5G核心网关键技术研究

聂衡1,赵慧玲2,毛聪杰1

(1.中国电信股份有限北京研究院,北京102209;

2.工业和信息化部通信科学技术委员会,北京100804)

【摘要】下一代5G网络的核心网已经基本完成R15的规范制定,基于发布的标准对5G核心网的组网方式,一些关键技术包括服务化架构、支持边缘计算、网络切片等进行了研究,总结了5G核心网与传统移动网络不同的全新架构和技术的主要特征,分析了这些技术的应用场景以及还存在的问题,提出了相关的技术应用和研究发展建议。

【关键词】5G核心网;服务化架构;边缘计算;网络切片

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.001

文章编号:1006-1010(2019)01-0002-05

引用格式:聂衡,赵慧玲,毛聪杰. 5G核心网关键技术研究[J]. 移动通信, 2019,43(1): 2-6.

1引言

目前国际标准组织已经基本完成5G核心网标准(3GPP R15)的制定,标准已经覆盖了5G核心网的基本特性,可以满足5G三大基础场景之一的eMBB(enhanced Mobile Broadband,增强的移动宽带)场景[1]。R15的5G核心网涉及到的标准化包括:网络切片、服务化架构、支持能力开放、支持边缘计算、接入和移动性管理、会话管理、用户面管理、会话与业务连续性、QoS模型、策略框架、支持不可信的非3GPP接入、支持IMS、SMS over NAS服务、4G/5G互操作与演进、认证框架、计费等。5G核心网采用了与传统移动网络不同的全新架构和技术,开启了传统电信网络向IT技术全面重构的第一步,并且与行业深度融合,满足垂直行业终端互联的多样化需求。

本文研究和分析了5G核心网的关键技术,提出了相关的技术和网络发展建议,可以为未来部署5G通信网络来发展各种业务提供技术支撑。

25G核心网的整体架构

5G核心网架构为用户提供数据连接和数据业务服务,基于NFV和SDN等新技术,其控制面网元之间使用服务化的接口进行交互。5G核心网系统架构主要特征如下:

(1)承载和控制分离:承载和控制可独立扩展和演进,可集中式或分布式灵活部署;

(2)模块化功能设计:可以灵活和高效地进行网络切片;

(3)网元交互流程服务化:按需调用,并服务可重复使用;

(4)每个网元可以与其他网元直接交互,也可通过中间网元辅助进行控制面的消息路由;

(5)无线接入和核心网之间弱关联:5G核心网是与接入无关并起到收敛作用的架构,3GPP和非3GPP均通过通用的接口接入5G核心网;

(6)支持统一的鉴权框架;

(7)支持无状态的网络功能,即计算资源与存储资源解耦部署;

(8)基于流的QoS:简化了QoS架构,提升了网络处理能力;

(9)支持本地集中部署的业务的大量并发接入,用户面功能可部署在靠近接入网络的位置,以支持低时延业务、本地业务网络接入。

图1为非漫游情况下的5G核心网的架构(服务化方式)[2]:

其中5G核心网涉及到的主要网元和功能如下:

(1)AMF(接入和移动性管理功能):负责用户的接入和移动性管理;

(2)SMF(会话管理功能):负责用户的会话管理;

(3)UPF(用户面功能):负责用户面处理;

(4)AUSF(认证服务器功能):负责对用户的3GPP和非3GPP接入进行认证;

(5)PCF(策略控制控制):负责用户的策略控制,包括会话的策略、移动性策略等;

(6)UDM(统一数据管理):负责用户的签约数据管理;

(7)NSSF(网络切片选择功能):负责选择用户业务采用的网络切片;

(8)NRF(网络功能注册功能):负责网络功能的注册、发现和选择;

(9)NEF(网络能力开放功能):负责将5G网络的能力开放给外部系统;

(10)AF(应用功能):与核心网互通来为用户提供业务。

UPF属于用户面,除了UPF之外的5G核心网网元都属于控制面。控制面网元全部都采用了服务化架构设计,彼此之间通信采用服务化接口;用户面继续采用传统架构和接口。控制面和用户面之间的接口(N4)目前还是传统接口,控制面和无线网以及控制面与终端之间也是传统接口(N2和N1)。

将5G核心网与4G核心网EPC进行比较,可以看出5G相比4G在基本功能如认证、移动性管理、连接、路由等方面不变,但是方式和技术手段发生了变化,更加灵活。主要体现在:移动性管理(AMF)和会话管理(SMF)分离,AMF和SMF的部署可层级分开;承载与控制分离,UPF和SMF的部署层级也可以分开;AMF和UPF根据业务需求、信令和话务流量以及传输资源灵活部署;采用服务化架构设计,网元功能进行了模块化解耦,接口进行了简化。总体上看,5C核心网的组网更加灵活,但部署灵活性也对传输、以及网络规划、网络运营管理等能力提出更高的要求。

从无线网与核心网的关系角度看,主要的方式有两大类:SA(Standalone,独立组网)和NSA(Non-Standalone,非独立组网)。这两大类又有多种具体的无线网与核心网的组合选择(option)。对于国内运营商近期的组网选择,主要有两种:采用option2的SA,此时5G无线网(NR)与5G核心网(5GC)直接连接;采用option3的NSA,此时NR与4G核心网(EPC)连接,不需要5G核心网,终端与NR和4G无线网(eNB)采用双连接机制。如图2所示:

option3的NSA方式核心网继续采用EPC而没有采用5GC,是5GC还没有成熟阶段的过渡方案,立足于尽快部署5G无线网络。NSA方式需要终端支持在4G和5G无线之间的双连接,这对终端也有较高的要求,并且4G和5G无线网需要同厂家部署。由于没有5GC,NSA方式在业务方面只是继承了传统的移动宽带业务。option2的SA方式采用了5GC,可以利用5GC新型的网络和业务能力,例如切片、支持边缘计算等,是5GC产业成熟阶段的目标方案。目前不同运营商对于5G商用初期采用option2的SA还是option3的NSA有各自不同的考虑,取决于5G商用的时间点、5GC的成熟度、对5G网络的业务诉求等综合因素。

当前业界部署的EPC主要是传统设备,并不具备向云化的5GC升级的能力。从EPC向5GC演进,主要有两种方案。一种是直接在云资源池部署5GC,传统EPC随着4G用户逐步迁移到5G而退网。另一种是先在云资源池部署vEPC,满足近期4G业务发展需求,并积累云化运营经验,然后适时将vEPC升级为5GC。采用哪种方案取决于运营商自身的业务和网络发展规划,并且都需要考虑EPC与5GC/vEPC如何协同组网。

3 5G核心网的关键技术

3.1 服务化架构

5G核心网的控制面采用服务化架构(SBA,Service Based Architecture)设计,借鉴IT系统服务化的理念,通过模块化实现网络功能间的解耦和整合,各解耦后的网络功能(服务)可以独立扩容、独立演进、按需部署;各种服务采用服务注册、发现机制,实现了各自网络功能在5G核心网中的即插即用、自动化组网;同一服务可以被多种NF调用,提升服务的重用性,简化业务流程设计。关键技术点如下:

(1)服务的提供通过生产者(Producer)与消费者(Consumer)之间的消息交互来达成。交互模式简化为两种:Request-Response、Subscribe- Notify,从而支持NF之间按照服务化接口交互,如图3和4所示。

1)Request-Response模式下,NF_A(网络功能服务消费者)向NF_B(网络功能服务生产者)请求特定的网络功能服务,服务内容可能是进行某种操作或提供一些信息;NF_B根据NF_A发送的请求内容,返回相应的服务结果。

2)Subscribe-Notify模式下,NF_A(网络功能服务消费者)向NF_B(网络功能服务生产者)订阅网络功能服务。NF_B对所有订阅了该服务的NF发送通知并返回结果。消费者订阅的信息可以是按时间周期更新的信息,或特定事件触发的通知(例如请求的信息发生更改、达到了阈值等)。

(2)实现了服务的自动化注册和发现。NF通过服务化接口,将自身的能力作为一种服务暴露到网络中,并被其他NF复用;NF通过服务化接口的发现流程,获取拥有所需NF服务的其它NF实例。这种注册和发现是通过5G核心网引入的新型网络功能NRF来实现的:NRF接收其它NF发来的服务注册信息,维护NF实例的相关信息和支持的服务信息;NRF接收其它NF发来的NF发现请求,返回对应的NF示例信息。

(3)采用统一服务化接口协议。R15阶段在设计接口协议时,考虑了适应IT化、虚拟化、微服务化的需求,目前定义的接口协议栈从下往上在传输层采用了TCP,在应用层采用HTTP/2.0[3],在序列化协议方面采用了JSON,接口描述语言采用OpenAPI3.0,API的设计方式采用RESTFul。

可以看出,目前5G核心网采用服务化架构的接口协议栈与传统移动核心网的协议相比,变得更加复杂。用同样的硬件来实现的话,其性能相对传统协议是下降的,因此需要通过高性能的云资源来抵消接口性能的损失。对于服务化架构的自动化组网,目前能力也还不完善,例如在容灾和过载控制方面和在多NRF级联方面。这都需要在标准组织进行进一步的推动和研究,在实际网络部署和运营中也需要加以注意。

3.2 支持边缘计算

相比于4G核心网对边缘计算(Edge Computing)支持能力不足而带来种种问题,5G核心网在架构中就考虑了支持边缘计算需求,在网络层面和能力开放层面都支持边缘计算。在网络层面,5G核心网支持多种灵活的本地分流机制、支持移动性、支持计费和QoS以及合法监听。在能力开放层面,5G核心网支持APP路由引导、支持对未网络及用户的信息获取和控制。对于本地分流机制,5G核心网支持如下几种:

(1)上行分类器UL-CL(Uplink Classifier):可以基于目的地址进行本地分流UL-CL的机制如图5所示。

根据边缘计算业务需求,当UE移动到某个位置时SMF插入本地的UPF进行分流,UPF根据SMF下发的分流规则(Uplink Classifier)过滤上行数据包IP地址,将符合规则的数据包分流到本地DN。UL-CL机制下UE只有一个IP地址,不感知数据分流,对UE没有特别要求。

(2)IPv6多归属(IPv6 Multi-homing):基于源地址进行本地分流IPv6 Multi-homing的机制如图6所示:

此机制利用了IPv6多归属的特性,将UE的一个IPv6地址用于边缘计算业务。SMF根据UE位置选择本地的共同UPF(Branching Point)进行分流,不同的IP锚点通过这个Branching Point UPF实现用户面路径的分离。Branching Point UPF根据SMF下发的分流规则过滤上行数据包源IP地址,符合规则的数据包分流到本地DN。IPv6 Multi-homing机制下UE需要支持IPv6 Multi-homing,一个PDU会话分配两个IPv6前缀,并且UE能感知并控制数据分流。

(3)本地区域数据网(LADN,Local Area Data Network):基于特定的DNN进行本地分流

LADN机制与前面两种不同,需要UE建立新的PDU会话接入本地DN来用于边缘计算业务。UE在5G核心网注册成功后,AMF告知UE其LADN信息(服务区域、LADN DNN)。UE移动到LADN服务区域内时发起PDU会话,SMF根据UE的位置选择本地UPF,将会话路由到LADN。UE离开区域后SMF发起会话释放。LADN机制下UE需要支持LADN,并且能感知并控制数据分流。

5G核心网支持边缘计算的分流机制提供了多种灵活的方式,每种方式有其特点和对网络和终端的能力要求。在提供5G网络的边缘计算服务时,需要根据技术的成熟度、终端的能力、对网络的影响、运营成本等多方面综合考虑来选择合适的方案。另外,由于边缘计算需要将5G核心网的UPF尽量下沉以满足业务时延、服务覆盖范围等要求,运营商部署边缘计算能力时需要结合自身网络设施的DC化改造进程,选择具备能力的相应层级的数据中心。

3.3 网络切片

网络切片是5G网络的重要使能技术,实现了基于业务场景按需来定制网络,不同的网络切片之间可共享资源也可以相互隔离。网络切片是端到端的逻辑子网,涉及核心网络(控制平面和用户平面)、无线接入网、IP承载网和传送网,需要多领域的协同配合。目前来看,核心网切片的标准相对进展更快,5G核心网网络和终端支持切片的功能、流程基本完成,但是切片管理还不完善。无线网切片由于具有一定的技术难度,业界还在进行技术和方案研究。承载网切片目前相对独立发展,缺乏与移动网跨专业间的联动/打通。

5G切片的定制和自动化部署是通过切片管理来完成的[4],网络切片管理架构如图7所示:

网络切片管理架构包括通信业务管理、网络切片管理、网络切片子网管理。其中通信业务管理功能(CSMF)实现业务需求到网络切片需求的映射;网络切片管理功能(NSMF)实现切片的编排管理,并将整个网络切片的SLA分解为不同切片子网(如核心网切片子网、无线网切片子网和承载网切片子网)的SLA;网络切片子网管理功能(NSSMF)实现将SLA映射为网络服务实例和配置要求,并将指令下达给MANO,通过MANO进行网络资源编排。对于承载网络的资源调度,将通过与承载网络管理系统的协同来实现。

可以看出,切片是在NFV/SDN之上的一种业务,其运维难易程度与NFV/SDN技术的成熟度是相关的,因此需要尽快促进NFV/SDN技术的落地和运营。鉴于5G网络端到端的切片还不成熟,当前需要加强网络切片的设计、编排以及管理方面的研究,例如网络切片管理/网络切片子网管理与MANO的相互协同[5]、切片管理与OSS/BSS的融合、切片的跨专业(核心网、无线、承载)协同。由于任何UE都需要在网络切片框架下使用5G网络,在初期可以先提供简单的eMBB核心网切片,掌握5G网络的基本运营能力,然后再逐步细分切片,面向垂直市场打造行业切片,提供差异化的网络服务,充分挖掘切片的商业价值。

4 结束语

下一代5G通信网络的核心网标准已经基本完成,本文基于发布的标准研究了5G核心网的几大关键技术和其特征,包括:服务化架构、支持边缘计算、网络切片,对SA和NSA进行了比较,分析了5G核心网关键技术特点和应用场景,并且研究了还存在的问题和限制,提出了相关的技术研究和网络发展建议,可为5G核心网技术的后续发展和完善发展、部署和运营提供参考。

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.001

文章编号:1006-1010(2019)01-0002-05

引用格式:聂衡,赵慧玲,毛聪杰. 5G核心网关键技术研究[J]. 移动通信, 2019,43(1): 2-6.

作者简介

聂 衡高级工程师,硕士毕业于北京交通大学,现任职于中国电信股份有限公司北京研究院,研究方向为移动通信。

赵慧玲现任工业和信息化部通信科学技术委员会专职常委,信息通信网络专家组组长,中国通信学会信息通信网络技术专业委员会主任委员,中国通信标准协会网络与业务能力技术工作委员会主席,中国电信科技委常委兼核心网组负责人,国际标准组织MEF顾问董事,SDN、NFV产业联盟技术委员会副主任。

毛聪杰硕士毕业于北京邮电大学,现任中国电信股份有限公司北京研究院团队负责人,研究方向为移动通信。

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