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

摘要：隨著5G技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷推進(jìn)，行業(yè)中關(guān)于5G核心網(wǎng)的研究也越來(lái)越廣泛，成果越來(lái)越顯著。文章對(duì)5G核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)展開(kāi)分析，并重點(diǎn)圍繞服務(wù)化架構(gòu)、支持邊緣計(jì)算、容器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片等方向探討5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，旨在推動(dòng)5G核心網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展和廣泛運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：5G；核心網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)切片；支持邊緣計(jì)算

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.03.025

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 929.5" " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）03-00-03

5G Core Network Architecture and Key Technologies

MI Jie

（CETC Putian Technology Co.， Ltd.， Guangzhou 510310， China）

Abstract： With the continuous promotion of the application of 5G technology in the commercial field， the research on 5G core network in the industry has become more and more extensive， and the results have become more and more significant. This paper analyzes the network architecture of 5G core network， and focuses on discussing the key technologies of 5G core network in the direction of service-oriented architecture， support for edge computing， container technology， network slicing， etc.， aiming to promote the further development and wide application of 5G core network.

Key words： 5G; core network; network slicing; support edge computing

1" 5G核心網(wǎng)的整體架構(gòu)及其設(shè)計(jì)原則

虛擬化概念的引入也提高了軟件的可擴(kuò)展性，使其不受底層硬件的影響。盡管如此，軟件仍然停留在單一結(jié)構(gòu)的層面，如果想對(duì)內(nèi)部某一模塊進(jìn)行擴(kuò)展或者升級(jí)，那么整個(gè)系統(tǒng)都要進(jìn)行相應(yīng)改動(dòng)，步驟十分煩瑣。因此，相關(guān)研究人員參考IT系統(tǒng)，把大型軟件拆分成多個(gè)小型組件，使每一個(gè)小組件都可以單獨(dú)進(jìn)行管理，組件之間通過(guò)連接接口來(lái)進(jìn)行通信，極大地提高了業(yè)務(wù)辦理的靈活性[1]。

1.1 整體架構(gòu)

5G核心網(wǎng)涉及的主要網(wǎng)元包括AF、NEF、NRF、NSSF、UDM、PCF、AUSF、UPF、SMF、AMF，即應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放、網(wǎng)絡(luò)功能注冊(cè)、網(wǎng)絡(luò)切片選擇、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理、策略控制、認(rèn)證服務(wù)器、用戶(hù)面、會(huì)話(huà)管理、接入和移動(dòng)性管理功能。5G核心網(wǎng)主要網(wǎng)元除UPF外均屬于控制面，UPF屬于用戶(hù)面，服務(wù)化架構(gòu)設(shè)計(jì)用于控制面網(wǎng)元，服務(wù)化接口負(fù)責(zé)彼此間通信，傳統(tǒng)架構(gòu)和接口用于用戶(hù)面。雖然相比4G，5G在會(huì)話(huà)管理和移動(dòng)性管理分離、模塊化解耦、組網(wǎng)靈活等方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)管理、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、傳輸?shù)饶芰σ蔡岢隽烁咭蟆Ｔ谙?G發(fā)展的過(guò)程中，5GC/vEPC與EPC的協(xié)同組網(wǎng)必須得到重視[2]。

1.2 設(shè)計(jì)原則

在設(shè)計(jì)5G核心網(wǎng)架構(gòu)時(shí)要按照如下原則和理念開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。

（1）適應(yīng)性。在核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，要根據(jù)通信場(chǎng)景特征選用針對(duì)性的軟件進(jìn)行定義，保證核心網(wǎng)絡(luò)可以和通信場(chǎng)景相匹配，提高5G網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性和功能。

（2）高效性。在設(shè)計(jì)中心化的核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)時(shí)采用軟件定義方式，可以大大提高5G網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率低、傳輸延時(shí)等不良問(wèn)題。

（3）可擴(kuò)展性。在中心化的核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系中引入軟件定義概念能夠?yàn)樾聵I(yè)務(wù)靈活高效地使用奠定基礎(chǔ)，為今后升級(jí)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、靈活部署、快速響應(yīng)等工作創(chuàng)造有利條件。

（4）簡(jiǎn)化功能。以大量的網(wǎng)元功能和通信協(xié)議為前提支持5G核心網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)隧道管理和移動(dòng)管理可以簡(jiǎn)化5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將有效解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能冗余問(wèn)題。

1.3 部署特征

5G核心網(wǎng)架構(gòu)能夠虛擬隔離業(yè)務(wù)，還可以統(tǒng)一部署CPF，在部署中需要虛擬隔離控制面、用戶(hù)、業(yè)務(wù)。通過(guò)這種方式能夠利用核心機(jī)房集中管理各項(xiàng)業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)，能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求利用分布式的UPF實(shí)現(xiàn)本地分流，同時(shí)能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求滿(mǎn)足低延時(shí)場(chǎng)景的需要，保證部署高效準(zhǔn)確。這種部署方式在第三方客戶(hù)服務(wù)方面發(fā)揮著重要作用，能夠利用各種基礎(chǔ)信息創(chuàng)新和拓展企業(yè)本地化的需求。在核心網(wǎng)構(gòu)架中，利用5G網(wǎng)絡(luò)軟件和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)能夠靈活地、可編程地開(kāi)放和擴(kuò)展5G網(wǎng)絡(luò)，還能夠?qū)⒅悄芑夹g(shù)應(yīng)用于5G核心網(wǎng)。此外，將5G網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)深度融合能夠增強(qiáng)感知用戶(hù)行為和業(yè)務(wù)的效果，提高智能化技術(shù)的作用。通過(guò)5G核心網(wǎng)虛擬化架構(gòu)可以高效隔離業(yè)務(wù)邏輯、動(dòng)態(tài)分配各項(xiàng)資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)方案，保證運(yùn)營(yíng)商的各項(xiàng)業(yè)務(wù)的順利開(kāi)展，比如可以在不同場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)差異性連接寬帶、收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)和管理網(wǎng)絡(luò)安全。此外，重構(gòu)5G核心網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化和功能輕量化，為網(wǎng)元功能調(diào)用API提供便利，從而全面提升整體網(wǎng)絡(luò)的通用性[3]。

2" 5G核心網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 服務(wù)化架構(gòu)

服務(wù)化架構(gòu)設(shè)計(jì)主要用于5G核心網(wǎng)的控制面，IT系統(tǒng)服務(wù)化的相關(guān)理念可作為設(shè)計(jì)借鑒，網(wǎng)絡(luò)功能間的整合與解耦需通過(guò)模塊化實(shí)現(xiàn)，各網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（功能）在解耦后可實(shí)現(xiàn)按需部署、獨(dú)立演進(jìn)、獨(dú)立擴(kuò)容，配合采用服務(wù)注冊(cè)、發(fā)現(xiàn)機(jī)制的各種服務(wù)，5G核心網(wǎng)中的各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)功能即可做到自動(dòng)化組網(wǎng)、即插即用，多種NF可實(shí)現(xiàn)同一服務(wù)的調(diào)用，業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、服務(wù)性能的提升均可順利實(shí)現(xiàn)。服務(wù)化架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)主要包括消費(fèi)者與生產(chǎn)者之間的消息交互用于服務(wù)的提供達(dá)成、服務(wù)的自動(dòng)化注冊(cè)和發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)、統(tǒng)一服務(wù)化接口協(xié)議的采用。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)移動(dòng)核心網(wǎng)協(xié)議，5G核心網(wǎng)的接口協(xié)議棧（服務(wù)化架構(gòu)）更為復(fù)雜，但配合高性能的云資源，接口性能的損失即可順利抵消[4]。

2.2 支持邊緣計(jì)算

5G核心網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一就是緩存策略，其具體內(nèi)容如下。第一，CDN緩存。該技術(shù)主要是由副本服務(wù)器接收服務(wù)器分配的任務(wù)，將服務(wù)器的載荷減少，同時(shí)在臨近用戶(hù)位置部署內(nèi)容，減少用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)延時(shí)問(wèn)題，提升內(nèi)容的可用性，達(dá)到緩解網(wǎng)絡(luò)擁堵問(wèn)題的效果。第二，基站緩存。傳統(tǒng)的基站緩存采用的是網(wǎng)絡(luò)回程鏈路，而現(xiàn)有的緩存部署包括宏基站（MBSs）和微基站（SBSs），微基站沒(méi)有回程連接，可以靈活地分發(fā)和部署用戶(hù)內(nèi)容，達(dá)到5G網(wǎng)絡(luò)中回程鏈路的預(yù)防和緩解擁堵的效果，將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的能效大大提升。第三，終端設(shè)備緩存。基站可以在既有信息的基礎(chǔ)上，下載并且推送用戶(hù)訂制的信息或者偏好信息，達(dá)到提升用戶(hù)體驗(yàn)的效果。第四，緩存策略。為了盡量增加蜂窩網(wǎng)絡(luò)的帶寬，解決網(wǎng)絡(luò)延遲的問(wèn)題，可以采用以下幾種緩存策略：最近最久未使用算法（LRU）、最近最少使用算法（LFU）和緩存最流行算法（MPC）。

5G核心網(wǎng)能夠在能力開(kāi)放層面和網(wǎng)絡(luò)層面支持邊緣計(jì)算。5G核心網(wǎng)對(duì)本地分流機(jī)制的支持主要包括UL-CL（上行分類(lèi)器）、IPv6多歸屬（基于源地址進(jìn)行本地分流）、LADN（本地區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)）。分析上述分類(lèi)器可以發(fā)現(xiàn)，其對(duì)UE沒(méi)有特別要求，感知數(shù)據(jù)分流且UE的IP地址僅為一個(gè)，可較好地滿(mǎn)足邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)需求；分析IPv6多歸屬可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)利用其特性，邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)可基于一個(gè)IPv6地址實(shí)現(xiàn)，配合基于共同UPF的分流、基于不同IP錨點(diǎn)的用戶(hù)面路徑分離，即可更好地支持邊緣計(jì)算，數(shù)據(jù)分流通過(guò)UE的感知和控制也可實(shí)現(xiàn)。為支持邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)，需有針對(duì)性建設(shè)接入本地DN的新PDU會(huì)話(huà)，由此可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流的感知和控制。深入分析可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)提供多種靈活的分流機(jī)制，5G核心網(wǎng)在支持邊緣計(jì)算方面的表現(xiàn)極為優(yōu)秀，具體的方案選擇應(yīng)綜合考慮運(yùn)營(yíng)成本、對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響、終端的能力、技術(shù)的成熟度等因素。

2.3 納米核心網(wǎng)技術(shù)

納米核心網(wǎng)技術(shù)是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的技術(shù)，包含納米技術(shù)和云計(jì)算等技術(shù)內(nèi)容，其中就納米技術(shù)而言，該技術(shù)的出現(xiàn)不僅促進(jìn)了相關(guān)行業(yè)的科技進(jìn)步，同時(shí)也促進(jìn)了5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在納米技術(shù)不斷被應(yīng)用到5G網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，納米芯片的加入，大幅提升了5G網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力和運(yùn)行速度。5G網(wǎng)絡(luò)以云計(jì)算為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)搭建，隨著無(wú)線(xiàn)新技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)始變多，5G網(wǎng)絡(luò)的控制效果逐漸增強(qiáng)，并且能夠利用全新的控制機(jī)制調(diào)動(dòng)相關(guān)無(wú)線(xiàn)資源之間的調(diào)節(jié)，進(jìn)而滿(mǎn)足客戶(hù)更多的場(chǎng)景需求。此外，無(wú)線(xiàn)資源管理和調(diào)度功能云也能夠起到優(yōu)化5G網(wǎng)絡(luò)的作用，首先，在優(yōu)化5G網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)之前，要對(duì)需要優(yōu)化的部分做出記錄，并根據(jù)優(yōu)化需求將相關(guān)技術(shù)引入其中，以網(wǎng)絡(luò)SDN為依托實(shí)現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的虛擬化處理，這不僅能夠提高5G網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的傳輸速率，也能夠起到降低運(yùn)營(yíng)商運(yùn)營(yíng)成本的作用。從全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面來(lái)看，盡管扁平化IP結(jié)構(gòu)技術(shù)的始終對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架起著決定性作用，但是，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)始具有更為廣闊的包容性，并起到了優(yōu)化5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的作用。

2.4 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)主要是將物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，劃分之后的網(wǎng)格以虛擬的形式存在，其所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景也存在差異性。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是可以有針對(duì)性地制定網(wǎng)絡(luò)，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。其中網(wǎng)絡(luò)切片公共部分的簽約信息以及策略等模塊的作用突出，而獨(dú)立部分的移動(dòng)性管理模塊可以有效地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)化管理。5G核心網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在協(xié)議中添加了單一網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息，該信息可以正確地選擇切片的業(yè)務(wù)特征與行為。在網(wǎng)絡(luò)切片的過(guò)程中，針對(duì)區(qū)域的不同需求實(shí)現(xiàn)資源、安全以及OAM隔離，在5G支持端下，端網(wǎng)絡(luò)切片將控制面、用戶(hù)面之間的數(shù)據(jù)共享，共享方式可以是基站共享或者功能共享，需注意5G核心網(wǎng)的用戶(hù)面無(wú)法實(shí)現(xiàn)共享。在新的商業(yè)模式下，借助SLA保障功能，保證切片管理系統(tǒng)的安全性。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)與虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)相似，功能較為靈活，可以自主匹配網(wǎng)絡(luò)，在與UE進(jìn)行連接的過(guò)程中，可以同時(shí)接入多個(gè)切片，一定程度上有助于優(yōu)化5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能。

2.5 容器技術(shù)引入

容器作為一種輕量級(jí)的虛擬化技術(shù)，它不需要像虛擬機(jī)一樣虛擬出整個(gè)操作系統(tǒng)，而是在主機(jī)操作系統(tǒng)上虛擬出一個(gè)小規(guī)模隔離的虛擬環(huán)境。一個(gè)容器實(shí)例可以想象成一個(gè)小型的操作系統(tǒng)，它共享使用宿主機(jī)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，并在此基礎(chǔ)上疊加自己的獨(dú)立進(jìn)程。這些獨(dú)立進(jìn)程包含實(shí)現(xiàn)特定目的的進(jìn)程代碼以及運(yùn)行進(jìn)程代碼所必需的一些運(yùn)行環(huán)境文件。以一個(gè)Web服務(wù)（如實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)上的文件上傳服務(wù)）的容器實(shí)例，容器示例中包含了Web服務(wù)（W）、Web服務(wù)運(yùn)行環(huán)境（R）、Linux底座（L）三部分內(nèi)容。Web服務(wù)（W）實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)上傳文件的進(jìn)程代碼，也就是客戶(hù)真正關(guān)心的上層業(yè)務(wù)。Web服務(wù)運(yùn)行環(huán)境（R）滿(mǎn)足上層業(yè)務(wù)代碼運(yùn)行所必需的運(yùn)行文件、配置文件、環(huán)境變量等。Linux底座（L）為滿(mǎn)足上面兩部分運(yùn)行所需的操作系統(tǒng)內(nèi)核資源要求文件，包括一些訪(fǎng)問(wèn)隔離機(jī)制、資源控制方式、文件系統(tǒng)隔離方式等。類(lèi)似于一個(gè)可以卡在操作系統(tǒng)內(nèi)核上的插座。Web服務(wù)的容器實(shí)例可以在一個(gè)Ubuntu操作系統(tǒng)（開(kāi)發(fā)者操作系統(tǒng)）上開(kāi)發(fā)，由于容器中已經(jīng)打包了運(yùn)行環(huán)境和Lunix底座，該容器不依賴(lài)于運(yùn)行完整的其他操作系統(tǒng)外圍應(yīng)用程序，可以在其他任何與Ubuntu操作系統(tǒng)（開(kāi)發(fā)者操作系統(tǒng)）具有相同Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)（如CentOS等）上運(yùn)行。容器的部署依賴(lài)于相同的Linux內(nèi)核，不依賴(lài)于具體的宿主機(jī)操作系統(tǒng)。因此，容器的宿主機(jī)操作系統(tǒng)既可以是物理服務(wù)器上的Linux（Host OS），也可以是虛擬機(jī)的Linux（Guest OS）。當(dāng)宿主機(jī)是物理服務(wù)器時(shí)為裸機(jī)容器，當(dāng)宿主機(jī)是虛擬機(jī)時(shí)則為虛擬機(jī)容器。

2.6 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)

NFV技術(shù)是5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)，其主要內(nèi)容如下。第一，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化組件（NFVI）。該部分主要是封裝和承載具體功能模塊，利用虛擬機(jī)和服務(wù)器等物理資源支撐數(shù)據(jù)的底層傳輸、存儲(chǔ)和計(jì)算。第二，虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能（VNF）。該部分主要是利用NFV軟件部署并且執(zhí)行防火墻、域名解析等功能。第三，NFV編排管。該部分主要是連接多個(gè)VNF將VNF在服務(wù)鏈中的排列方式明確并且利用底層構(gòu)建服務(wù)鏈，提高和優(yōu)化特定切片網(wǎng)絡(luò)具體功能。

虛擬網(wǎng)絡(luò)功能對(duì)操作過(guò)程中的用戶(hù)權(quán)限管理十分嚴(yán)格。在VNF的使用過(guò)程中，從文件的上傳到文件的管理，都存在很多安全問(wèn)題。在上傳文件的過(guò)程中，要嚴(yán)格檢查文件是否存在問(wèn)題，并設(shè)置訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限，拒絕非法用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)。在管理文件的過(guò)程中，要驗(yàn)證文件的權(quán)限，保證文件的完整性，避免文件被惡意篡改。

另外，通過(guò)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行全方位檢查，有助于消除平臺(tái)潛在的威脅漏洞，同時(shí)加強(qiáng)虛擬化工作，可以更好地保證平臺(tái)安全性。對(duì)平臺(tái)進(jìn)行檢查時(shí)，要保證病毒庫(kù)已經(jīng)升級(jí)到最新的版本，用戶(hù)每次使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)都要對(duì)其身份進(jìn)行重新驗(yàn)證，以保證用戶(hù)身份的真實(shí)性。在管理虛擬網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，要避免遭到DDOS攻擊，確保虛擬機(jī)的安全。

3" 結(jié)束語(yǔ)

總之，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展會(huì)進(jìn)一步改善和創(chuàng)新，該技術(shù)的應(yīng)用能夠有效改善網(wǎng)絡(luò)擁堵現(xiàn)狀，適應(yīng)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)復(fù)雜多元化的發(fā)展趨勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理網(wǎng)絡(luò)，采用集中控制或者分布控制的方式，靈活高效地部署各項(xiàng)資源，同時(shí)能夠利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，提高移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用效果。當(dāng)前5G核心網(wǎng)虛擬技術(shù)仍然處于初級(jí)階段，雖然當(dāng)前我國(guó)已經(jīng)在很多區(qū)域推廣5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但是該技術(shù)的具體應(yīng)用仍然存在一定的不足，在未來(lái)發(fā)展中需要相關(guān)工作者進(jìn)一步探索創(chuàng)新，推動(dòng)現(xiàn)代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，更好地服務(wù)民眾。■

參考文獻(xiàn)

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