5G核心網網絡架構及關鍵技術探索

紀佳琪

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

近20年來，我國通信事業實現了從2G跟隨、3G突破、4G同步到5G領跑的變化。與此同時，5G核心網絡功能升級展現出高效性、靈活性等特點，可以滿足更多行業在邏輯層面兩兩互聯的要求。基于此，探究5G核心網網絡架構及關鍵技術具有非常突出的現實意義。

1 5G核心網網絡架構

從宏觀上來看，5G網絡架構由接入網、承載網以及核心網3個部分組成，核心網由分離的網絡功能（Network Function，NF）組成[1]。NF之間的連接方式為總線，每一個網絡功能接口的對外呈現方式為應用程序編程接口（Application Programming Interface，API），可以滿足若干網絡功能調用。相較于傳統的點對點接口方式（基于專用接口的網元關聯模式）來說，API接口可便捷擴展，僅需將新的網絡功能掛接到總線上，整體靈活度更強。具體網絡功能單元連接情況以及網絡拓撲結構見圖1。

圖1 5G核心網網絡拓撲架構

如圖1所示，網絡開放功能（Network Exposure Function，NEF）是5G核心網服務化功能網元，負責向第三方、外部/內部應用功能、邊緣計算等開放3GPP網絡業務及能力。網絡存儲功能（NF Repository Function，NRF）是5G核心網服務化功能網元，負責業務功能發現等功能。策略控制功能（Policy Control Function，PCF）支持通過統一的策略框架對網絡行為進行管理，向控制平面提供規則。統一數據管理（Unified Data Management，UDM）負責統一數據管理，執行認證和密鑰協商鑒權流程、用戶標識處理、接入授權、注冊及移動性管理、訂閱管理等功能。應用功能（Application Function，AF）是為用戶提供具體業務應用的網元，負責與核心網交互提供業務，根據PCF控制策略進行策略控制。網絡切片選擇功能（Network Slice Selection Function，NSSF）是5G核心網的網絡切片網元，執行網絡切片實例選擇功能。鑒權服務功能（Authentication Server Function，AUSF）在5G核心網實施鑒權功能網元，向網絡功能提供用戶設備（User Equipment，UE）認證服務。接入移動管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）是5G核心網的接入管理及移動性管理網元，負責移動終端注冊、連接、可達性、移動性管理，提供接入鑒權、授權等功能。會話管理功能（Session Management Function，SMF）是5G核心網的會話管理網元，實現連接管理功能，包括接入結點與用戶面功能（User Plane Function，UPF）之間的連接建立、修改及通道維護。服務通信代理（Service Communication Proxy，SCP）負責為間接通信、委托發現、消息轉發提供支持。UPF是5G核心網的數據承載網元，負責分組路由和轉發、數據包檢查、用戶平面部分策略規則實施等功能。

2 5G核心網關鍵技術

2.1 SBA技術

服務化架構（Service Based Architecture，SBA）是5G核心網控制面建構的主要內容。相較于以往節點與節點之間層級交錯的拓撲網絡模式而言，基于SBA技術建構的架構可以隨機經接口擴展升級，確保網絡功能承擔體系相同，提供的網絡功能服務內容一致，且任意網絡功能故障管理實現智能化。SBA技術的核心主旨是以軟件服務重新構建5G核心網，實現各種網絡功能在5G核心網內的自動化組網、即插即用。根據3GPP規范TS 23.501中關于SBA理念的要求，構建5G核心網SBA架構[2]。在5G核心網SBA架構中，NF取代了傳統網元，傳統網元間接口也被服務之間操作所代替，組件化重用效率更高。利用N1、N2、N3、N4、N6、N9等功能體之間的參考點，可以靈活調用相對獨立的功能模塊，甚至重用微服務模塊。而基于HTTP的服務化接口（Service Based Interface，SBI）也可以同時滿足請求-響應、訂閱-發布通信需求，并以API的形式對外展示，最終形成兼具智能化與自動化的服務管理框架。

2.2 SCP技術

SCP是2019年3月R16版本3GPP規范新出現的5G核心網網元，從服務交互的通信類型來看，服務通信代理包括直接通信和間接通信兩種。其中直接通信是繞過服務通信代理路由的通信模式；而間接通信則是經過服務通信代理路由的方式，在此模式下，因服務功能、路由功能獨立存在，網絡功能服務需求者需以服務通信代理路由為中介進入網絡功能服務生產端，而網絡服務單元則致力于對應的服務功能達成。

網絡功能單元之間的服務交互通信模式又可細分為A、B、C、D。其中模式A、模式B均屬于直接通信，模式C、模式D則為間接通信。模式A不通過NRF或SCP，直接路由；模式B使用NRF服務進行發現；模式C使用NRF服務進行發現，選擇具體實例可以委托SCP，通過SCP路由；模式D將相關選擇發現任務委托給SCP，由SCP使用服務請求中的參數，通過SCP路由。

2.3 UPF技術

UPF是由控制與用戶面分離（Control and User Plane Separation，CUPS）技術演進而來的一種技術。CUPS技術是基于軟件定義網絡控制面與數據面分離思想構建的網絡構架，可以滿足5G網絡毫秒級低時延需求。在CUPS應用背景下，服務網關（Serving GateWay，SGW）和PDN網關（PDN Gateway，PGW）天然合一，Sxa、Sxb、N4接口共用報文轉發控制協議（Paoket Forwarding Control Protocol，PFCP）協議，可以同時滿足上行分流與移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）需求，并完成4G與5G的平滑切換。同時UPF技術彌補了CUPS技術的缺陷，可以突破CUPS技術在與核心網其他功能實體交互環節存在的限制，并基于服務軟件架構微服務理念，實現業務數據路由的無線接入以及移動封裝/解封裝。

2.4 NSSF技術

NSSF技術是一種網絡切片技術，可以通過標識一個網絡切片判定切片的服務類型，預期網絡切片行為。同時進入切片微分器，自動選擇信息補充切片服務類型，順利區分相同切片/服務類型，完成若干網絡切片。特別是在5G核心網絡內，NSSF技術可以借助網絡切片服務接口連接若干功能模塊，提供接入及移動性管理功能、網絡切片選擇服務。

3 5G核心網關鍵技術的應用要點

3.1 SBA技術應用要點

SBA技術是產生于節點高度集成、擴展升級困難、升級錯誤易造成網絡癱瘓背景的一種技術，強調借鑒IT系統服務化理念，以模塊形式推動網絡功能之間的耦合/解耦合，滿足解耦合后網絡服務的獨立演進、擴容以及部署要求。SBA技術應用的關鍵在于通過生產者、消費者之間的消息交互完成服務，可以簡化為Request-Response、Subscribe-Notify兩種模式。前一種模式中，網絡功能服務消費者需要向網絡功能服務生產者發送操作類、信息類特定網絡功能服務請求，網絡功能服務生產者則將相應處理結果反饋給網絡功能服務消費者；后一種模式中，網絡功能服務消費者需要將信息更改類、時間周期更新類訂閱網絡功能服務請求發送給網絡功能服務生產者，網絡功能服務生產者則面向全部訂閱服務的網絡功能，以通知發送的形式返回數據。

3.2 SCP技術應用要點

SCP技術主要產生于5G網絡大規模建設、鏈路量與數據量持續增加、單網元故障全網感知的背景，在SCP應用的間接路由模式中，網絡之間路由、網絡內部路由統一為SCP路由，路由失敗定位也由SCP負責，存在號碼部署的服務不需要配置號段歸屬關系，可直接由SCP靜態配置對接號段路由數據，全部網元均支持鏈路匯聚。同時，SCP可以為5G核心網提供信令消息路由、信息轉發服務，解決網元信令連接煩瑣問題，減弱網絡儲存功能處理負荷，滿足5G核心網大規模組建要求[3]。

在SCP應用時，根據網元之間相互交互通信模式的差異，應用方式也具有一定差異。例如，在缺乏代理服務發現間接通信模式中，因網絡儲存功能可被客戶端查詢，根據發現結果可以進行目標網元判定，并將判定信息發送給SCP，經SCP向適宜位置、容量的服務端目標網元發送信息。在配網時，需要根據選擇轉發路由，將“authority”參數修改為下一跳SCP地址。再如，在具備代理服務發現間接信息交互模式中，網絡儲存功能無法被客戶端查詢，客戶端需要將服務發現參數嵌入請求發送給SCP，SCP則向網絡儲存功能完成服務發現，并將請求發送給目標網元。在網絡部署時，需要當前SCP基于本地測量向下一跳SCP傳遞代理發現參數，下一跳SCP則需要完成代理發現任務。

3.3 UPF技術應用要點

UPF技術是一種允許5G核心網用戶面下沉的技術，可以為大帶寬、低時延等要求嚴格的業務場景提供支撐。作為5G核心網的聯結點，UPF接口涵蓋了與5G核心網控制面網元交互的接口、滿足已有網絡設施兼容的接口、與外部網絡交互的接口等，如N4、N3、N9、N6、S1-U、S5/S8-U、N19[4]。利用上述接口，UPF技術可以基于5G核心網分離式架構，在中心部署控制面板網元的同時下沉到網絡邊緣部署，壟斷全部核心網數據轉發模塊，實現數據流量本地分流，盡可能減少傳輸時延。

在具體應用過程中，UPF需要結合MEC進行部署，基于不同的MEC應用場景和業務需求，5GC核心網控制面及UPF應協同，主要分為以下兩種場景[5]。一是當終端只需訪問MEC應用且終端支持深度神經網絡（Deep Neural Networks，DNN）配置時，可考慮采用專用DNN方案，配置錨定特定的UPF接入MEC平臺及應用，簡化網絡的配置；二是當同一終端既需訪問MEC應用也需訪問互聯網時，可采用上行分類器（Uplink Classifier，ULCL）方式，引入邊緣UPF，負責業務分流。未來隨著終端及5GC網絡功能的增強，可以根據應用場景考慮更多的分流方式。

3.4 NSSF技術應用要點

NSSF技術是5G核心網網絡切片選擇服務實現的關鍵，主要利用Get操作（發送請求）進行漫游情況下或非漫游情況下網絡切片有關信息的檢索，或者向接入及移動性管理功能提供公共陸地移動網絡（Public Land Mobile Network，PLMN） 的 Allowed NSSAl。例如，在注冊操作過程中，需要選擇與Allowed NSSAl網絡切片實例相關聯的NSI ID（或者The Mapping Of Allowed NSSAl），在選定的實例內選擇網絡服務，并利用網絡儲存功能從接入及移動性管理功能中決定候選接入列表。而在會話建立過程中，則需要利用NRF選定對應網絡切片實例的網絡功能/網絡服務，并輸入S-NSSAl相關的NSI ID，完成關于請求的NSSAl部分的S-NSSAl信息發送。

4 結 論

相較于4G核心網網絡架構來說，5G核心網網絡架構由若干個功能體組成，總體呈現出大網元功能解耦、兼容萬物互聯、業務驅動導向、引入發現尋址的特點。在5G核心網網絡建構時，需要利用SCP、SBA等多種技術，相關人員應根據5G核心網建構需求，恰當應用相關技術，充分發揮相關技術的關鍵功能，確保5G核心網的建構效果。