5G轻量化核心网总体方案研究与设计

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　　【摘  要】随着全球各行业数字化转型需求的急剧增长以及5G网络标准和技术的逐渐成熟，5G行业专网成为一大研究热点。在分析了5G核心网的架构、网元功能和关键技术后，提出了5G轻量化核心网总体方案的设计，为全面赋能垂直行业，定制部署资源专用、安全可靠的本地化5G专网提供技术参考。
　　【关键词】5G核心网;轻量化;网络融合
　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.01.003        中图分类号：TN929
　　文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）01-0014-05
　　引用格式：李沸乐，杨文聪. 5G轻量化核心网总体方案研究与设计[J]. 移动通信， 2020，44（1）： 14-18.
　　0   引言
　　当前，各垂直行业的有线网络布线调整频率高耗时长，Wi-Fi网络可靠性、移动性和稳定性差，传统频率专网带宽小、网络和终端成本高、制式相对落后，不利于行业发展，而具备大带宽（eMBB）、高可靠低时延（uRLLC）、广连接（mMTC）等能力的5G新型网络[1]可弥补以上网络缺陷，推动各行各业数字化转型。因此本文在研究和分析了5G核心网的架构、网元功能和关键技术后提出了5G轻量化核心网总体方案的设计原则，可为运营商利用现有网络资源优势，依托授权频谱，独立部署资源专用的本地化定制5G专网提供技术支撑。
　　1   5G核心网简介
　　核心网在网络中发挥着至关重要的作用，它是全接入和全业务的管理中枢。
　　1.1  系统架构
　　5GC（5G core，5G核心网）对4G核心网进行了解耦重构，其控制面网元之间基于SBI（Service-based Interface，服务化接口）[2]进行交互，借助NFV和SDN等新技术部署，开启了传统电信网络向IT技術全面转型的第一步。非漫游情况下的5G SBA（Service Based Architecture，服务化架构）核心网的架构如图1所示。
　　5GC分为CP（Control Plane，控制面）与UP（User Plane，用户平面）。由UPF（User Plane function，用户面功能）网元通过N6接口与互联网、第三方服务或运营商服务等DN（Data Network，数据网络）互联，由AMF（Access and Mobility Management function，接入移动性管理功能）和UPF两网元分别通过N2和N3接口与接入网互联，且支持不同的访问类型，例如3GPP接入和非3GPP接入。外部AF（Application Function，应用功能）可以通过NEF（Network Exposure Function，网络功能开放功能）和5GC交流。
　　1.2  网元功能
　　2019年9月3GPP TSG#85全会召开，5GC Rel-16版本阶段2按时顺利冻结，阶段3协议预计于2020年6月份完成 。最新发布的3GPP Rel-16[3]中5G核心网涉及到的NF（Network Function，网络功能）如下。
　　AMF：负责UE（User Equipment，用户终端）的注册、连接、访问验证授权、移动性和可达性管理，在UE和SMF（Session Management function，会话管理功能）之间提供SM（Session Management，会话管理）消息的传输，UE和SMSF（Short Message Service Function，短消息服务功能）之间提供SMS（Short Message Service，短信息服务）消息的传输，提供UE和LMF（Location Management Function，定位管理功能）之间以及RAN（Radio Access Network，无线局域网）和LMF之间的位置服务消息的传输等。
　　AUSF（Authentication Server Function，认证服务器功能）：负责对3GPP和非3GPP的UE的接入进行认证。
　　SMF：负责与分离的数据面交互，根据自身配置或与PCF（Policy Control Function，策略控制功能）交互来制定策略和流模板，为会话选择和控制UPF和SSC（Session and Service Continuity，会话和服务连续性）模式，管理会话的建立、更新和释放以及维护着PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）会话状态、群组管理、控制和协调UPF的收费数据收集和流量控制等。负责UE的IP分配管理，具备DHCP、ARP代理或IPv6邻居请求代理功能。
　　UPF：响应SMF请求，作为移动基础设施RAN和DN之间的互连点，PDU会话锚点负责完成用户平面上GTP-U协议的封装和解封装、分组路由和转发、数据包检查、QoS流映射等网络用户面的处理。完成用户平面部分策略规则实施，例如门控、重定向和流量转向。为计费以及合法拦截提供用户流量收集接口以及流量使用报告。
　　PCF：负责用户的策略管理和实施，包括会话的策略、移动性策略等。
　　UDM（Unified Data Management，统一数据管理）：存储和管理用户数据和配置文件。
　　UDR（Unified Data Repository，统一数据存储库）：支持UDM订阅数据、PCF策略数据和应用程序数据等的存储和检索。
　　UDSF（Unstructured Data Storage Function，非结构化数据存储功能）：NF可在UDSF中存储和检索其未在3GPP规范中定义其结构的非结构化数据。 　　NSSF（Network Slice Selection Function，网络切片选择功能）：选择服务于UE的网络切片实例的集合。
　　NRF（Network Repository Function，网络功能注册功能）：负责网络功能实例及配置文件的注册、更新、注销，使各NF可以相互发现选择并通过API进行通信。
　　NEF：作为外部用户接入的API网关，负责将5G网络的能力开放给外部网元，同时网络内的NF可通过NEF向其他NF公开功能和事件，NEF完成网络能力的收集、分析和重组。
　　N3IWF（Non-3GPP InterWorking Function，非3GPP互通功能）：负责将不可信的非3GPP接入网（如Wi-Fi）接入到5G核心网。UE与N3IWF建立一个IPsec隧道，N3IWF分别通过N2接口和N3接口接入5G核心网的控制面和用户面。
　　UCMF（UE radio Capability Management Function，UE无线能力管理功能）：存储UE无线功能ID。AMF可以订阅UCMF获得分配的UE无线电功能ID的新值，并在本地缓存它们。
　　CHF（Charging Function，计费功能）：负责用户计费、配额授信等，也支持融合的在线和离线计费[4]。
　　LMF：负责向5GC注册或访问的UE的定位所需资源的整体调度和协调，还可以计算或验证最终位置、速度和精度[5]。5G可基于无线、终端以及用户面等多种手段提供定位能力，但定位方法因访问类型而异，定位精度也很大一部分取决于接入网所作的增强。
　　SMSF：用于提供NAS（non-access-stratum，非接入层）短信服务。
　　5G-EIR（5G-Equipment Identity Register，5G设备身份注册）：检查PEI（Permanent Equipment Identifier，永久设备标识符）的状态，例如检查其是否未列入黑名单。
　　NWDAF（Network Data Analytics Function，網络数据分析功能）：NWDAF用人工智能技术从网络功能、OAM（Operation Administration and Maintenance，运维管理系统）和应用层获取的数据，进行分析，以生成需要的数据结果。NF、OAM或AF可以利用NWDAF的分析结果进行不同的优化操作。
　　SCP（Service Communication Proxy，服务通信代理）：在间接通信模式下，业务功能和网络路由功能分离，NF服务使用者通过用SCP使用请求的NF。从而各NF可专心于业务功能的实现，路由控制等功能统一由SCP来实现。
　　SEPP（Security Edge Protection Proxy，安全边缘保护代理）：用于5G用户国际漫游，与他网运营商的5G互通，负责PLMN间控制平面接口上的消息过滤和策略管理。
　　1.3  关键技术
　　5G核心网的主要关键技术如下：
　　（1）服务化架构
　　5G核心网的控制面采用SBA设计，解耦后的网络功能采用统一的消息总线连接，即插即用。网元将自身的能力细分成的各种功能服务暴露到网络中，网元之间采用统一的基于服务化的接口来互通，在传输层采用了TCP，在应用层采用HTTP/2.0[6]，接口描述语言采用Open API3.0。这种架构使得网络功能服务可以快速按需发布、独立升级和扩容、被重复调用。服务化架构以各种网络功能服务可以任意调用，取代传统的路径复杂的点对点“信令交流”，各种服务由NRF进行统一的注册、发现和管理，服务化接口支持请求-响应和订阅-发布两种通信模型[7]。SBA提高了接口间通信效率，同时便于运营商自有或第三方业务开发。
　　（2）控制转发分离及边缘计算
　　传统核心网采用网元集中部署的方法，核心网机房距离UE尤其是边缘用户较远，造成业务时延较大。5G核心网采用CP和UP分离，两者通过N4接口通信[8]，负责转发的用户面（归一为UPF）可分布式部署。ETSI组织提出的MEC（Mobile Edge Computing，移动边缘计算）能在移动网边缘部署通用服务器以提供IT服务环境和云计算能力[9]。UPF结合MEC下沉至更靠近用户的网络边缘层进行分布式部署，UPF将用户流量路由到本地数据网络，直接面向终端侧提供业务服务，来实现更低的传输时延、更少的网络拥塞。
　　（3）网络切片
　　网络切片是按用户需求灵活构建端到端的逻辑子网，包括网络功能集合和其所需的物理或虚拟资源，涉及核心网、无线接入网、IP承载网和传送网等[10]。网络切片架构由基础设施层、网络切片层和网络切片管理层组成，可利用公网为用户提供定制化的网络服务，满足5G提出的多样化的应用场景。
　　2   5G轻量化核心网设计
　　现阶段网络切片在技术、标准和产品成熟度方面还无法提供完善的可商用端到端解决方案。从目前产业界情况来看，核心网的N4接口解耦工作进展迟缓，不同厂家的核心网CP和UP以及网管系统难以实现互联互通，若利用MEC和UPF下沉方案，各垂直行业极易被公网核心网设备厂商绑定。此外，政府、航空等不少行业出于对网络安全、管理控制的极高要求更倾向于使用与公网隔离的另一张独立网络，但专网中若部署类似于公网中的完备核心网，其作用和软件功能非常庞大且复杂，导致很高的技术门槛和昂贵的价格。故考虑到行业专网的需求本质是希望建设一张可独享、安全可靠、低成本的定制网络，本文将基于如下几点原则来设计专门服务垂直行业的5G轻量化核心网。
　　2.1  网元裁剪和合设
　　第1.2节已介绍了5GC的众多网元，但对于行业专网来说，很多网元都是冗余的，5G轻量化核心网基于服务化架构，精心裁剪掉不必要的网元，简化部署AMF、SMF、UPF、AUSF、UDM、UDR、PCF、NSSF几大网元。 　　而功能类似、流程联系紧密的网元则通过合设使其外部接口交互变成组件内部的通信，节省系统内存资源和计算资源的开销。AUSF作为生产者为AMF提供UE鉴权服务，故将AUSF与AMF合设。UDR作为UDM的后端一起负责用户统一数据的处理，故将UDR和UDM合设。图2为5G轻量化核心网部署图。
　　2.2  网元功能裁剪
　　完备的5G核心网功能丰富，但行业专网内的网元功能要求相对简单且某些性能要求不高，故针对第2.1节中计划部署的网元还应进行功能的精简。以UPF为例：垂直行业需要一个定制化、低成本、轻量级的UPF，而现阶段主流厂家的UPF相对厚重，研发成本高，价格高昂，不利于5G在垂直行业的拓展，因此可以裁剪掉UPF中的DPI、内容计费、支持接入IMS等功能。
　　2.3  网元功能按需定制
　　在对网元和其功能进行裁剪后，还应考虑到，不同垂直行业都有其个性化应用需求，需要增加定制化网元功能。例如：应用于工业制造领域的5G轻量化核心网需要加入Framed Routing（帧路由）功能。5G移动网络服务的对象是各种类型的设备，比如监控摄像头、机械臂、自动引导车AGV、平板、手机等，其中一些终端配有5G模组可直接接入5G网络，而其他无线UE则需统一通过5G CPE（Customer Premise Equipment，客户前置设备）来接入5G网络，通常核心网只给CPE分配IP，这些UE通过CPE做NAT（Network Address Translation，网络地址转换）和核心网通信，核心网并不知道具体接入的是哪个UE。而支持帧路由功能的5GC则可在UDM里配置连接在CPE上的这些UE的IP，SMF可将UE的IP发送给UPF，便于对工厂设备的直接管理和对设备原有组网的维护。
　　同行业不同场景的需求也不尽相同。例如：规模大的企业存在分级场景，除了总部以外还有多个地理位置分散的生产办公地点，需要移动网络提供类似局域网和VPN的功能，以支持大量跨地域用户之间的企业内部远程通信业务并保证业务连续性。此场景需要为总部和各分部的UPF引入5G LAN功能以构建企业广域“局域网”，支持终端随时随地无缝接入企业网络。
　　2.4  专用产品可定制化
　　5G轻量化核心网产品呈现的是面向行业定制的一体化专用设备，基于虚拟化部署，根据客户需要选择与MEC设备、安全防护软件、AI系统等集成，仅需少量体积较小的通用基础设施即可完成网络的部署开通。同时，为不同话务量不同上下行速率需求的5G轻量化核心网产品灵活配置不同規格的通用服务器，对转发数据量特别大的行业还可增配硬件加速卡，从而在有限的CPU计算资源条件下尽可能地提升系统吞吐率。
　　2.5  网络高度融合
　　为各行业定制的5G专网还需与现有信息化网络以及原有专网高度融合，应开放各网络的管理系统和数据库的相关标准接口，实现5G专网与原专网、企业内网和本地管理中心等之间的数据并发和调度，保持业务和会话的连续性。同时，5G轻量化核心网应具有汇聚功能，支持多种接入方式的统一管理和统一认证，例如：为兼容已有有线固定接入和各种各样的无线接入终端，可部署集成接入网关，以此接入到5G核心网中，保证接入无关以降低终端接入系统的复杂性和低效性，减少网络功能冗余。
　　3   结束语
　　5G网络是推动社会和垂直行业数字化转型的重要技术。本文对5G核心网详细研究分析后，面向各行业业务需求提出了一种5G轻量化核心网总体方案，该方案可以根据不同行业不同应用场景进行部署与优化，此成本低、体积小、安全可靠、功能灵活且相对集中的5G轻量化核心网一体化产品的部署，将助力工业互联网、智能交通、现代农业、智慧城市等行业的发展。
　　参考文献：
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　　[10]    堵久辉，王维星，李北斗. 5G 网络切片端到端管理与编排[J]. 邮电设计技术， 2019（5）： 15.
　　作者简介
　　李沸乐（orcid.org/0000-0002-2526-4323）：工程师，硕士毕业于北京邮电大学，现任职于中国联合网络通信有限公司网络技术研究院，研究方向为移动通信。
　　杨文聪：硕士毕业于北京交通大学，现任中国联合网络通信有限公司网络技术研究院核心网团队负责人，研究方向为移动通信。
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