5G核心网关键技术分析

陈莉

辽宁邮电规划设计院有限公司，辽宁 沈阳 110179

摘要：5G核心网相对于4G网络在架构、功能、业务能力提供方面有较大的革新，引入了新的关键技术如SBA、支持边缘计算、支持网络切片等，本文重点研究5G核心网与传统移动网络不同的全新架构和技术特征，对这些关键技术的应用场景和发展进行分析展望。

关键词：5G核心网、SBA、虚拟化、切片、NFV

引言

移动核心网从4GEPC演进到5GC，在网元形态、网络架构、信令协议、业务能力等方面发生了较大的变化。5G核心网基于NFV的核心架构，控制平面借鉴了IT系统中服务化架构，支持网络切片和边缘计算，本文首先介绍了5G核心网的架构及特点，接着重点研究分析5G核心网的关键技术和应用分析，最后对5G核心网未来进行展望。

1 5G核心网架构

与4G网络相比，5G网络变革主要包括SBA(service-basedarchitecture)架构、CP/UP(控制平面与用户平面)分离、网络切片、支持边缘计算等多个方面。3GPP标准5G网络SBA架构如图所示

图15G核心网架构示意图

2 5G核心网关键技术

2.1 NFV技术

NFV的本质是实现软硬件资源的解耦及软件功能的抽象，依托于标准化的服务器、存储及网络设备等通用基础设施资源，利用虚拟化技术实现各种网络功能，来替代通信网络中的专用、封闭的网元。NFV体系通过分层解耦的模式将5G网络中服务化模型的各个网元功能，以APP的模式在统一的云化基础设施上运行，借助MANO还可以快速实现5G网络切片的功能，通过与传统网管的融合，提供集约运维和智能管理手段。

2.2服务化架构

5G核心网采用服务化架构(SBA，ServiceBasedArchitecture)进行设计，实现了网络功能的灵活组合、业务的敏捷提供。5G核心网借鉴了软件架构基于微服务进行组织的理念，通过模块化实现网络功能间的解耦和整合，解耦后的网络功能(服务)可以独立扩容、独立演进、按需部署；各种服务采用服务注册、发现机制，实现了各自网络功能在5G核心网中的即插即用、自动化组网；同一服务可以被多种NF调用，提升服务的重用性，简化业务流程设计。

目前5G核心网服务化架构的接口协议栈与传统移动核心网的协议相比，变得更加复杂。用同样的硬件来实现的话，其性能相对传统协议是下降的，因此需要通过高性能的云资源来抵消接口性能的损失。对于服务化架构的自动化组网能力，还有待进一步完善，在实际网络部署和运营中仍需要注意

2.3控制和转发分离

目前4GEPC核心网的网关采用S-GW与P-GW合设的设备，S-GW/P-GW一般集中部署在省会不同局址的机房，形成ServingArea覆盖全省的业务。用户终端发起移动互联网业务后，通过eNodeB接入到运营商的IP承载网，业务流量在省会汇聚后接入到S-GW/P-GW中，再由其转出移动网，实现用户访问互联网业务。而5G核心网采用控制平面与用户平面完全分离的架构，这种架构的优势是控制平面功能模块可以集中部署在省会或区域中心的云平台上，对转发平面的资源进行调度,用户平面网络功能模块则可以根据需要采用集中方式或者分布式方式灵活进行部署。当用户平面功能下沉到边缘数据中心(边缘DC)时，可实现本地流量分流，并降低端到端时延。

现有移动核心网网关设备既包含流量转发功能，也包括部分控制功能(信令处理和业务处理)，控制功能和转发功能之间是紧耦合关系。5G核心网实现了控制与转发的彻底分离，网络向控制功能集中化和转发功能分布化的趋势演进，控制和转发功能分离后，控制面采用逻辑集中的方式实现统一的策略控制，保证灵活的移动流量调度和连接管理，同时减少了北向接口，增强了南向接口可扩展性。转发面将专注于业务数据的路由转发，具有简单、稳定和高性能等特性，便于灵活部署以支持未来高带宽、低时延业务场景需求。

2.4网络切片

5G网络需同时支持eMBB、uRLLC、mMTC等完全不同的业务场景，网络切片是5G网络的重要使能技术，使得5G网络实现了基于不同的业务类型、业务场景按需来定制网络，以满足不同的业务场景的需求。5G核心网采用NFV/SDN技术，使得5G核心网的网络功能与硬件平台解耦，使得网络进一步微服务化，形成不同的网络功能模块，将这些网络功能模块进行组合可形成面向不同业务场景和需求的特定的网络切片。网络切片包括接入网络、IP承载网和核心网络(控制平面和用户平面)，网络切片之间可以做到共享资源或者是相互隔离。网络切片的核心网控制平面采用服务化的架构，用户平面则可以根据业务对转发性能的要求进行灵活部署。3GPP定义的网络切片管理功能包括通信业务管理、网络切片管理、网络切片子网管理。其中通信业务管理功能实现业务需求到网络切片需求的映射；网络切片管理功能实现切片的编排管理，并将整个切片的SLA分解为切片子网的SLA；网络切片子网管理功能实现将SLA映射为网络服务实例和配置要求，并将指令下达给MANO，通过MANO进行网络编排。

网络切片的选择过程中，通过NSSF与NRF可以有效地增加5G网络的功能，可以满足网络切片之间的相关功能。网络切片选择协助信息(NSSAI)，其属于签约性信息，可以标识特定的网络切片，通过终端携带处理，UE可以通过NSSAI实现RAN以及CN网络切片的选择。

2.5支持边缘计算

相比于4G核心网对边缘计算(EdgeComputing)支持能力不足而带来种种问题，5G核心网在架构中就考虑了支持边缘计算需求，在网络层面和能力开放层面都支持边缘计算。在网络层面，5G核心网支持多种灵活的本地分流机制、支持移动性、支持计费和QoS以及合法监听。在能力开放层面，5G核心网支持APP路由引导、支持对未网络及用户的信息获取和控制。对5GMEC来说，5GC(5G核心网)通过UPF(用户面功能)的灵活部署能力支撑MEC。

结束语

随着5G网络标准的冻结，现各个运营商都在积极开展5G网络建设，5G核心网作为5G网络的建设的关键，事关未来5G多业务的发展需求，其中网络切片以及边缘计算也是5G业务应用的关键技术，未来的应用场景会更丰富全面，也是后续需要持续研究的技术之一。

参考文献：

[1]、5G核心网前沿报告(2019年中国通信学会)；

[2]、聂衡，5G核心网关键技术研究，移动通信，2019年第1期

作者简介：陈莉硕士研究生、现就职于辽宁邮电规划设计院有限公司，专业技术副总工。