隨著5G商用的全面開啟，如何構(gòu)建高質(zhì)量、強(qiáng)健的網(wǎng)絡(luò)成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是5G核心網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)策略，更是直接關(guān)系到5G網(wǎng)絡(luò)的后續(xù)發(fā)展。與此同時，如何促進(jìn)5G和工業(yè)、交通等行業(yè)融合，“孵化”能夠顛覆傳統(tǒng)生產(chǎn)和生活方式的“殺手級”應(yīng)用，也成為業(yè)界研究和探索的重點(diǎn)。

5G時代，海量的智能終端將會接入網(wǎng)絡(luò)。面對以自動駕駛為代表的超低時延業(yè)務(wù)，以智慧城市、智慧家庭為代表的超大連接業(yè)務(wù)和以AR/VR為代表的超高帶寬業(yè)務(wù)等應(yīng)用場景，現(xiàn)有核心網(wǎng)已無法滿足未來多場景接入和業(yè)務(wù)的多樣性需求。為此， 5GC（5G核心網(wǎng)）系統(tǒng)引入了一系列新技術(shù)，包括NFV、服務(wù)化架構(gòu)（SBA）、C/U分離、網(wǎng)絡(luò)切片以及MEC等來實(shí)現(xiàn)及支撐各種新業(yè)務(wù)場景，為未來面向各行各業(yè)的海量應(yīng)用落地奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

5G核心網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)3GPP規(guī)范，5G核心網(wǎng)采用服務(wù)化架構(gòu)（SBA）設(shè)計(jì)，虛擬化方式實(shí)現(xiàn)。

5G核心網(wǎng)控制平面功能采用基于服務(wù)的設(shè)計(jì)理念，來描述控制面網(wǎng)絡(luò)功能和接口交互，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的服務(wù)注冊、發(fā)現(xiàn)和認(rèn)證等功能。服務(wù)化架構(gòu)下，控制平面的功能既可以是服務(wù)的生產(chǎn)者（Producer），也可以是服務(wù)的消費(fèi)者（Consumer），消費(fèi)者要訪問生產(chǎn)者的服務(wù)時，必須使用生產(chǎn)者提供的統(tǒng)一接口來進(jìn)行訪問。

采取服務(wù)化（SBA）設(shè)計(jì)，可以提高功能的重用性，簡化業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)，優(yōu)化參數(shù)傳遞效率，提高網(wǎng)絡(luò)控制功能的整體靈活性。同一種NF可以被多種NF調(diào)用，從而降低NF之間接口定義的耦合度，最終實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)功能的按需定制，支持不同的業(yè)務(wù)場景和需求。

5G核心網(wǎng)的關(guān)鍵特性包括：一、控制面采用服務(wù)化架構(gòu)（SBA），接口統(tǒng)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(kuò)容；三、采用虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，計(jì)算和存儲資源動態(tài)分配；四、支持網(wǎng)絡(luò)切片，靈活快速按需部署網(wǎng)絡(luò)；五、支持MEC，有利于低時延、高帶寬等創(chuàng)新型業(yè)務(wù)的部署。

5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

圖1：5G核心網(wǎng)C/U分離架構(gòu)。

5G核心網(wǎng)擁有五大關(guān)鍵技術(shù)，分別是C/U分離、網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算、虛擬化技術(shù)以及語音業(yè)務(wù)方案。

C/U分離

現(xiàn)有移動核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備既包含流量轉(zhuǎn)發(fā)功能，也包括部分控制功能（信令處理和業(yè)務(wù)處理），控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能之間是緊耦合關(guān)系。5G核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了控制與轉(zhuǎn)發(fā)的徹底分離，網(wǎng)絡(luò)向控制功能集中化和轉(zhuǎn)發(fā)功能分布化的趨勢演進(jìn)，如圖1所示。

控制和轉(zhuǎn)發(fā)功能分離后，控制面采用邏輯集中的方式實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的策略控制，保證靈活的移動流量調(diào)度和連接管理，同時減少了北向接口，增強(qiáng)了南向接口可擴(kuò)展性。轉(zhuǎn)發(fā)面將專注于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，具有簡單、穩(wěn)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(yè)務(wù)場景需求。

網(wǎng)絡(luò)切片

5G網(wǎng)絡(luò)需同時支持eMBB、uRLLC、mMTC等完全不同的業(yè)務(wù)場景，但實(shí)際上很難用一張統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)來滿足所有業(yè)務(wù)千差萬別的需求。為此，網(wǎng)絡(luò)切片的概念應(yīng)運(yùn)而生。

網(wǎng)絡(luò)切片是5G網(wǎng)絡(luò)的重要使能技術(shù)，基于網(wǎng)絡(luò)切片方案來滿足不同業(yè)務(wù)類型、業(yè)務(wù)場景以及垂直行業(yè)的特定需求。網(wǎng)絡(luò)切片就是利于虛擬化技術(shù)，在統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上，虛擬出多個不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)，來分別滿足不同的業(yè)務(wù)/用戶需求。網(wǎng)絡(luò)可按不同的業(yè)務(wù)、客戶群等多種維度來切分。網(wǎng)絡(luò)切片是端到端的邏輯子網(wǎng)，涉及核心網(wǎng)、無線接入網(wǎng)、IP承載網(wǎng)和傳送網(wǎng)，需要多領(lǐng)域的協(xié)同配合。不同的網(wǎng)絡(luò)切片之間可共享資源也可以相互隔離。3GPP定義的網(wǎng)絡(luò)切片管理功能包括通信業(yè)務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)切片管理、網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理。

邊緣計(jì)算

MEC（移動邊緣計(jì)算）通過將計(jì)算存儲能力與業(yè)務(wù)服務(wù)能力向網(wǎng)絡(luò)邊緣遷移，使應(yīng)用、服務(wù)和內(nèi)容可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)用場景的業(yè)務(wù)需求。5G將MEC理念和需求融入架構(gòu)設(shè)計(jì)中，從網(wǎng)絡(luò)層面支持MEC（業(yè)務(wù)層面在ETSI定義）。

流量識別和本地分流：5GC識別本地流量和業(yè)務(wù)，選擇UPF并將用戶流量路由到本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)的App。

會話和業(yè)務(wù)連續(xù)性：在用戶或AF發(fā)生移動或遷移時保持業(yè)務(wù)和會話的連續(xù)性。

用戶面選擇和重選：根據(jù)AF的要求或其他策略實(shí)施用戶面的選擇或重選。

網(wǎng)絡(luò)能力開放：5GC和AF通過NEF進(jìn)行交互實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)功能的調(diào)用。

QoS和計(jì)費(fèi)：PCF為本地流量提供QoS控制和計(jì)費(fèi)規(guī)則。

MEC使得運(yùn)營商和第三方業(yè)務(wù)可以部署在靠近用戶接入的位置，通過降低時延和負(fù)荷來實(shí)現(xiàn)高效的業(yè)務(wù)分發(fā)，節(jié)省傳輸帶寬，降低運(yùn)營成本，改善用戶體驗(yàn)，加速創(chuàng)新型業(yè)務(wù)的開發(fā)和部署。

虛擬化技術(shù)

5GC虛擬化方式主要包括虛機(jī)、虛機(jī)容器以及裸容器。

虛機(jī)方式標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)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(shù)資源利用率高、啟動快（秒級）、彈性擴(kuò)縮容快（秒級），但是隔離性弱、安全風(fēng)險(xiǎn)大，且生態(tài)系統(tǒng)不成熟、標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)度慢，目前在電信領(lǐng)域應(yīng)用并不成熟。

虛機(jī)容器方式介于兩者之間，實(shí)現(xiàn)難度小，但需要對MANO進(jìn)行改造以支持容器技術(shù)。

雖然5G核心網(wǎng)是原生云、微服務(wù)架構(gòu)，采用容器技術(shù)來部署核心網(wǎng)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(shè)初期采用虛機(jī)或虛機(jī)容器方式，積累虛擬化經(jīng)驗(yàn)。

語音業(yè)務(wù)方案

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，迅速實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)覆蓋難度較大，為避免頻繁切換，保持語音連續(xù)性，5G初期建議使用EPS Fallback方案回落到4G，提供VoLTE語音業(yè)務(wù)。后期當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能全面提升時，逐步演進(jìn)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(xù)覆蓋場景，其呼叫建立時延比VoLTE更短，QoS保障也優(yōu)于VoLTE。

5G核心網(wǎng)建設(shè)策略

建設(shè)思路

5GC網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)關(guān)注以下幾方面：

一、4G與5G網(wǎng)絡(luò)將長期并存、有效協(xié)同。考慮到與EPC網(wǎng)絡(luò)的互操作，5GC部分網(wǎng)元需要與EPC網(wǎng)元合設(shè)。

二、5GC采用全新SBA架構(gòu)，網(wǎng)元及接口數(shù)量顯著增加、標(biāo)準(zhǔn)成熟時間也不一致。為此，5GC網(wǎng)元需要基于業(yè)務(wù)需求、規(guī)范及設(shè)備的成熟度分階段部署。

三、5GC原生支持NFV，因此5GC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用云化方式部署，實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一編排、靈活共享。

四、5G核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了徹底的C/U分離，控制面、用戶面網(wǎng)元按需獨(dú)立建設(shè)。

五、5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，采用EPS Fallback方式回落4G網(wǎng)絡(luò)，提供VoLTE語音業(yè)務(wù)。

組網(wǎng)方式

對于5GC組網(wǎng)，可以采用大區(qū)集中與分省部署兩種方式。

第一，大區(qū)集中式組網(wǎng)。5GC控制面網(wǎng)元（包括SMF、NRF、PCF、UDM、AUSF、NSSF等）主要集中部署在大區(qū)DC中心，負(fù)責(zé)多個省的5G業(yè)務(wù)，省層面部署5GC控制面網(wǎng)元AMF。用戶面網(wǎng)元UPF基于業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，部署在大區(qū)、省、地市和區(qū)縣層面（見圖2）。

大區(qū)集中組網(wǎng)架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)集約化運(yùn)維管理，資源利用率高，但與現(xiàn)網(wǎng)組網(wǎng)方式差異較大，導(dǎo)致方案比較復(fù)雜，同時對容災(zāi)要求也高。

第二，分省組網(wǎng)。集團(tuán)層面只部署業(yè)務(wù)、信令路由/尋址網(wǎng)元（骨干NRF和骨干NSSF等），5GC控制面網(wǎng)元部署在各省DC中心。用戶面網(wǎng)元UPF基于業(yè)務(wù)應(yīng)用場景，部署在省、地市和區(qū)縣層面。

分省組網(wǎng)架構(gòu)可以沿用現(xiàn)有運(yùn)維管理模式及經(jīng)驗(yàn)，各省可靈活開展業(yè)務(wù)，但資源利用率相對較低。

網(wǎng)元部署

（1）分層部署

5GC控制面網(wǎng)元的部署遵循虛擬化、大容量、少局所、集中化原則，應(yīng)至少設(shè)置在兩個異局址機(jī)房，進(jìn)行地理容災(zāi)。用戶面網(wǎng)元按業(yè)務(wù)需求進(jìn)行分層部署，比如：設(shè)置在省層面，滿足VoLTE等業(yè)務(wù)需求；設(shè)置在本地網(wǎng)層面，滿足互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求；設(shè)置在邊緣，滿足MEC業(yè)務(wù)高帶寬、低時延需求。

（2）4G/5G協(xié)同

5GC部分網(wǎng)元需具備4G網(wǎng)元功能以實(shí)現(xiàn)與4G網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)路由的迂回。

（3）分階段引入

由于5GC各網(wǎng)元標(biāo)準(zhǔn)成熟時間不一致，因此需要基于業(yè)務(wù)需求、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及設(shè)備的成熟度分階段部署。初期網(wǎng)絡(luò)建設(shè)僅部署5GC商用必需的網(wǎng)元，包括控制面網(wǎng)元AMF、SMF、NRF、PCF、NSSF、UDM、AUSF、BSF等，用戶面網(wǎng)元UPF。

在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中后期，結(jié)合業(yè)務(wù)需求、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展及設(shè)備成熟度適時引入其他5GC網(wǎng)元，主要包括NEF（提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)能力開放）、UDSF（非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲功能）、SEPP（用于5G用戶國際漫游，與他網(wǎng)運(yùn)營商5G互通）、SMSF（用于為5G單模終端-物聯(lián)網(wǎng)終端提供NAS短信服務(wù)）、N3IWF（非3GPP接入的互操作網(wǎng)關(guān)）、NWDAF（網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)分析功能）等網(wǎng)元。

（4）容災(zāi)備份

5GC網(wǎng)絡(luò)采用三級容災(zāi)備份機(jī)制：VNF組件備份（類似傳統(tǒng)設(shè)備的板卡備份）、網(wǎng)元備份、資源池備份。通過三級容災(zāi)備份機(jī)制提高5GC網(wǎng)絡(luò)整體可靠性。

5GC各網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署在核心節(jié)點(diǎn)城市的兩個及以上DC機(jī)樓，實(shí)現(xiàn)了地理容災(zāi)。

資源池建設(shè)方案

不同于2G、3G、4G移動核心網(wǎng)，5GC原生支持NFV技術(shù)，5GC網(wǎng)絡(luò)NFVI資源池建設(shè)應(yīng)考慮以下方面。

首先，NFVI資源池的選擇。5G核心網(wǎng)控制面網(wǎng)元應(yīng)部署在核心云NFVI。核心云通常覆蓋大區(qū)、省級機(jī)房和部分城域網(wǎng)核心機(jī)房。5GC用戶面網(wǎng)元UPF結(jié)合應(yīng)用場景部署在核心云或邊緣云。邊緣云覆蓋地市、區(qū)縣等機(jī)房。

對于邊緣云承載5GC網(wǎng)元UPF，在某些場景下會受限于機(jī)房環(huán)境，對NFVI硬件設(shè)備數(shù)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(shè)備。

其次，NFVI資源池內(nèi)部組網(wǎng)。資源池內(nèi)部組網(wǎng)采用Leaf-Spine架構(gòu)，從設(shè)備、端口到鏈路進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。

匯聚交換機(jī)EOR負(fù)責(zé)NFVI資源池內(nèi)跨機(jī)柜流量的互通，以及資源池同外部網(wǎng)絡(luò)的連接。EOR間采用堆疊技術(shù)提高鏈路冗余。接入交換機(jī)TOR負(fù)責(zé)匯聚機(jī)柜內(nèi)服務(wù)器和存儲設(shè)備的流量。TOR間采用堆疊技術(shù)。堆疊端口配置鏈路聚合，保證流量的負(fù)載均衡。

服務(wù)器和存儲設(shè)備端口應(yīng)配置聚合，通過雙上聯(lián)冗余設(shè)計(jì)連接到不同TOR，支持負(fù)載分擔(dān)或主備模式，避免網(wǎng)口的單點(diǎn)故障。

根據(jù)流量功能和作用的不同，NFVI內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)可分為四類平面：一、業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)平面：承載5G網(wǎng)元的業(yè)務(wù)流量；二、存儲網(wǎng)絡(luò)平面：用于NFVI內(nèi)存儲數(shù)據(jù)的互聯(lián)；三、VIM管理平面：承載VIM各組件間的API交互流量、以及相關(guān)控制信息；四、OAM平面：主要包括PXE、OAM硬件管理等用途。PXE網(wǎng)絡(luò)用于操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程安裝、引導(dǎo)及升級。OAM網(wǎng)絡(luò)主要用于承載遠(yuǎn)程監(jiān)控NFVI的網(wǎng)管流量。

周邊網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)建設(shè)

引入5G網(wǎng)絡(luò)，會對周邊網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)帶來建設(shè)改造需求，具體體現(xiàn)在兩個方面。

第一，對相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的能力需求：4G與5G網(wǎng)絡(luò)互操作需要對現(xiàn)網(wǎng)EPC網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能力升級。5G用戶的語音業(yè)務(wù)需要對現(xiàn)網(wǎng)VoLTE IMS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行能力升級以支持EPS Fallback方案。如果采用HTTP Proxy組網(wǎng)，可能會涉及對現(xiàn)網(wǎng)DRA信令網(wǎng)進(jìn)行能力升級。

第二，對支撐系統(tǒng)的能力需求：部署MANO，包括VIM、VNFM及NFVO的建設(shè)，VNFM部署通常采用與5GC網(wǎng)元同一設(shè)備廠家。EMS是VNF業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，網(wǎng)管EMS應(yīng)按北向接口接入上級綜合網(wǎng)管系統(tǒng)。同時，需對現(xiàn)有計(jì)費(fèi)系統(tǒng)及業(yè)務(wù)開通系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，以支撐4G用戶向5G網(wǎng)絡(luò)遷移。此外，需評估分析5G對現(xiàn)有其他支撐系統(tǒng)（如綜合網(wǎng)管、信令監(jiān)測系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等）的影響，制定合理的系統(tǒng)升級改造方案。

圖2：大區(qū)集中組網(wǎng)架構(gòu)。

總工點(diǎn)評：

當(dāng)前，5G商用時代全面開啟。從整個產(chǎn)業(yè)上看，5G技術(shù)日趨成熟，相關(guān)系統(tǒng)、芯片、終端等產(chǎn)品基本達(dá)到商用水平。與此同時，我國的電信運(yùn)營商也在積極推進(jìn)5G商用，陸續(xù)發(fā)布了各自的5G部署計(jì)劃，并與垂直行業(yè)開展了深度合作，尤其是圍繞工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等重點(diǎn)領(lǐng)域，合力推進(jìn)5G應(yīng)用發(fā)展。面對未來美好的應(yīng)用前景，特別是基于5G萬物互聯(lián)時代的開啟，如何推進(jìn)5G核心網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，如何構(gòu)建更加強(qiáng)健的網(wǎng)絡(luò)是探索的重點(diǎn)。