5G核心網(wǎng)演進(jìn)過(guò)程與現(xiàn)存問(wèn)題分析

隨著5G技術(shù)的到來(lái)，世界即將步入一個(gè)數(shù)據(jù)大爆炸的時(shí)代，這將是一個(gè)跳躍性的發(fā)展、是一場(chǎng)變革，它將意味著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將實(shí)現(xiàn)顛覆性的轉(zhuǎn)變。它將不再是人與人之間的通信，轉(zhuǎn)而變成人與物、物與物之間的通信，這種大連接、低時(shí)延、高速率的網(wǎng)絡(luò)將會(huì)給核心網(wǎng)帶來(lái)巨大的影響。隨著5G商用時(shí)間點(diǎn)的逼近，核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)如何發(fā)展將起著關(guān)鍵性的作用，尤其在核心網(wǎng)未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向、演進(jìn)過(guò)程中面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

1?? 核心網(wǎng)現(xiàn)狀與問(wèn)題分析

在前不久舉辦的2018上海世界移動(dòng)大會(huì)上，中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)電信三大運(yùn)營(yíng)商亮出了時(shí)間表：計(jì)劃到2020年，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)正式商用。作為第五代移動(dòng)通信，5G網(wǎng)絡(luò)帶給人們的第一感覺(jué)是速度快。4G時(shí)代主要實(shí)現(xiàn)了“人與人”的快速通訊連接，但5G的“志向”遠(yuǎn)不止于此，它的目標(biāo)是要讓更多的“人和物”、“物和物”快速相連，進(jìn)而推進(jìn)萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)。5G的高速率、高穩(wěn)定性和低時(shí)延特性將提高無(wú)人駕駛的安全性能，除了無(wú)人駕駛，在遠(yuǎn)程操控、智能家居等應(yīng)用場(chǎng)景也將進(jìn)一步走近消費(fèi)者。根據(jù)目前業(yè)界的分析，全球5G應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅饕性谲?chē)聯(lián)網(wǎng)、公共安全、智慧城市、媒體及信息娛樂(lè)四個(gè)方面。這也是業(yè)界人士認(rèn)為5G網(wǎng)絡(luò)最大的價(jià)值，“能夠和更多的產(chǎn)業(yè)深度融合”。

當(dāng)前，中國(guó)移動(dòng)對(duì)5G 基本架構(gòu)已有初步共識(shí)，就是要支持多種接入、降低不同接入方式和核心網(wǎng)的耦合、實(shí)現(xiàn)按需的組網(wǎng)、借力NFV/SDN技術(shù)。NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）技術(shù)的出現(xiàn)有效的解決了核心網(wǎng)架構(gòu)的弊端，為運(yùn)營(yíng)商提供了一個(gè)良好的發(fā)展機(jī)遇，將NFV技術(shù)引入移動(dòng)核心網(wǎng)具有重要意義。

隨著商用時(shí)間的逼近，5G網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)到了發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，中國(guó)移動(dòng)提出了5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)三大設(shè)計(jì)原則，首先是從剛性到軟性，也就是從固態(tài)網(wǎng)絡(luò)到動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化、網(wǎng)絡(luò)功能的解耦和服務(wù)化。其次是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)IP化、互聯(lián)網(wǎng)化，也就是實(shí)現(xiàn)與IT網(wǎng)絡(luò)互通融合，引入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。最后是集中化智能和分布化處理，集中化智能—功能集中化，為垂直行業(yè)提供個(gè)性化增值服務(wù)，并分布化處理—移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)功能靠近用戶(hù)，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低時(shí)延。以SDN/NFV 技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)云化，加上微服務(wù)設(shè)計(jì)，這意味著5G 網(wǎng)絡(luò)真正走向開(kāi)放化、服務(wù)化、軟件化方向，有利于實(shí)現(xiàn)5G與垂直行業(yè)融合發(fā)展。

今年6月，3GPP?5G NR標(biāo)準(zhǔn)SA（獨(dú)立組網(wǎng)）方案正式完成并發(fā)布，標(biāo)志著首個(gè)真正完整意義的國(guó)際5G標(biāo)準(zhǔn)正式出爐。SA獨(dú)立組網(wǎng)相對(duì)于NSA（非獨(dú)立組網(wǎng)）存在，其引入的新能力也是5G區(qū)別于4G的一個(gè)重要特征。NSA模式是只建5G基站，不建5G核心網(wǎng)，不能做到終端到終端直達(dá)的5G網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)傳輸要經(jīng)過(guò)的路徑多，時(shí)延也很長(zhǎng)，不能很好地支持網(wǎng)路切片、邊緣計(jì)算等5G的技術(shù)特征。而SA獨(dú)立組網(wǎng)模式下，5G的基站連接5G的核心網(wǎng)，可通過(guò)核心網(wǎng)下沉部署到基站側(cè)，使傳輸信號(hào)所需要經(jīng)過(guò)的路徑很少，可以直接從基站側(cè)到達(dá)業(yè)務(wù)服務(wù)器。

在4G網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的核心網(wǎng)網(wǎng)元之間有著固定的通訊鏈路和通訊路徑，用戶(hù)的位置信息必須從無(wú)線(xiàn)基站上報(bào)給MME，然后由MME通過(guò)S-GW傳遞給P-GW，最終傳遞給PCRF進(jìn)行策略的更新。而在5G核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)下，各網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)之間可以根據(jù)需求任意通訊，極大地優(yōu)化了通訊路徑。

伴隨著虛擬化技術(shù)運(yùn)用在電信領(lǐng)域，傳統(tǒng)意義上的核心網(wǎng)網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)了軟硬件解耦，軟件部分被稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)功能（Network Function）。3GPP定義的服務(wù)化結(jié)構(gòu)將一個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)一步拆分成若干個(gè)自包含、自管理、可重用的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)（NF Service），這些網(wǎng)絡(luò)功能相互之間解耦，具備獨(dú)立升級(jí)、獨(dú)立彈性的能力，具備標(biāo)準(zhǔn)接口與其他網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)互通，并且可通過(guò)編排工具根據(jù)不同的需求進(jìn)行編排和實(shí)例化部署。這種網(wǎng)元拆分與經(jīng)常談?wù)摰脑圃蛭⒎?wù)架構(gòu)有著相似的理念，而3GPP進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化定義，并為每個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)功能定義了一組具備對(duì)外互通標(biāo)準(zhǔn)接口的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)。

2?? 基于5G核心網(wǎng)演進(jìn)

5G時(shí)代通信技術(shù)的另一次變革，實(shí)現(xiàn)了由個(gè)人應(yīng)用向行業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，核心網(wǎng)需要不斷演進(jìn)以適應(yīng)更高流量需求及更優(yōu)的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

2.1? 核心網(wǎng)NFV

定義：NFV（Network Functions Virtualization）網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，是指通過(guò)使用虛擬化軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)元的軟硬解耦，不同廠(chǎng)家的軟件運(yùn)行在統(tǒng)一的虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施上。它的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）降低運(yùn)營(yíng)商總體CAPEX/OPEX；

（2）減少新業(yè)務(wù)及服務(wù)市場(chǎng)投放時(shí)間；

（3）增加架構(gòu)靈活性，實(shí)現(xiàn)彈性架構(gòu)；

（4）更加開(kāi)放的虛擬化應(yīng)用及純軟件應(yīng)用的平臺(tái)；

（5）降低創(chuàng)新業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)部署成本。

從今天的網(wǎng)絡(luò)向未來(lái)NFV網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，意味著：

業(yè)務(wù)部署復(fù)雜，向靈活快速部署演進(jìn)；

運(yùn)維復(fù)雜，向簡(jiǎn)化運(yùn)維演進(jìn)；

硬件設(shè)備種類(lèi)多種多樣，向歸一化硬件、資源共享演進(jìn)；

創(chuàng)新困難、商業(yè)機(jī)會(huì)有限，向推動(dòng)創(chuàng)新、多商用機(jī)會(huì)演進(jìn)。

NFV是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)性技術(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)軟件化的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)。核心網(wǎng)虛擬化是NFV在移動(dòng)核心網(wǎng)中的具體應(yīng)用，其最終目標(biāo)是利用標(biāo)準(zhǔn)的X86服務(wù)器存儲(chǔ)和交換設(shè)備來(lái)取代原通信網(wǎng)絡(luò)中專(zhuān)用網(wǎng)元。X86標(biāo)準(zhǔn)的IT設(shè)備成本低廉，能夠?yàn)檫\(yùn)營(yíng)商節(jié)省大量的投資成本。經(jīng)過(guò)軟硬件解耦后，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能將不再依靠傳統(tǒng)專(zhuān)用硬件，能夠?qū)崿F(xiàn)資源的靈活共享，并有利于新業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)和快速部署。

2.2? 網(wǎng)絡(luò)切片

移動(dòng)通信系統(tǒng)每十年變遷，技術(shù)支持應(yīng)用，應(yīng)用基于場(chǎng)景：3G、4G的發(fā)展得益于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，5G除了移動(dòng)互聯(lián)增強(qiáng)，另一驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于物聯(lián)網(wǎng)。4G升級(jí)5G，從移動(dòng)互聯(lián)到萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代。5G將在8大KPI指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)對(duì)4G的全面超越。其中峰值數(shù)據(jù)傳輸速率將達(dá)到20Gbit/s，用戶(hù)體驗(yàn)速率達(dá)到100Mbit/s，時(shí)間延遲低于1ms。以上指標(biāo)都是傳統(tǒng)4G技術(shù)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，這也預(yù)示著5G將采用全新的技術(shù)方案，因此我們需要-網(wǎng)絡(luò)切片。

網(wǎng)絡(luò)切片可以實(shí)現(xiàn)：

（1）針對(duì)大型企業(yè)/垂直和MVNO的新型服務(wù)，按需滿(mǎn)足不同經(jīng)濟(jì)形式的“恰到好處”的服務(wù)

（2）能夠針對(duì)特定服務(wù)的價(jià)格和性能進(jìn)行優(yōu)化

（3）增強(qiáng)安全性，通過(guò)特定的加密技術(shù)和隔離進(jìn)行定制服務(wù)

（4）跨運(yùn)營(yíng)商的行業(yè)切片部署（例如，針對(duì)國(guó)家智能電網(wǎng)的兩個(gè)運(yùn)營(yíng)商之間的

（5）網(wǎng)絡(luò)切片或用于全球服務(wù)范圍的聯(lián)合切片）

5G網(wǎng)絡(luò)切片將成為5G時(shí)代面向垂直行業(yè)的第一應(yīng)用和基礎(chǔ)業(yè)務(wù)形式，面向垂直行業(yè)的需求，提供定制化、相互隔離、質(zhì)量可保證的專(zhuān)用邏輯網(wǎng)絡(luò)。

◆網(wǎng)絡(luò)切片的概念

網(wǎng)絡(luò)切片是端到端的邏輯功能集合和其所需的物理或虛擬資源，包括接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、傳輸網(wǎng)等，網(wǎng)絡(luò)切片可認(rèn)為是5G網(wǎng)絡(luò)中的虛擬化“專(zhuān)網(wǎng)”。

網(wǎng)絡(luò)切片可基于傳統(tǒng)的專(zhuān)有硬件構(gòu)建，也可基于NFV/SDN的通用基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建，建議基于統(tǒng)一平臺(tái)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)低成本高效運(yùn)營(yíng)。

◆網(wǎng)絡(luò)切片的選擇

NSSF與NRF為5G區(qū)別于4G網(wǎng)絡(luò)的新增功能實(shí)體，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片相關(guān)功能。

網(wǎng)絡(luò)切片選擇協(xié)助信息（NSSAI）

作為簽約信息，標(biāo)識(shí)特定的網(wǎng)絡(luò)切片，同時(shí)由終端攜帶，UE通過(guò)NSSAI來(lái)進(jìn)行RAN和CN的網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例的選擇。

網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能（NSSF）

引入獨(dú)立的NSSF控制平面網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的靈活選擇，為UR選擇網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例集，確定允許的NSSAI，并基于配置或者向NRF詢(xún)問(wèn)來(lái)確定為UE服務(wù)的AMF集。

◆網(wǎng)絡(luò)切片部署策略

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的完善程度、產(chǎn)品支持情況、用戶(hù)需求，網(wǎng)絡(luò)切片的部署建議：?jiǎn)斡虻娇缬?，由核心網(wǎng)逐步演進(jìn)至無(wú)線(xiàn)、傳輸領(lǐng)域；切片業(yè)務(wù)類(lèi)型由eMBB業(yè)務(wù)逐步到uRLLC /mIoT，再按需擴(kuò)展；切片設(shè)計(jì)由運(yùn)營(yíng)商獨(dú)立設(shè)計(jì)到切片能力開(kāi)放；切片管理由基本的切片配置管理及生命周期管理到自動(dòng)化編排。單域到跨域，由核心網(wǎng)逐步演進(jìn)至無(wú)線(xiàn)、傳輸領(lǐng)域；切片業(yè)務(wù)類(lèi)型由eMBB業(yè)務(wù)逐步到uRLLC /mIoT，再按需擴(kuò)展；切片設(shè)計(jì)由運(yùn)營(yíng)商獨(dú)立設(shè)計(jì)到切片能力開(kāi)放；各切片獨(dú)立管理，獨(dú)立升級(jí)，獨(dú)立演進(jìn)；切片管理由基本的切片配置管理及生命周期管理到自動(dòng)化編排。

根據(jù)不同場(chǎng)景選擇不同的方案：

運(yùn)營(yíng)商個(gè)人用戶(hù)切片場(chǎng)景：AMF/PCF/UDM/NRF共享，不同切片包含不同的SMF/UPF；由運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一控制切片之間采用的策略；切片間使用相同的用戶(hù)簽約數(shù)據(jù)；

企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)切片場(chǎng)景：AMF/UDM/NRF共享，SMF/UPF/PCF每個(gè)切片單獨(dú)部署，通過(guò)在切片中部署獨(dú)立的策略管理，每個(gè)切片可以為會(huì)話(huà)和業(yè)務(wù)路由設(shè)定特定的策略；

有獨(dú)立放卡放號(hào)需求的虛擬運(yùn)營(yíng)的場(chǎng)景：AMF/SMF/UPF/NRF/UDM/PCF每個(gè)切片單獨(dú)部署；

通過(guò)上面的分析，我們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)成為了移動(dòng)核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改革的新元素。各設(shè)備廠(chǎng)商也將開(kāi)始陸續(xù)發(fā)布設(shè)備產(chǎn)品。

5G技術(shù)在通信網(wǎng)的發(fā)展還需要進(jìn)一步研發(fā)與測(cè)試，其性能與可靠性還需要做進(jìn)一步的改進(jìn)。

3?? 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)當(dāng)前核心網(wǎng)現(xiàn)狀及問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析，在此基礎(chǔ)上，闡述了核心網(wǎng)未來(lái)發(fā)展方向所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，包括NFV虛擬化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)等。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的探討，分析了今后核心網(wǎng)依靠關(guān)鍵技術(shù)演進(jìn)的過(guò)程，尤其重點(diǎn)分析網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的部署對(duì)網(wǎng)絡(luò)未來(lái)演進(jìn)發(fā)展的影響。

大視頻、物聯(lián)網(wǎng)、VR/AR、自動(dòng)駕駛的快速發(fā)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量、可靠性提出了新要求，核心網(wǎng)5G演進(jìn)是必然趨勢(shì)，相信通過(guò)技術(shù)發(fā)展，能夠?yàn)?G助力，提升運(yùn)營(yíng)商未來(lái)發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)力。