5G核心网演进过程与现存问题分析

随着5G技术的到来，世界即将步入一个数据大爆炸的时代，这将是一个跳跃性的发展、是一场变革，它将意味着网络架构将实现颠覆性的转变。它将不再是人与人之间的通信，转而变成人与物、物与物之间的通信，这种大连接、低时延、高速率的网络将会给核心网带来巨大的影响。随着5G商用时间点的逼近，核心网网络如何发展将起着关键性的作用，尤其在核心网未来技术发展方向、演进过程中面临着严峻的考验。

1   核心网现状与问题分析

在前不久举办的2018上海世界移动大会上，中国联通、中国移动和中国电信三大运营商亮出了时间表：计划到2020年，实现5G网络正式商用。作为第五代移动通信，5G网络带给人们的第一感觉是速度快。4G时代主要实现了“人与人”的快速通讯连接，但5G的“志向”远不止于此，它的目标是要让更多的“人和物”、“物和物”快速相连，进而推进万物互联时代的到来。5G的高速率、高稳定性和低时延特性将提高无人驾驶的安全性能，除了无人驾驶，在远程操控、智能家居等应用场景也将进一步走近消费者。根据目前业界的分析，全球5G应用领域将主要集中在车联网、公共安全、智慧城市、媒体及信息娱乐四个方面。这也是业界人士认为5G网络最大的价值，“能够和更多的产业深度融合”。

当前，中国移动对5G 基本架构已有初步共识，就是要支持多种接入、降低不同接入方式和核心网的耦合、实现按需的组网、借力NFV/SDN技术。NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）技术的出现有效的解决了核心网架构的弊端，为运营商提供了一个良好的发展机遇，将NFV技术引入移动核心网具有重要意义。

随着商用时间的逼近，5G网络化已经到了发展的关键时期，中国移动提出了5G网络架构三大设计原则，首先是从刚性到软性，也就是从固态网络到动态网络，实现网络资源虚拟化、网络功能的解耦和服务化。其次是移动网络IP化、互联网化，也就是实现与IT网络互通融合，引入互联网技术，优化网络设计。最后是集中化智能和分布化处理，集中化智能—功能集中化，为垂直行业提供个性化增值服务，并分布化处理—移动网络功能靠近用户，提高网络吞吐量，降低时延。以SDN/NFV 技术实现网络云化，加上微服务设计，这意味着5G 网络真正走向开放化、服务化、软件化方向，有利于实现5G与垂直行业融合发展。

今年6月，3GPP 5G NR标准SA（独立组网）方案正式完成并发布，标志着首个真正完整意义的国际5G标准正式出炉。SA独立组网相对于NSA（非独立组网）存在，其引入的新能力也是5G区别于4G的一个重要特征。NSA模式是只建5G基站，不建5G核心网，不能做到终端到终端直达的5G网络，信号传输要经过的路径多，时延也很长，不能很好地支持网路切片、边缘计算等5G的技术特征。而SA独立组网模式下，5G的基站连接5G的核心网，可通过核心网下沉部署到基站侧，使传输信号所需要经过的路径很少，可以直接从基站侧到达业务服务器。

在4G网络中，传统的核心网网元之间有着固定的通讯链路和通讯路径，用户的位置信息必须从无线基站上报给MME，然后由MME通过S-GW传递给P-GW，最终传递给PCRF进行策略的更新。而在5G核心网服务化架构下，各网络功能服务之间可以根据需求任意通讯，极大地优化了通讯路径。

伴随着虚拟化技术运用在电信领域，传统意义上的核心网网元实现了软硬件解耦，软件部分被称为网络功能（Network Function）。3GPP定义的服务化结构将一个网络功能进一步拆分成若干个自包含、自管理、可重用的网络功能服务（NF Service），这些网络功能相互之间解耦，具备独立升级、独立弹性的能力，具备标准接口与其他网络功能服务互通，并且可通过编排工具根据不同的需求进行编排和实例化部署。这种网元拆分与经常谈论的云原生或微服务架构有着相似的理念，而3GPP进行了标准化定义，并为每个5G网络功能定义了一组具备对外互通标准接口的网络功能服务。

2   基于5G核心网演进

5G时代通信技术的另一次变革，实现了由个人应用向行业应用的转变。随着5G时代的到来，核心网需要不断演进以适应更高流量需求及更优的业务体验。

2.1  核心网NFV

定义：NFV（Network Functions Virtualization）网络功能虚拟化，是指通过使用虚拟化软件技术，实现传统网元的软硬解耦，不同厂家的软件运行在统一的虚拟化基础设施上。它的优势主要体现在以下几个方面：

（1）降低运营商总体CAPEX/OPEX；

（2）减少新业务及服务市场投放时间；

（3）增加架构灵活性，实现弹性架构；

（4）更加开放的虚拟化应用及纯软件应用的平台；

（5）降低创新业务的开发部署成本。

从今天的网络向未来NFV网络演进，意味着：

业务部署复杂，向灵活快速部署演进；

运维复杂，向简化运维演进；

硬件设备种类多种多样，向归一化硬件、资源共享演进；

创新困难、商业机会有限，向推动创新、多商用机会演进。

NFV是未来网络的基础性技术，有助于实现软件化的基础通信网络。核心网虚拟化是NFV在移动核心网中的具体应用，其最终目标是利用标准的X86服务器存储和交换设备来取代原通信网络中专用网元。X86标准的IT设备成本低廉，能够为运营商节省大量的投资成本。经过软硬件解耦后，网络设备功能将不再依靠传统专用硬件，能够实现资源的灵活共享，并有利于新业务的开发和快速部署。

2.2  网络切片

移动通信系统每十年变迁，技术支持应用，应用基于场景：3G、4G的发展得益于移动互联网，5G除了移动互联增强，另一驱动力来自于物联网。4G升级5G，从移动互联到万物互联时代。5G将在8大KPI指标上实现对4G的全面超越。其中峰值数据传输速率将达到20Gbit/s，用户体验速率达到100Mbit/s，时间延迟低于1ms。以上指标都是传统4G技术所无法实现的，这也预示着5G将采用全新的技术方案，因此我们需要-网络切片。

网络切片可以实现：

（1）针对大型企业/垂直和MVNO的新型服务，按需满足不同经济形式的“恰到好处”的服务

（2）能够针对特定服务的价格和性能进行优化

（3）增强安全性，通过特定的加密技术和隔离进行定制服务

（4）跨运营商的行业切片部署（例如，针对国家智能电网的两个运营商之间的

（5）网络切片或用于全球服务范围的联合切片）

5G网络切片将成为5G时代面向垂直行业的第一应用和基础业务形式，面向垂直行业的需求，提供定制化、相互隔离、质量可保证的专用逻辑网络。

◆网络切片的概念

网络切片是端到端的逻辑功能集合和其所需的物理或虚拟资源，包括接入网、核心网、传输网等，网络切片可认为是5G网络中的虚拟化“专网”。

网络切片可基于传统的专有硬件构建，也可基于NFV/SDN的通用基础设施构建，建议基于统一平台构建，实现低成本高效运营。

◆网络切片的选择

NSSF与NRF为5G区别于4G网络的新增功能实体，可实现网络切片相关功能。

网络切片选择协助信息（NSSAI）

作为签约信息，标识特定的网络切片，同时由终端携带，UE通过NSSAI来进行RAN和CN的网络切片实例的选择。

网络切片选择功能（NSSF）

引入独立的NSSF控制平面网络功能，实现网络切片的灵活选择，为UR选择网络切片实例集，确定允许的NSSAI，并基于配置或者向NRF询问来确定为UE服务的AMF集。

◆网络切片部署策略

根据标准的完善程度、产品支持情况、用户需求，网络切片的部署建议：单域到跨域，由核心网逐步演进至无线、传输领域；切片业务类型由eMBB业务逐步到uRLLC /mIoT，再按需扩展；切片设计由运营商独立设计到切片能力开放；切片管理由基本的切片配置管理及生命周期管理到自动化编排。单域到跨域，由核心网逐步演进至无线、传输领域；切片业务类型由eMBB业务逐步到uRLLC /mIoT，再按需扩展；切片设计由运营商独立设计到切片能力开放；各切片独立管理，独立升级，独立演进；切片管理由基本的切片配置管理及生命周期管理到自动化编排。

根据不同场景选择不同的方案：

运营商个人用户切片场景：AMF/PCF/UDM/NRF共享，不同切片包含不同的SMF/UPF；由运营商统一控制切片之间采用的策略；切片间使用相同的用户签约数据；

企业专网切片场景：AMF/UDM/NRF共享，SMF/UPF/PCF每个切片单独部署，通过在切片中部署独立的策略管理，每个切片可以为会话和业务路由设定特定的策略；

有独立放卡放号需求的虚拟运营的场景：AMF/SMF/UPF/NRF/UDM/PCF每个切片单独部署；

通过上面的分析，我们发现网络切片技术成为了移动核心网网络架构改革的新元素。各设备厂商也将开始陆续发布设备产品。

5G技术在通信网的发展还需要进一步研发与测试，其性能与可靠性还需要做进一步的改进。

3   结束语

本文对当前核心网现状及问题进行了详细的分析，在此基础上，阐述了核心网未来发展方向所涉及的关键技术，包括NFV虚拟化技术、网络切片技术等。通过对关键技术发展的探讨，分析了今后核心网依靠关键技术演进的过程，尤其重点分析网络切片技术的部署对网络未来演进发展的影响。

大视频、物联网、VR/AR、自动驾驶的快速发展，对网络容量、可靠性提出了新要求，核心网5G演进是必然趋势，相信通过技术发展，能够为5G助力，提升运营商未来发展竞争力。