5G核心网接入网演进

随着5G研究的深入和普及，对于5G具备的能力已达成基本共识：满足增强的移动互联网应用需求，拥有更高体验速率和更大带宽接入的能力；满足车联网、远程医疗、应急通信、工业控制等垂直行业应用需求，拥有低时延、高可靠的信息交互能力，具备承担高时效、高精密、高安全需求业务的能力；满足物联网设备互联互通的应用需求，拥有更高连接密度、更简单信令交互的能力，支持大规模、低成本、低功耗物联网设备的高效接入和管理。

 

为了满足这些苛刻的体验、效率和性能的要求，5G必须要构建一个资源全共享、功能易编排、业务紧耦合的网络平台。因此，5G网络架构就必须全面深入优化。

蜂窝通信系统的网络可以划分成接入网（RAN）和核心网（CN）两部分，无线接入网主要由基站组成，为用户提供无线接入功能；核心网主要由基站管理器、网关、计费系统组成，主要为用户提供网络接入服务和管理功能，在4G LTE系统中，基站和核心网分别叫eNB和EPC。

 

5G系统由接入网（AN）和核心网（5GC）组成，若考虑NSA（非独立组网）场景，则还需要考虑4G的网元。5G网络在传统4G LTE网络的基础上进行了优化处理，网元呈现虚拟化、云化。

 

一、主要网元及功能

5G网元的功能划分如图所示。NG-RAN包含gNB或ng-eNB节点，5GC包含AMF，UPF和SMF三个功能模块。

 

gNB/ng-eNB

o   小区间无限资源管理InterCell Radio Resource Management（RRM）

o   无线承载控制RadioBear（RB）Control

o   连接移动性控制Connection Mobility Control

o   测量配置与规定MeasurementConfiguration and Provision

o   动态资源分配DynamicResource Allocation

 

AMF

o   NAS安全Non-AccessStratum（NAS） Security

o   空闲模式下移动性管理IdleState Mobility Handling

 

UPF

o   移动性锚点管理 MobilityAnchoring

o   PDU处理（与Internet连接）PDUHandling

 

SMF

o   用户IP地址分配 UE IPAddress Allocation

o   PDUSession控制

 

主要网元功能实体 (NF)：

o   UE: 用户终端设备User Equipment (UE)

o   RAN: 接入网络(Radio) Access Network (RAN)

o   AMF: 接入及移动性管理功能Access and Mobility Management Function

o   UPF: 用户面功能User plane Function (UPF)

o   AUSF: 鉴权服务功能Authentication Server Function

o   DN: 数据网络Data Network (DN), 比如运营商业务，互联网接入或者第三方业务等。

o   UDFS: 非结构性数据存储功能Unstructured Data Storage Function

o   NEF: 网络业务呈现功能Network Exposure Function (NEF)

o   NRF: 网元数据仓库功能NF Repository Function (NRF)

o   NSSF: 网络切片选择功能Network SliceSelection Function (NSSF)

o   PCF: 策略控制功能Policy Control function (PCF)

o   SMF: 进程管理功能Session Management Function (SMF)

o   UDM: 统一数据管理功能Unified Data Management (UDM)

o   UDR: 统一数据仓库功能Unified Data Repository (UDR)

o   AF: 应用层功能Application Function (AF)

o   EIR: 5G设备标识注册设备5G-Equipment Identity Register (5G-EIR)

 

二、5G接入网

移动的云引擎是无线接入网一系列RAN功能的云化组合，其中的关键是软硬件解耦，各功能网元可部署在通用的COTS上，从而实现NFV架构，达到资源池化、弹性、可伸缩性等云化特征。简单的来说就是将各网元以软件包的形式安装到一在云服务器上。

为了进一步提高5G移动通信系统的灵活性，接入网不再是由BBU、RRU、天馈系统组成了，而是被重构为3个功能实体——CU、DU、AAU：

o   CU（CentralizedUnit，集中单元）：原BBU的非实时部分将分割出来，重新定义为CU，负责处理非实时协议和服务；

o   DU（DistributeUnit，分布单元）：BBU的剩余功能重新定义为DU，负责处理物理层协议和实时服务；

o   AAU（Active AntennaUnit，有源天线单元）：BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU。

 

AN有两种：

o   gNB,为UE提供NR用户面和控制面协议终结点；

o   ng-eNB,为UE提供E-UTRA的用户面和控制面协议的终结点。

 

一般来说一个gNB-DU只连接一个gNB-CU。但是为了实现的灵活性，每个gNB-DU也可能连接到多个gNB-CU。gNB CU中的控制面和用户面是分离的，一般只有一个CP，但是允许有多个UP。需要注意的是，gNB-CU及连接的若干gNB-DU是作为一个整体逻辑gNB对外呈现的，且只对其他的gNB和所相连的5GC可见。

DU和CU共同组成gNB，每个CU可以连接1个或多个DU。CU和DU之间存在多种功能分割方案，可以适配不同的通信场景和不同的通信需求，由此带来的好处如下：

o   对现有RAN架构进行分离可以有效降低前传带宽的需求；

o   RANCU内部的移动性不可见，从而降低CN的信令开销和复杂度；

o   采用CU将控制协议和安全协议集中化后，CU的出现更加适应NFV的架构实现Cloud RAN，增加了RAN侧的功能扩展性。

 

三、5G核心网

5G核心网构架主要包含三大关键技术：SBA、CUPS和网络切片，这是最终实现化整为零、由硬变软的彻底演进。

 

SBA

SBA（ServiceBased Architecture），即基于服务的架构。它基于云原生构架设计，借鉴了IT领域的“微服务”理念，将设备功能“打散”。

传统网元是一种紧耦合的黑盒设计，NFV（网络功能虚拟化）从黑盒设备中解耦出网络功能软件，但解耦后的软件依然是“大块头”的单体式构架，需进一步分解为细粒度化的模块化组件，并通过开放API接口来实现集成，以提升应用开发的整体敏捷性和弹性。

 

核心网功能模块化，包括控制面及用户面，以库的方式调用,控制面功能模块包括移动性管理、策略控制、用户数据、会话控制等等，用户面功能模块包括话单、转发、业务感知、数据优化等等，这些功能模块就是被“打散”后库的内容，网络根据不同的需求做功能的裁剪和选择。简单的来说，微服务就是指将Monolithic拆分为多个粒度更小的微服务，微服务之间通过API交互，且每个微服务独立于其他服务进行部署、升级、扩展，可在不影响客户使用的情况下频繁更新正在使用的应用。

 

基于这样的设计理念，传统网元先转换为网络功能（NF），然后NF再被分集为多个“网络功能服务”。

 

那么，SBA其实也就是网络功能服务和基于服务的接口的组合体。

 

CUPS

CUPS（Controland User Plane Separation），即控制与用户面分离。目的是让网络用户面功能摆脱“中心化”的囚禁，使其既可灵活部署于核心网（中心数据中心），也可部署于接入网（边缘数据中心），最终实现可分布式部署。

 

事实上，核心网一直沿着控制面和用户面分离的方向演进。比如，从R7开始，通过DirectTunnel技术将控制面和用户面分离，在3GRNC和GGSN之间建立了直连用户面隧道，用户面数据流量直接绕过SGSN在RNC和GGSN之间传输。到了 R8，出现了MME这样的纯信令节点，只是到了4.5G和5G时代，这一分离的趋势更加彻底，也更加必要，其中一大原因就是，为了满足5G网络毫秒级时延的KPI。

 

数据要在相距几百公里以上的终端和核心网之间来回传送，显然是无法满足5G毫秒级时延的，由于物理距离受限，因此需将内容下沉和分布式的部署于接入网侧（边缘数据中心），使之更接近用户，降低时延和网络回传负荷。

网络切片

5G服务是多样化的，包括车联网、物联网、远程医疗、VR/AR等，网络能力面临众口难调的局面，因此需要把网络切成多个虚拟且相互隔离的子网络，分别服务于不同的业务。

因为需求多样化，所以要网络多样化;因为网络多样化，所以要切片;因为要切片，所以网元要能灵活移动;因为网元灵活移动，所以网元之间的连接也要灵活变化。

所以，把网络拆开、细化，就是为了更灵活地应对场景需求。切片，简单来说，就是把一张物理上的网络，按应用场景划分为N张逻辑网络。不同的逻辑网络，服务于不同场景。不同的切片，用于不同的场景，网络切片，可以优化网络资源分配，实现最大成本效率，满足多元化要求。

四、5G网络演进方式

现网中实际部署5G网络时，分为独立和非独立组网两种形式。

o   独立组网模式（SA）：指的是新建5G网络，包括新基站、回程链路以及核心网。SA引入了全新网元与接口的同时，还将大规模采用网络虚拟化、软件定义网络等新技术，并与5GNR结合，同时其协议开发、网络规划部署及互通互操作所面临的技术挑战将超越3G和4G系统。

o   非独立组网模式（NSA）：非独立组网指的是使用现有的4G基础设施，进行5G网络的部署。基于NSA架构的5G载波仅承载用户数据，其控制信令仍通过4G网络传输。

对于5G的网络架构，在3GPP TSG-RAN 第72次全体大会上，提出了8个选项，如上图所示，其中选项1/2/5/6为独立组网方式，选项3/4/7/8位非独立组网方式。

o   选项1：目前LTE的组网方式，5G的部署是以此为基础的。

o   选项2：纯5G网络，完全由gNB NGC组成，需要完全替代LTE系统的基站和核心网，同时还要保证覆盖和移动性等，部署耗资巨大，很难一步完成，是5G网络部署的终极目标之一。

o   选项3：EPC+eNB（主）/gNB的方式组网，网络先演进无线接入网，核心网使用LTE的，场景以eNB为主基站，控制面信令由eNB转发，LTE eNB和NR gNB采用双连接的形式为用户提供高传输数据速率服务，可以有效降低初期的部署成本，主要是前期部署在热点区域，增加系统吞吐量。

o   选项4：NGC+eNB/gNB（主）的方式组网，同时引入NGC和GNB，与LTE采取兼容的方式部署，核心网采用5G NGC，eNB和gNB都连接至NGC，基站以gNB为主，同样是采用双连接的方式为用户提供高速率数据业务服务，LTE网络负责保证覆盖，5G系统负责提高热点地区的数据吞吐量。

o   选项5：NGC+eNB的混搭组网方式，主要应用在首先部署了5G核心网，并在NGC中实现了EPC功能，之后再逐步部署5G无线接入网的场景，

o   选项6：EPC+gNB混搭组网方式，主要应用于先部署了5G接入网，暂时采用EPC的场景，此种部署方式不能完全将5G的功能发挥出来，如网络切片等。

o   选项7：NGC+eNB（主）/gNB的组网方式，此种方式中虽然完整部署了5G NGC和gNB，但数量较少，仍以LTE中的eNB为主，控制面信令都由eNB转发，eNB和gNB采用双连接的方式为用户提供高数据速率服务。

o   选项：EPC+eNB/gNB的组网方式，运用5G基站将控制信令和用户面数据传输至4G核心网，此种方式需要对4G核心网进行改造，成本较高，难度较大，因此在2017年3月发布。

 

中国移动向3GPP提交的4G LTE网络演进到5G网络路线的方案如下：

o   方案1：LTE/EPC -> 选项2 + 选项5 -> 选项 4/4a -> 选项 2

o   方案2：LTE/EPC -> 选项 2 +选项 5 -> 选项 2

o   方案3：LTE/EPC -> 选项3/3a/3x ->选项 4/4a-> 选项 2

o   方案4：LTE/EPC -> 选项 7/7a -> 选项 2

o   方案5：LTE/EPC -> 选项3/3a/3x -> 选项 1 +选项 2 + 选项7/7a-> 选项2 + 选项5

从目前现网情况来看，最有可能的两条演进路线为：

o   LTE/EPC -> 选项3X -> 选项4 -> 选项 2

o   LTE/EPC -> 选项3X -> 选项4 -> 选项 7X -> 选项 2

 

NSA选用选项3x，以实现快速部署NR，5G的核心网部署之后，如果NR覆盖好，则跳过选项7x，如果NR覆盖不好，则使用用选项7x过度，LTE继续做锚点。

 

无论哪种方式，演进的基本思路都是以LTE为基础，逐步引入5G RAN和NGC，部署初期以双连接为主，LTE用于保证覆盖和切换，热点地区部署5G基站，提高系统的容量和吞吐率，最后逐步演进，直到全面进入5G时代。

 

五、5G网络框架特点总结

o   核心网功能分离：核心网用户面部分功能下沉到CO（中心机房，相当于4G网络的eNB），从原来的集中式核心网演变成分布式核心网，使得核心网功能在地理上更靠近终端，减少时延；

o   分布式应用服务器（AS）：AS部分功能下沉至CO，并在CO部署MEC（Mobile EdgeComputing移动网络边界计算平台），MEC类似于CDN（内容分发网络）的缓存服务器功能，它将应用、处理和存储推向移动边界，使得海量数据可以得到实时、快速处理，减少时延、减轻网络负担；

o   重新定义BBU和RRU功能：将原BBU中PHY、MAC的部分功能下沉到RRU，减少了前传容量，降低了前传成本；

o   网络功能虚拟化（NFV，Network FunctionVirtualization）：网路中的专业电信设备软硬件功能转移到虚拟机（VMs，Virtual Machines）上，比如核心网中的MME，S-GW、P-GW、PCRF等，在通用的商用服务器上通过软件来实现网元功能；

o   软件定义网络（SDN）：网络通过SDN连接边缘云和核心网里的VMs，SDN控制器执行映射，建立核心网云与边缘云之间的连接，其中网络切片也由SDN集中控制，SDN、NFV和云技术使网络从底层物理基础设施分开，变成更抽象灵活的以软件为中心的架构，可以通过编程来提供业务连接；

o   网络切片：网络根据面向的不同的应用场景，比如大速率、低时延、海量连接、高可靠性等等，将网络切割成满足不同的需求的虚拟子网络，每个虚拟网络的移动性、安全性、时延、可靠性，甚至计费方式等都不一样，虚拟自网络之间在逻辑上相互独立，以满足不同的应用场景需求，实现网络切片的关键是NFV和SDN。