5G 核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究

陳 峰，譚亞運(yùn)，畢以峰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，南京 210000）

1 5G 核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

1.1 架構(gòu)呈現(xiàn)模式

5G 核心網(wǎng)絡(luò)可以借助控制轉(zhuǎn)發(fā)的方式對(duì)架構(gòu)開(kāi)展分離工作，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理和會(huì)話管理的單獨(dú)運(yùn)行，并對(duì)用戶面上的承載概念進(jìn)行清除。通過(guò)直接對(duì)QOS 參數(shù)完成控制，利用不同的用戶面網(wǎng)元，在相同時(shí)間內(nèi)建設(shè)多種會(huì)話模式，并對(duì)差異性較大的控制面網(wǎng)加強(qiáng)統(tǒng)一管理，進(jìn)而對(duì)本地分流和遠(yuǎn)端流量實(shí)現(xiàn)一體化操作。5G 核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包含兩種模式：參考點(diǎn)模式與服務(wù)架構(gòu)模式，其中服務(wù)架構(gòu)模式較為常見(jiàn)，該模式能夠借助API 技術(shù)向控制面?zhèn)鬏斝帕?，通過(guò)常規(guī)的信令過(guò)程，確保多個(gè)消息在流程中同時(shí)存在，并利用API 技術(shù)對(duì)其完成封裝，為之后其他網(wǎng)元的訪問(wèn)過(guò)程奠定基礎(chǔ)。此外，服務(wù)化架構(gòu)可以借助創(chuàng)建隧道模式，在HTTP 協(xié)議中實(shí)現(xiàn)信令交互。

1.2 5G 核心網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)模型

1.2.1 注冊(cè)管理模型

在5G 核心網(wǎng)絡(luò)的定義下主要包含兩種注冊(cè)管理模式，分別為AMF 和UE，即移動(dòng)和接入管理注冊(cè)狀態(tài)。對(duì)于UE 的不同接入情況，注冊(cè)管理上下文具有差異性。AMF 所分配的RM 上下文是非3GPP、3GPP 一同使用的臨時(shí)性身份標(biāo)識(shí)，此標(biāo)識(shí)具有惟一性，而其他上下文包含：接入類型注冊(cè)區(qū)域、接入類型注冊(cè)狀態(tài)、注冊(cè)周期性計(jì)時(shí)器、Non-3GPP 注冊(cè)隱式定時(shí)器等[1]。同時(shí)，非3GPP、3GPP 的注冊(cè)區(qū)域是相互獨(dú)立的，UE 能夠借助3GPP 中的側(cè)觸發(fā)處對(duì)非3GPP 側(cè)完成注冊(cè)工作。

1.2.2 連接管理模型

在5G 核心網(wǎng)絡(luò)中的兩種連接管理模式主要對(duì)AMF和UE 通過(guò)N1接口進(jìn)行信令連接，兩種狀態(tài)分別為連接態(tài)和空閑態(tài)。其中，連接態(tài)是指UE 中AMF 與AN 之間建立N2連接后，使網(wǎng)絡(luò)快速進(jìn)入連接狀態(tài)；空閑態(tài)是在AMF 與UE 之間，不進(jìn)行N1接口的NAS 信令連接，同時(shí)也沒(méi)有UE 和N2、N3的連接。在此過(guò)程中，UE 可以完成PLMN、小區(qū)選擇、重選等過(guò)程，處于空閑態(tài)的AMF 能夠針對(duì)UE 實(shí)現(xiàn)尋呼，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行執(zhí)行。

2 5G 核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 服務(wù)型架構(gòu)

5G 核心網(wǎng)絡(luò)控制平面的形成主要通過(guò)吸取IT 系統(tǒng)中的服務(wù)化架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該模式可以針對(duì)傳統(tǒng)移動(dòng)核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行重組，并將原始的核心網(wǎng)網(wǎng)元?jiǎng)澐譃楠?dú)立的網(wǎng)絡(luò)功能模塊、輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)功能模塊。而服務(wù)化網(wǎng)絡(luò)功能相當(dāng)于5G 核心網(wǎng)絡(luò)功能，將自帶功能作為主服務(wù)，借助接口調(diào)用的方式為其他網(wǎng)絡(luò)模式提供服務(wù)；服務(wù)化接口則通過(guò)量級(jí)的接口協(xié)議，提升網(wǎng)絡(luò)的拓展性。需要注意的是，3GPP 中規(guī)定服務(wù)接口協(xié)議必須使用TCP。

2.2 控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離

目前運(yùn)營(yíng)商在4GEPC 核心網(wǎng)中的應(yīng)用網(wǎng)關(guān)是P-GW與S-GW 聯(lián)合設(shè)備，進(jìn)而構(gòu)建ServingArea 全覆蓋型業(yè)務(wù)[2]。在此模式中，從用戶方發(fā)出移動(dòng)互聯(lián)請(qǐng)求業(yè)務(wù)后，會(huì)借助eNodeB 使運(yùn)營(yíng)商接入IP 承載網(wǎng)。在省會(huì)區(qū)域完成業(yè)務(wù)流量匯集后，可以提升用戶訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的效率。在5G 核心網(wǎng)絡(luò)中利用控制平面和用戶平面實(shí)現(xiàn)架構(gòu)分離，便于在省會(huì)區(qū)域?qū)W(wǎng)絡(luò)控制平面的功能進(jìn)行集中分配部署，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)平面中的資源完成科學(xué)調(diào)配。此外，以用戶平面模塊層面分析，該部分可以依據(jù)具體需求通過(guò)集中形式和分布形式，對(duì)資源進(jìn)行部署。若用戶平面功能下沉到DC 邊緣，可以對(duì)區(qū)域流量完成分流，進(jìn)而縮短端和端之間的時(shí)延性。

2.3 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化與切片

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)屬于5G 核心網(wǎng)絡(luò)中的重要技術(shù)，能夠靈活實(shí)現(xiàn)多種業(yè)務(wù)類型和場(chǎng)景，并結(jié)合具體的需求制定網(wǎng)絡(luò)模塊。在5G 核心網(wǎng)絡(luò)中主要借助SDN 技術(shù)，解耦核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)功能和硬件平臺(tái)，生成多種功能模塊，進(jìn)而生成具有特殊性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)切片結(jié)構(gòu)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)切片還包含核心網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片之間可以實(shí)現(xiàn)多層次資源共享。在核心網(wǎng)絡(luò)中分為用戶平面和控制平面，其中控制平面的架構(gòu)屬于服務(wù)化架構(gòu)；用戶平面中的架構(gòu)形式可以借助轉(zhuǎn)發(fā)性能完成科學(xué)調(diào)整和選擇。在接入無(wú)線網(wǎng)后，若想確保系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不會(huì)受到影響，需要將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)切片與DU 分層架構(gòu)相結(jié)合，通過(guò)虛擬化技術(shù)，分享基礎(chǔ)設(shè)施資源。此外，需要對(duì)空口時(shí)頻資源完成科學(xué)應(yīng)用，利用對(duì)應(yīng)幀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行自動(dòng)化、智能化調(diào)度，并借助多種參數(shù)重新配置網(wǎng)絡(luò)功能，獲取不同的切片模式。而網(wǎng)絡(luò)切片管理功能可以對(duì)切片完成編排，將其中的SLA 劃分為多個(gè)子網(wǎng)SLA，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)切片需求的相互對(duì)應(yīng)。

2.4 邊緣計(jì)算技術(shù)

邊緣計(jì)算又稱EC，使第三方業(yè)務(wù)平臺(tái)和運(yùn)營(yíng)商對(duì)UE 附著接入點(diǎn)完成部署，避免傳輸網(wǎng)的負(fù)載和端至端的時(shí)延問(wèn)題，提升網(wǎng)絡(luò)交付效率。5G 核心網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算功能包含以下內(nèi)容：通過(guò)5G 核心網(wǎng)對(duì)UFP 進(jìn)行選擇，進(jìn)而將用戶流量引至本地的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)保證業(yè)務(wù)和會(huì)話過(guò)程的連續(xù)性，對(duì)計(jì)費(fèi)和QoS 模塊具備兼容性。在5G 核心網(wǎng)中增加EMC 既可以規(guī)避E2E 的時(shí)延問(wèn)題，同時(shí)能夠優(yōu)化用戶的體驗(yàn)感，并借助本地泄流降低網(wǎng)絡(luò)成本以及回傳開(kāi)銷，加強(qiáng)互聯(lián)網(wǎng)-移動(dòng)網(wǎng)-EMC 之間的深層次融合。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，5G 核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展正逐漸趨于成熟，因此有必要加強(qiáng)對(duì)核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，構(gòu)建分布控制和集中控制相結(jié)合的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，優(yōu)化用戶網(wǎng)路通信的體驗(yàn)質(zhì)量，提升網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的信息傳輸效率，將網(wǎng)絡(luò)通信范圍拓展到全新的空間，滿足復(fù)雜化、多元化的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求。