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如何構建高效5G核心網？
發布時間：2019-10-10 分類：趨勢研究
隨著5G商用的全面開啟，如何構建高質量、強健的網絡成為業界關注的焦點，尤其是5G核心網的規劃和建設策略，更是直接關系到5G網絡的后續發展。與此同時，如何促進5G和工業、交通等行業融合，“孵化”能夠顛覆傳統生產和生活方式的“殺手級”應用，也成為業界研究和探索的重點。
5G時代，海量的智能終端將會接入網絡。面對以自動駕駛為代表的超低時延業務，以智慧城市、智慧家庭為代表的超大連接業務和以AR/VR為代表的超高帶寬業務等應用場景，現有核心網已無法滿足未來多場景接入和業務的多樣性需求。為此， 5GC（5G核心網）系統引入了一系列新技術，包括NFV、服務化架構（SBA）、C/U分離、網絡切片以及MEC等來實現及支撐各種新業務場景，為未來面向各行各業的海量應用落地奠定堅實基礎。
5G核心網系統結構
根據3GPP規范，5G核心網采用服務化架構（SBA）設計，虛擬化方式實現。
5G核心網控制平面功能采用基于服務的設計理念，來描述控制面網絡功能和接口交互，并實現網絡功能的服務注冊、發現和認證等功能。服務化架構下，控制平面的功能既可以是服務的生產者（Producer），也可以是服務的消費者（Consumer），消費者要訪問生產者的服務時，必須使用生產者提供的統一接口來進行訪問。
采取服務化（SBA）設計，可以提高功能的重用性，簡化業務流程設計，優化參數傳遞效率，提高網絡控制功能的整體靈活性。同一種NF可以被多種NF調用，從而降低NF之間接口定義的耦合度，最終實現整網功能的按需定制，支持不同的業務場景和需求。
5G核心網的關鍵特性包括：一、控制面采用服務化架構（SBA），接口統一，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，實現軟硬件解耦，計算和存儲資源動態分配；四、支持網絡切片，靈活快速按需部署網絡；五、支持MEC，有利于低時延、高帶寬等創新型業務的部署。
5G核心網關鍵技術
5G核心網擁有五大關鍵技術，分別是C/U分離、網絡切片、邊緣計算、虛擬化技術以及語音業務方案。
C/U分離
現有移動核心網網關設備既包含流量轉發功能，也包括部分控制功能（信令處理和業務處理），控制功能和轉發功能之間是緊耦合關系。5G核心網實現了控制與轉發的徹底分離，網絡向控制功能集中化和轉發功能分布化的趨勢演進，如圖1所示。
控制和轉發功能分離后，控制面采用邏輯集中的方式實現統一的策略控制，保證靈活的移動流量調度和連接管理，同時減少了北向接口，增強了南向接口可擴展性。轉發面將專注于業務數據的路由轉發，具有簡單、穩定和高性能等特性，便于靈活部署以支持未來高帶寬、低時延業務場景需求。
網絡切片
5G網絡需同時支持eMBB、uRLLC、mMTC等完全不同的業務場景，但實際上很難用一張統一的網絡來滿足所有業務千差萬別的需求。為此，網絡切片的概念應運而生。
網絡切片是5G網絡的重要使能技術，基于網絡切片方案來滿足不同業務類型、業務場景以及垂直行業的特定需求。網絡切片就是利于虛擬化技術，在統一的網絡基礎設施上，虛擬出多個不同的邏輯網絡，來分別滿足不同的業務/用戶需求。網絡可按不同的業務、客戶群等多種維度來切分。網絡切片是端到端的邏輯子網，涉及核心網、無線接入網、IP承載網和傳送網，需要多領域的協同配合。不同的網絡切片之間可共享資源也可以相互隔離。3GPP定義的網絡切片管理功能包括通信業務管理、網絡切片管理、網絡切片子網管理。
邊緣計算
MEC（移動邊緣計算）通過將計算存儲能力與業務服務能力向網絡邊緣遷移，使應用、服務和內容可以實現本地化、近距離、分布式部署，從而在一定程度上解決了eMBB、uRLLC以及mMTC等應用場景的業務需求。5G將MEC理念和需求融入架構設計中，從網絡層面支持MEC（業務層面在ETSI定義）。
流量識別和本地分流：5GC識別本地流量和業務，選擇UPF并將用戶流量路由到本地數據網的App。
會話和業務連續性：在用戶或AF發生移動或遷移時保持業務和會話的連續性。
用戶面選擇和重選：根據AF的要求或其他策略實施用戶面的選擇或重選。
網絡能力開放：5GC和AF通過NEF進行交互實現對網絡功能的調用。
QoS和計費：PCF為本地流量提供QoS控制和計費規則。
MEC使得運營商和第三方業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高效的業務分發，節省傳輸帶寬，降低運營成本，改善用戶體驗，加速創新型業務的開發和部署。
虛擬化技術
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，且生態系統不成熟、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，實現難度小，但需要對MANO進行改造以支持容器技術。
雖然5G核心網是原生云、微服務架構，采用容器技術來部署核心網具有更大的靈活性、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，積累虛擬化經驗。
語音業務方案
5G網絡建設初期，迅速實現全網覆蓋難度較大，為避免頻繁切換，保持語音連續性，5G初期建議使用EPS Fallback方案回落到4G，提供VoLTE語音業務。后期當5G網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信號連續覆蓋場景，其呼叫建立時延比VoLTE更短，QoS保障也優于VoLTE。
5G核心網建設策略
建設思路
5GC網絡建設應關注以下幾方面：
一、4G與5G網絡將長期并存、有效協同。考慮到與EPC網絡的互操作，5GC部分網元需要與EPC網元合設。
二、5GC采用全新SBA架構，網元及接口數量顯著增加、標準成熟時間也不一致。為此，5GC網元需要基于業務需求、規范及設備的成熟度分階段部署。
三、5GC原生支持NFV，因此5GC網絡應采用云化方式部署，實現資源的統一編排、靈活共享。
四、5G核心網實現了徹底的C/U分離，控制面、用戶面網元按需獨立建設。
五、5G網絡建設初期，采用EPS Fallback方式回落4G網絡，提供VoLTE語音業務。
組網方式
對于5GC組網，可以采用大區集中與分省部署兩種方式。
第一，大區集中式組網。5GC控制面網元（包括SMF、NRF、PCF、UDM、AUSF、NSSF等）主要集中部署在大區DC中心，負責多個省的5G業務，省層面部署5GC控制面網元AMF。用戶面網元UPF基于業務應用場景，部署在大區、省、地市和區縣層面（見圖2）。
大區集中組網架構可以實現集約化運維管理，資源利用率高，但與現網組網方式差異較大，導致方案比較復雜，同時對容災要求也高。
第二，分省組網。集團層面只部署業務、信令路由/尋址網元（骨干NRF和骨干NSSF等），5GC控制面網元部署在各省DC中心。用戶面網元UPF基于業務應用場景，部署在省、地市和區縣層面。
分省組網架構可以沿用現有運維管理模式及經驗，各省可靈活開展業務，但資源利用率相對較低。
網元部署
（1）分層部署
5GC控制面網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。用戶面網元按業務需求進行分層部署，比如：設置在省層面，滿足VoLTE等業務需求；設置在本地網層面，滿足互聯網業務需求；設置在邊緣，滿足MEC業務高帶寬、低時延需求。
（2）4G/5G協同
5GC部分網元需具備4G網元功能以實現與4G網絡的互操作，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，以避免數據路由的迂回。
（3）分階段引入
由于5GC各網元標準成熟時間不一致，因此需要基于業務需求、標準規范及設備的成熟度分階段部署。初期網絡建設僅部署5GC商用必需的網元，包括控制面網元AMF、SMF、NRF、PCF、NSSF、UDM、AUSF、BSF等，用戶面網元UPF。
在5G網絡建設中后期，結合業務需求、標準進展及設備成熟度適時引入其他5GC網元，主要包括NEF（提供統一的網絡能力開放）、UDSF（非結構化數據存儲功能）、SEPP（用于5G用戶國際漫游，與他網運營商5G互通）、SMSF（用于為5G單模終端-物聯網終端提供NAS短信服務）、N3IWF（非3GPP接入的互操作網關）、NWDAF（網絡大數據分析功能）等網元。
（4）容災備份
5GC網絡采用三級容災備份機制：VNF組件備份（類似傳統設備的板卡備份）、網元備份、資源池備份。通過三級容災備份機制提高5GC網絡整體可靠性。
5GC各網元備份方式包括：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網絡設備部署在核心節點城市的兩個及以上DC機樓，實現了地理容災。
資源池建設方案
不同于2G、3G、4G移動核心網，5GC原生支持NFV技術，5GC網絡NFVI資源池建設應考慮以下方面。
首先，NFVI資源池的選擇。5G核心網控制面網元應部署在核心云NFVI。核心云通常覆蓋大區、省級機房和部分城域網核心機房。5GC用戶面網元UPF結合應用場景部署在核心云或邊緣云。邊緣云覆蓋地市、區縣等機房。
對于邊緣云承載5GC網元UPF，在某些場景下會受限于機房環境，對NFVI硬件設備數量、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資源池內部組網。資源池內部組網采用Leaf-Spine架構，從設備、端口到鏈路進行冗余設計。
匯聚交換機EOR負責NFVI資源池內跨機柜流量的互通，以及資源池同外部網絡的連接。EOR間采用堆疊技術提高鏈路冗余。接入交換機TOR負責匯聚機柜內服務器和存儲設備的流量。TOR間采用堆疊技術。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，通過雙上聯冗余設計連接到不同TOR，支持負載分擔或主備模式，避免網口的單點故障。
根據流量功能和作用的不同，NFVI內部網絡可分為四類平面：一、業務網絡平面：承載5G網元的業務流量；二、存儲網絡平面：用于NFVI內存儲數據的互聯；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網絡用于操作系統的遠程安裝、引導及升級。OAM網絡主要用于承載遠程監控NFVI的網管流量。
周邊網絡或系統建設
引入5G網絡，會對周邊網絡及系統帶來建設改造需求，具體體現在兩個方面。
第一，對相關網絡的能力需求：4G與5G網絡互操作需要對現網EPC網絡進行能力升級。5G用戶的語音業務需要對現網VoLTE IMS網絡進行能力升級以支持EPS Fallback方案。如果采用HTTP Proxy組網，可能會涉及對現網DRA信令網進行能力升級。
第二，對支撐系統的能力需求：部署MANO，包括VIM、VNFM及NFVO的建設，VNFM部署通常采用與5GC網元同一設備廠家。EMS是VNF業務網絡管理系統，網管EMS應按北向接口接入上級綜合網管系統。同時，需對現有計費系統及業務開通系統進行升級改造，以支撐4G用戶向5G網絡遷移。此外，需評估分析5G對現有其他支撐系統（如綜合網管、信令監測系統、安全系統等）的影響，制定合理的系統升級改造方案。
