwork，slicingnetwork，andthevalueofeachtechnologyisdescribed.Finally，relevantrecom-mendationsaregivenforthedeploymentandevolutionof5GCorenetwork.Keywords：Cloudnative；CUPS；SBA；DevOps刘雁（华为技术有限公司，上海201206）LiuYan（HuaweiTechnologies.Co.，Ltd.，Shanghai201206，China）核心网CoreNetwork刘雁5G核心网的建设与演进引用格式：刘雁.5G核心网的建设与演进［J］.邮电设计技术，2018（11）：23-28.232018/11/DTPT（SBA），以实现网络功能的即插即用，网络会变得非常敏捷，能够快速部署满足客户业务需要的功能。c）轻量级虚拟化（容器）。容器作为轻量级虚拟化技术，在资源效率、性能、部署和启动速度、可迁移性等方面有着明显优势。虚拟机（VM）作为重型虚拟化技术，在安全性和资源隔离方面有明显优势。未来，容器和VM2种虚拟化技术会并存，可根据应用本身特点进行选择。d）DevOps加快业务创新与上线。DevOps可以打通设备商与运营商的开发和运维流程，实现网络快速部署上线、灰度升级、业务创新，从而提升运营效率，缩短业务上线时间。DevOps当前还在实践中，打通设备商开发网络与运营商的运营网络是关键制约要素。1.2网络分布化AR/VR等新兴业务对网络时延、带宽和安全性等提出了更高的要求。通过核心网控制面和用户面分离（CUPS）构建分布式网络，将用户面下沉到业务边缘，可以极大地降低网络时延，提升用户体验；通过数据本地处理也可保证企业用户的数据安全，帮助运营商进入企业市场。CUPS架构已经在4G网络中开始实践，为5G网络的分布式架构奠定了基础，实现4G网络5G化。5G核心网基于CUPS实现分布式架构，统一控制面管理分布式的用户面，引入动态分流，APP协同等能力，结合多接入边缘计算（MEC）等技术保证最佳的用户体验和商业实践。当前业界已经有了成功实践，涉猎B2C到B2B到B2B2X多种行业，如IPTVOverWTTx、智慧工厂、智能场馆、移动办公及车联网等多种新业务新市场的商用实践和创新试点。1.35G全接入网络5G核心网使用统一的接口和统一鉴权，支持多种接入方式，如Wi-Fi、固定接入、工业接入，可以为运营商消除终端碎片化，简化网络运维，创新新商业模式。未来5G核心网还会支持TSN工业以太网接入，卫星接入，无人机接入等。5G全接入对核心网也提出了三大关键诉求，首先是连接能力激增，根据行业咨询报告预测，5G将在当前网络基础上再接入8倍连接；其次是业务类型极端差异对网络处理能力提出的需求，从静止类型到游牧类型到高速移动类型；最后是业务模型不可预测，业务潮汐会更加频繁。这些都要求5G核心网在架构和部署上进行变革，以确定的网络架构应对未来不确定的网络业务。1.45G切片网络即服务网络切片是5G关键原生能力，能够最大化提升通信网络的效能，降低网络建设和运维成本。5G时代“切片即能力、切片即产品”已经成为行业共识。核心网作为网络差异化体验和运营的关键锚点，在5G时代凸显出更加重要的网络地位。5G核心网提供网络功能和资源按需部署的能力，来满足未来垂直行业多样化的业务需求。在云化基础设施上，构建逻辑隔离的网络切片来服务不同的业务或者垂直行业。5G网络切片具备了“端到端网络保障SLA、业务隔离、网络功能按需定制、自动化”的典型特征。a）端到端SLA保障：5G网络切片由核心网、无线、传输等多个子域构成，网络切片的SLA由多个子域组成的端到端网络保障。网络切片实现多域之间的协同，包括网络需求分解、SLA分解、部署与组网协同等。b）业务隔离：网络切片为不同的应用构建不同的网络实体。逻辑上相互隔离的专用网络确保不同的切片之间业务不会相互干扰。c）功能按需定制、动态编排：5G网络将基于服务化的架构，同时软件架构也将进行服务化重构，以此形成网络可编排的能力。面向不同行业多样化的网络需求，5G网络可以提供按需编排的能力，为每个应用提供不同的网络能力。同时，5G网络的分布式特点可以根据不同的业务需求部署在不同的位置，来满足不同业务时延的要求。d）自动运维、多租户运维：自动化是网络发展的目标。相对于传统网络一张大网满足所有要求，5G通过切片技术将一张网裂变成多张网，理论上5G的繁荣必然会带来运维难度的大幅增加，因此自动化是5G网络必然要具备的一个特征。从节奏上来说，一次性地实现全自动化非常困难。通过分割网络切片生命周期中各个环节的操作，允许工作流中的每个环节都支持人工、半自动或者全自动的方式进行处理，伴随着用户网络规划能力的发展，以及网络的扁平化、简单化，最终达成自动化。网络切片允许向特定租户（比如行业用户）提供定制化的网络服务，租户对网络具备一定的操作管理能力。租户运维人员所具备的知识与能力模型与传统运营商运维人员不同，需要面向租户的运维人员提供易观察、易操作、易管控的运维核心网CoreNetwork刘雁5G核心网的建设与演进24邮电设计技术/2018/11界面，实现租户的“自助服务”。通过5G切片可以为终端用户、租户和运营商带来以下价值。a）终端用户：通过端到端切片网络的端管云协同提供的可保证的SLA，终端用户获得最佳的业务体验。b）租户：以资源共享为基础可以降低网络使用成本，通过隔离技术和按需部署可以实现端到端可保障的网络SLA，通过按需功能定制可以快速满足业务需求和业务的升级、演进，通过切片网络提供的开放能力实现简单的运维和网络能力的使用。c）运营商：最大化网络基础设施的价值，使能和开拓庞大的垂直行业用户群；通过资源共享、动态部署实现高效、快速建网，同时，业务上线和业务创新更加快捷，将促进新的产业生态环境的形成。25G核心网部署与演进2.15G架构概览图1给出了5G核心网网络架构。为了满足多种垂直行业和eMBB的需求，3GPP对5G核心网进行了全新的定义，网络架构关键技术和能力如下。a）服务化：5G控制面采用服务化架构，控制面功能解耦重构为多个网络功能，针对每个网络功能定义服务。b）控制面模块化：控制面功能进一步模块化，通过AMF和SMF实现了MM和SM的分离，鉴权部分功能独立为AUSF实体。c）用户面归一化：5G架构继承4G控制面用户面分离（CUPS）特性，用户面实体归一为UPF，不再有SGW/PGW等差异。d）网络切片：满足不同应用场景需求，切片间资源隔离，各切片功能按需定制。e）MEC支持：5G加强对MEC的支持，可通过上行分流（ULCL）、Multi-Homing等方式访问本地网络。f）统一鉴权：3GPP和非3GPP接入采用统一的鉴权机制，统一NAS。其中，服务化架构成为5G核心网最重要的变革，网络功能基于模块化拆解，解耦的网络功能可独立扩容、独立演进、按需部署。同时，引入IT系统服务化/微服务化架构经验，实现服务自动注册和发现、调用、降低NF之间接口定义的耦合度，最终实现整网功能的按需定制，灵活支持不同的业务场景和需求。4GEPC架构和5GCore架构对比如表1所示。2.25G核心网部署为了满足运营商早期部署5G网络的需求，3GPP分2个阶段定义5G网络，在第1阶段中首先冻结Op⁃tion3NSA标准，通过EPC增强支持移动超宽带业务，例如WTTx场景。第2阶段会冻结Option2SA标准，实现5GC全新定义的服务化架构核心网，通过服务拆解和引入服务化框架实现服务自动注册，比4G网络更加灵活。同时对于5G网络部署，3GPP给出了多种部署方式的选择，适用于不同的部署场景，包括Option2、Op⁃tion3/3a/3x、Option4/4a、Option7/7a/7x四大类选项，其中Option2中gNB单独组网，统称SA模式，Option3/3a/3x、Option4/4a、Option7/7a/7x几种模式中采用4GLTE/5GNR双连接组网，统称NSA模式。SA和NSA是从RAN视角看解决方案，从核心网视角来看，主要包括5GNSA（Option3）和5GC2个阶段，其中5GNSA（Option3）具备接入Option3/3x/3a的组网能力，5GC具备接入Option2、Option7/7x/7a和Option4/4a的组网能力。2.2.1Option2在Option2中（见图2），5G系统独立于4G系统部图15G核心网网络架构表14GEPC架构和5GCore架构对比灵活性/可扩展性可编排性接口操作维护4GEPC网络功能固化，缺乏灵活性和扩展性对多种业务提供无差异的网络大量现网存量协议（SS7di⁃ameter），接口可扩展性差配置复杂：NF→Links→Parameters5GCore统一接口模式、功能模块化可以做到即插即用服务化组件：不同的业务场景支持灵活的网络编排统一通过HTTP/2协议，可灵活扩展的接口自动部署/管理：NRF，新NF即插即用NSSFNEFUDMNnssfNnefNpcfAFPCFNRFNud