5G獨(dú)立組網(wǎng)與非獨(dú)立組網(wǎng)部署方案分析

朱穎 楊思遠(yuǎn) 朱浩 王海梅 張晶

【摘? 要】5G階段移動(dòng)核心網(wǎng)引入新型架構(gòu)，對(duì)5G組網(wǎng)和4G/5G共存演進(jìn)產(chǎn)生影響。首先介紹了5G核心網(wǎng)架構(gòu)和組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化最新進(jìn)展，隨后對(duì)獨(dú)立組網(wǎng)和非獨(dú)立組網(wǎng)方案的差別進(jìn)行了分析，最后提出了5G部署初期獨(dú)立組網(wǎng)的部署方案。

【關(guān)鍵詞】5G核心網(wǎng);NFV;獨(dú)立組網(wǎng);非獨(dú)立組網(wǎng)

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.007? ? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）01-0040-06

引用格式：朱穎，楊思遠(yuǎn)，朱浩，等. 5G獨(dú)立組網(wǎng)與非獨(dú)立組網(wǎng)部署方案分析[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（1）： 40-45

Analysis on Deployment Schemes for 5G Standalone and

Non-Standalone Mode

ZHU Ying， YANG Siyuan， ZHU Hao， WANG Haimei， ZHANG Jing

（China Academy of Information & Communication Technology， Beijing 100089， China）

[Abstract]?The introduction of new architecture into the core network has impacts on both the evolution of 5G networks and the coexistence between 4G and 5G. Firstly， the latest advances of 5G core network architecture and networking standardization are elaborated. Then， the difference between the standalone and non-standalone scheme is analyzed. Finally， the standalone deployment scheme at the early stage of 5G is presented.

[Key words]5GC; NFV; SA; NSA

1? ? 引言

隨著5G標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，商用部署提上議程，5G愿景中所描繪的未來美好的全社會(huì)信息化生活正在從暢想走向現(xiàn)實(shí)。相對(duì)于傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)換代時(shí)聚焦于人的信息服務(wù)能力的縱向提高，5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向?qū)θ鐣?huì)信息互聯(lián)需求的全面廣度覆蓋，旨在構(gòu)建萬物互聯(lián)的信息基礎(chǔ)設(shè)施。

作為無線接入和業(yè)務(wù)應(yīng)用的控制中介及轉(zhuǎn)發(fā)樞紐，5G核心網(wǎng)引入全新設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)廣域化、個(gè)性化業(yè)務(wù)需求的全覆蓋。5GC原生支持云化架構(gòu)，采用基于服務(wù)的架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)支持更廣泛的接入、更靈活的控制和轉(zhuǎn)發(fā)以及更友好的能力開放。5GC與NFV基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合，為普通消費(fèi)者、應(yīng)用提供商和垂直行業(yè)需求方提供網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算等新型業(yè)務(wù)能力。5GC將從4G核心網(wǎng)（EPC）傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)接入管道轉(zhuǎn)型為社會(huì)綜合信息化的賦能者。

然而，標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)僅僅是漫長(zhǎng)部署轉(zhuǎn)型工作的起點(diǎn)，5G組網(wǎng)面臨CT和IT相融合的挑戰(zhàn)。此外，為了搶占5G首發(fā)的先機(jī)，部分國(guó)外運(yùn)營(yíng)商在5G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃時(shí)即提出了基于EPC的非獨(dú)立組網(wǎng)方案。多組網(wǎng)選項(xiàng)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)向虛擬化、服務(wù)化的目標(biāo)架構(gòu)演進(jìn)產(chǎn)生影響。因此，需要在5G部署初期加強(qiáng)針對(duì)獨(dú)立組網(wǎng)與非獨(dú)立組網(wǎng)部署方案的研究，提出可行的5GC演進(jìn)部署技術(shù)路線，兼顧當(dāng)前業(yè)務(wù)迫切需求和網(wǎng)絡(luò)適當(dāng)超前發(fā)展的平衡。

本文將對(duì)5G核心網(wǎng)架構(gòu)和組網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展進(jìn)行介紹，在考慮NFV建設(shè)因素的條件下，對(duì)基于EPC的非獨(dú)立組網(wǎng)和基于5GC的獨(dú)立組網(wǎng)方案進(jìn)行對(duì)比，明確獨(dú)立組網(wǎng)方案面臨的挑戰(zhàn)，在此基礎(chǔ)上給出5GC部署方案和實(shí)施步驟建議。

2? ?基于服務(wù)的5G核心網(wǎng)架構(gòu)

作為連接萬物、賦能業(yè)務(wù)的社會(huì)化信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要環(huán)節(jié)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在5G階段實(shí)現(xiàn)架構(gòu)、功能和平臺(tái)的全面重構(gòu)，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(yùn)營(yíng)能力。與技術(shù)升級(jí)相配合，5G階段全球運(yùn)營(yíng)商同步推進(jìn)從網(wǎng)絡(luò)提供商向綜合信息服務(wù)提供商的轉(zhuǎn)型，致力于為全社會(huì)各行業(yè)信息化需求提供創(chuàng)新應(yīng)用和定制化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

3GPP（3rd Generation Partnership Project，3G伙伴項(xiàng)目）于2018年6月發(fā)布第一個(gè)獨(dú)立組網(wǎng)5G標(biāo)準(zhǔn)。3GPP計(jì)劃通過R15和R16兩個(gè)版本的標(biāo)準(zhǔn)滿足ITU IMT-2020全部需求，其中R15為5G基礎(chǔ)版本，重點(diǎn)支持增強(qiáng)移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)和基本的低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)，R16為5G增強(qiáng)版本，將支持更豐富的物聯(lián)網(wǎng)和低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)。

R15版本核心網(wǎng)引入IT的“微服務(wù)”理念[1]。如圖1所示，系統(tǒng)架構(gòu)中的元素被定義為一些由服務(wù)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)功能，這些功能可以被部署在任何合適的地方，通過統(tǒng)一的接口調(diào)用框架為其它許可的網(wǎng)絡(luò)功能提供服務(wù)。這種架構(gòu)模式采用模塊化、可重用性和自包含原則來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)功能，使得運(yùn)營(yíng)商部署網(wǎng)絡(luò)時(shí)能充分利用最新的虛擬化和軟件技術(shù)，以細(xì)粒度的方式更新網(wǎng)絡(luò)的任一服務(wù)組件，或?qū)⒉煌姆?wù)組件聚合起來構(gòu)建服務(wù)切片。

5GC實(shí)現(xiàn)徹底的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離。控制平面方面，5GC可提供異構(gòu)接入技術(shù)統(tǒng)一的接入、安全和簽約管理服務(wù)框架;可根據(jù)不同的移動(dòng)性、會(huì)話服務(wù)質(zhì)量和策略控制要求提供定制化的功能和業(yè)務(wù)流程。5GC控制平面接口協(xié)議設(shè)計(jì)將以HTTP為基礎(chǔ)，便于運(yùn)營(yíng)商自有或第三方網(wǎng)絡(luò)服務(wù)開發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)平面方面，5GC支持業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的智能分流，實(shí)現(xiàn)邊緣、數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算節(jié)點(diǎn)間按需互聯(lián)。此外，基于數(shù)據(jù)計(jì)算和存儲(chǔ)相互分離的思想，5GC還引入實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可選功能，并為任意控制面網(wǎng)絡(luò)功能提供上下文檢索功能。

目前，3GPP系統(tǒng)架構(gòu)工作（SA2）已經(jīng)全面展開R16的標(biāo)準(zhǔn)化工作，預(yù)計(jì)在2019年6月凍結(jié)。R16重點(diǎn)項(xiàng)目包括：物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、低時(shí)延高可靠場(chǎng)景，以及面向垂直行業(yè)的架構(gòu)增強(qiáng)、大數(shù)據(jù)/AI賦能網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化和增強(qiáng)微服務(wù)化架構(gòu)等。5G核心網(wǎng)將沿著服務(wù)化和云化的方向演進(jìn)，容納更廣泛的接入場(chǎng)景，與垂直行業(yè)需求深度融合，引入人工智能等新的使能技術(shù)，推動(dòng)信息化社會(huì)從“萬物互聯(lián)”邁向“萬物智聯(lián)”。

全面虛擬化、網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算以及靈活的業(yè)務(wù)支持是業(yè)界對(duì)完整5G系統(tǒng)的功能期望，也是移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展新機(jī)會(huì)。但當(dāng)前4G移動(dòng)數(shù)據(jù)流量爆發(fā)對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量和業(yè)務(wù)模式的沖擊，不同運(yùn)營(yíng)商頻譜資源、5G定位和部署計(jì)劃的差異，使得一些運(yùn)營(yíng)商希望利用現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)，在成熟業(yè)務(wù)領(lǐng)域及早啟動(dòng)5G商用組網(wǎng)，獲得領(lǐng)先地位。

3? ?5G組網(wǎng)進(jìn)展綜述

3GPP標(biāo)準(zhǔn)分階段支持多種5G組網(wǎng)架構(gòu)[2]，具體可以分為三個(gè)子階段，如圖2所示。

第一個(gè)子階段為2017年12月完成的基于EPC的非獨(dú)立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（option3），此版本只引入5G新空口（NR），控制面錨定在4G基站（LTE）側(cè)。EPC擴(kuò)展接入、簽約和計(jì)費(fèi)功能支持NR接入，用戶面利用NR和LTE雙連接提升熱點(diǎn)帶寬容量，增強(qiáng)移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)能力。

第二子階段為2018年6月完成基于5GC可獨(dú)立組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（option2），此版本采用端到端5G系統(tǒng)，含5G基站和服務(wù)化架構(gòu)的5GC，并通過N26接口實(shí)現(xiàn)與EPC的互操作。此架構(gòu)提供支持增強(qiáng)移動(dòng)寬帶和基礎(chǔ)低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)的能力，提供網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算新功能。

第三個(gè)子階段旨在支持更多基于5GC的組網(wǎng)方案，為運(yùn)營(yíng)商提供更多選擇。其中，option4在option2的基礎(chǔ)上，借助增強(qiáng)LTE（eLTE）空口實(shí)現(xiàn)用戶面與NR的雙連接能力;option5是獨(dú)立組網(wǎng)方案，支持eLTE接入5GC;option7要求eLTE接入5GC互連，NR空口仍作為從站（SeNB）。子階段三標(biāo)準(zhǔn)化工作計(jì)劃在2019年3月份凍結(jié)。

如圖3所示，5GC支持各種接入技術(shù)，作為目標(biāo)架構(gòu)的演進(jìn)方向已經(jīng)成為全球業(yè)界的共識(shí)。然而，在5G部署初期，選擇獨(dú)立組網(wǎng)（option2）或是非獨(dú)立組網(wǎng)方案（option3），如何實(shí)現(xiàn)4G系統(tǒng)與5G系統(tǒng)共存和平滑演進(jìn)，需要運(yùn)營(yíng)商從業(yè)務(wù)技術(shù)創(chuàng)新節(jié)奏、商用部署復(fù)雜度和現(xiàn)網(wǎng)成本保護(hù)等方面進(jìn)行綜合評(píng)估。

4? ?NSA和SA部署方案對(duì)比

初期5G組網(wǎng)方案在核心網(wǎng)方面有兩種選擇：一是升級(jí)現(xiàn)網(wǎng)EPC支持非獨(dú)立組網(wǎng)的option3部署架構(gòu);二是新建5GC，支持獨(dú)立組網(wǎng)option2方案，推動(dòng)架構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施的跨越發(fā)展。需要特別指出，5G網(wǎng)絡(luò)部署正好與NFV平臺(tái)建設(shè)相重疊，因此5G組網(wǎng)方案進(jìn)一步展開為：

（1）利用傳統(tǒng)硬件，升級(jí)EPC軟件支持非獨(dú)立組網(wǎng)的option3部署架構(gòu);

（2）升級(jí)虛擬化vEPC，支持非獨(dú)立組網(wǎng)的option3部署架構(gòu);

（3）新建5GC，支持獨(dú)立組網(wǎng)option2部署架構(gòu)。

綜上所述，非獨(dú)立組網(wǎng)無法提供完整的5G能力，與未來網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)架構(gòu)不兼容，表面上能占據(jù)首發(fā)的先機(jī)，但失去的可能是4G現(xiàn)網(wǎng)穩(wěn)定性和5G新興市場(chǎng)機(jī)會(huì)。與之相對(duì)，獨(dú)立組網(wǎng)方案是運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和業(yè)務(wù)能力的跨越式發(fā)展，全面滿足萬物互聯(lián)的5G愿景，信息基礎(chǔ)設(shè)施的適當(dāng)超前發(fā)展有利于推動(dòng)5G全產(chǎn)業(yè)生態(tài)的成熟。

從目前發(fā)布的商用計(jì)劃來看，除了極個(gè)別運(yùn)營(yíng)商選擇用5G做增強(qiáng)的固定無線接入系統(tǒng)外，全球大部分運(yùn)營(yíng)商都選擇了“云化組網(wǎng)→EPC升級(jí)→5GC”的演進(jìn)路線。以中國(guó)移動(dòng)為代表的中國(guó)運(yùn)營(yíng)商集團(tuán)率先提出面向5GC獨(dú)立組網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃[3]，從頭開始規(guī)劃端到端完整的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，探索技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)相融共進(jìn)的道路。

5? ?5G獨(dú)立組網(wǎng)部署推進(jìn)步驟建議

在5G商用有限的時(shí)間窗口期內(nèi)，完成獨(dú)立組網(wǎng)所需的基礎(chǔ)設(shè)施云化改造、5GC服務(wù)化架構(gòu)部署、4G/5G兼容共存以及網(wǎng)絡(luò)配套系統(tǒng)改造是重大的挑戰(zhàn)，需要全產(chǎn)業(yè)界堅(jiān)定信心，合理規(guī)劃和持續(xù)推進(jìn)。

5G獨(dú)立組網(wǎng)實(shí)施從時(shí)間上大體上分為兩個(gè)階段，如圖4所示，2018年到2020年為電信云建設(shè)階段，完成數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)、NFV系統(tǒng)集成以及5G系統(tǒng)概念和組網(wǎng)驗(yàn)證，保證5GC達(dá)到規(guī)模組網(wǎng)的功能要求;2020年以后為核心網(wǎng)融合部署階段，利用云平臺(tái)靈活部署和快速迭代的優(yōu)勢(shì)，持續(xù)性地上線新功能和新業(yè)務(wù)，促進(jìn)4G/5G融合。

（1）電信云建設(shè)階段重點(diǎn)完成電信網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施云化部署和5GC功能驗(yàn)證，NFV作為5G獨(dú)立組網(wǎng)的必要使能技術(shù)，需要先于5G組網(wǎng)完成部署，并不斷積累NFV平臺(tái)集成、業(yè)務(wù)管理與編排以及資源調(diào)度的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)移動(dòng)核心網(wǎng)業(yè)務(wù)，運(yùn)營(yíng)商可利用電信設(shè)備制造商開展初始階段的NFV平臺(tái)集成，收斂多廠家、多類別的軟硬件資源，支持軟硬件解耦甚至三層解耦能力，綜合利用加速方案提升信令處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能。

組網(wǎng)方面可采用“中心-邊緣”兩級(jí)數(shù)據(jù)中心的組網(wǎng)方案。中心級(jí)數(shù)據(jù)中心一般部署于大區(qū)或省會(huì)中心城市，主要用于承載全網(wǎng)集中部署的網(wǎng)絡(luò)功能，如網(wǎng)管/運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)與資源編排以及5GC控制面功能和互聯(lián)網(wǎng)出口網(wǎng)關(guān)等。邊緣級(jí)數(shù)據(jù)中心一般部署于地市級(jí)匯聚和接入局點(diǎn)，主要用于卸載本地業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，部署邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)和業(yè)務(wù)平臺(tái)，以及特定業(yè)務(wù)切片的核心網(wǎng)功能。數(shù)據(jù)中心間通過SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)，Software Defined Network）控制器聯(lián)動(dòng)提供跨數(shù)據(jù)中心的靈活組網(wǎng)支持。

基于電信云，運(yùn)營(yíng)商可同步推進(jìn)EPC升級(jí)和5GC概念驗(yàn)證。EPC側(cè)重驗(yàn)證升級(jí)的控制/轉(zhuǎn)發(fā)平面分離架構(gòu)，并為非獨(dú)立組網(wǎng)做好必要的準(zhǔn)備。5GC重點(diǎn)驗(yàn)證新功能特性和接口協(xié)議，確定5GC部署初期必選功能、接口及業(yè)務(wù)流程，有針對(duì)性地開展面向商用的功能驗(yàn)證和性能加固工作，明確5GC業(yè)務(wù)功能與NFV平臺(tái)的對(duì)接方案。

（2）核心網(wǎng)融合部署階段的重點(diǎn)是完善5G核心網(wǎng)相關(guān)的配套系統(tǒng)建設(shè)，并實(shí)現(xiàn)4G/5G互操作，利用NFV平臺(tái)快速業(yè)務(wù)上線、靈活功能迭代的特性，運(yùn)營(yíng)商可以在部署初期上線一個(gè)較小規(guī)模的5G網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求和市場(chǎng)反饋，靈活選擇網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和功能，按需擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)4G/5G核心網(wǎng)共存、互操作和融合，最終達(dá)成5G融合核心網(wǎng)的架構(gòu)目標(biāo)。

在上一階段功能驗(yàn)證的基礎(chǔ)上開展5GC SA組網(wǎng)試驗(yàn)，并平滑過渡到規(guī)模組網(wǎng)。這一階段重點(diǎn)對(duì)5GC開展不同應(yīng)用場(chǎng)景下的架構(gòu)、功能和性能驗(yàn)證，包括MME和AMF間N26接口互操作方案、4G/5G功能合設(shè)方案、物理/虛擬化設(shè)備組池方案、5GC HTTP信令網(wǎng)建設(shè)方案和語音方案的選型和驗(yàn)證工作。

隨著5GC全面部署以及傳統(tǒng)設(shè)備規(guī)模的收縮，5G將逐步演進(jìn)至全云化融合核心網(wǎng)架構(gòu)，即EPC和5GC能夠部署在相同的基礎(chǔ)設(shè)施上，容納更多類型的接入技術(shù)，并在R16的服務(wù)框架下共享更多的公共服務(wù)，如路由、負(fù)載調(diào)度和統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)等，EPC和5GC的網(wǎng)元功能可以根據(jù)第三方對(duì)接入、轉(zhuǎn)發(fā)等綜合業(yè)務(wù)需求靈活編排，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)切片，滿足多樣化、復(fù)合型業(yè)務(wù)場(chǎng)景的接入和組網(wǎng)需求。

6? ?結(jié)論

在5G部署初期存在基于5GC的獨(dú)立組網(wǎng)和基于EPC的非獨(dú)立組網(wǎng)兩種方案，不同組網(wǎng)選項(xiàng)對(duì)5G商用能力和目標(biāo)架構(gòu)演進(jìn)存在影響。為實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和業(yè)務(wù)能力的跨越式發(fā)展，全面滿足萬物互聯(lián)的愿景，運(yùn)營(yíng)商宜完整規(guī)劃端到端5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，積極推動(dòng)5GC獨(dú)立組網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃落地，持續(xù)推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施云化轉(zhuǎn)型和5G核心網(wǎng)新架構(gòu)商用成熟，面向垂直行業(yè)拓展新業(yè)務(wù)模式，進(jìn)而促進(jìn)信息化社會(huì)從“萬物互聯(lián)”到“萬物智聯(lián)”的發(fā)展。

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[10] IMT-2020（5G）推進(jìn)組. 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)白皮書[S]. 2015.