论文部分内容阅读
【摘要】 文章阐述了5G核心网架构包含微服务架构、DevOps、容器化及动态编排等内容，分析现有5G核心网架构特点及劣势，建议考虑产品成熟度与业务需求，5G商用需将其划分为三个阶段，分别为商用现有分组核心网、初期引入及中后期融合，以此实现5G核心网平滑演进。
【关键词】 5G 核心网架构 演进
引言：
移动通信改变了人们生活，为适应未来超高连接数、超高流量密度、超高移动性能需求，涌现出各种增强现实、虚拟现实、高清视频等业务，且逐渐渗透至物联网领域中，推动了5G系统的研发，满足各行业需求。5G业务包含大连接、高速率、低延时等场景，推动移动通信深入行业领域，且借鉴IT的“微服务”领域，采取服务化架构拆解网络功能为独立NF，提供资管理、自包含、可重用网络功能。5G网络架构及业务链接特征对核心网提出了新的要求，应采取革命性、全新的技术架构，以业务及用户需求为导向，构建云化、开放、敏捷的网络。
一、5G核心网架构类型
5G网络是基于4G网络的新型网络技术，核心组网架构可实现GW与UE的无缝切换，以逻辑层面而言，5G核心网架构可分为统一和新接入网络与异构接入网络。其中，统一核心网络包含Core Cloud与Edge Cloud，异构接入网络技术种类较多，无论是5G接入还是4G接入方式，均为异构接入网络。5G核心网设计之初，已经应用SDN与NFV架构，组网架构包含以下内容：
1.微服务架构。以现有通信网络而言，网络升级与集成十分复杂，开放功能缓慢，微服务架构中增加诸多模块，将统一应用程序分解为无固定状态、小粒度的“微”服务。在松散状态下，微服务可实现自动复制，平稳应对删除、增加场景，无须重大改变，即便崩溃一个微服务，另一个也能够立即代替，中间无间隔，不会对服务器运行造成影响。
2.DevOps内容。DevOps有助于人员测试、构建服务，包含微服务，可提高整体运作效率，管理微服务环境，实现自动化完成。
3.容器化。将软件打包，应用集装箱思想，运输中密封集装箱，到达目的地后打开，可提高运输及装卸效率。软件打包中应用该原理，则可具有环境隔离性与重复性，人们应用中仅需将微服务或代码打包至容器内，可在操作系统内运行。
4.动态编排。该内容作为管理、调度内容，能够更好利用各项资源，操作中系统需管理主机资源的同时，也要适当管理容器，之后通过API接口集成器扩展任务。
二、5G核心网特点及问题
5G为满足多样场景下不同业务需求，应当做到按需服务，核心网灵活建设，通过借鉴先进技术，打破传统局限性，实现架构创新发展，为网络部署带来了新的机遇。
1.在5G核心网发展下，其从4G“网元”向5G网络解耦重构，结合统一规范要求及硬件设施，重新部署软件功能，降低部署成本，实现灵活应用。但是，5G网络接口较多，且增加了诸多功能，导致核心网部署难度有所提高。
2. 5G硬件应用中，可分为通用硬件及专属硬件，需按照通用硬件情况，实现用户面和控制面的分离，采取新型移动、绘画管理模式，实现多功能网络组合。而在实际运行中，虚拟设备由于研发较晚，仍有较大改进空间，性能、质量等均不满足网络要求，三层解耦不充分，需健全虚拟网络编排。
3. 5G核心网络中，使用互联网协议，为其提供开放API标准，做到面向服务实现深度融合ICT接口与架构，共享成熟互联网技术。但是，新旧通信协议的兼容及网络运维态和设计态的切换，提出了新的运维管理要求。
4. 5G利用边缘计算及网络切片性能，使用专业逻辑网络，借助网络功能做到按需配置，以此为用户提供优质服务。而实际运行中，网络切片作为端到端理念，对于多专业切片协同管理具有较高要求，用户种类较多，信息需求不同，为此应制定5G垂直商业发展规划。
三、5G核心网架商用部署演进
考虑产品成熟度与业务需求，5G商用需将其划分为三个阶段，分别为商用现有分组核心网演进、初期引入策略建议及中后期融合EPC演进（见图1）。
3.1核心网云化
电信云数据中心布局，云化分组域核心网，各个省市应当按照核心、边缘这两级电信云DC规划的建设，以此满足5G部署要求，实现分布式部署。并且，按照要求在低接入节点位置，接入边缘计算设备，做好平面控制工作，核心DC完成MME及5GCP的部署，控制HSS/UDM网元，做到网络的集中调度与控制，还能在省中心部署网络5GUPF平面用户设备。分部署用户面部署中，边缘DC部署GW-U、5GUPF等平面用户网元，迅速卸载流量，优化用户体验与流量，促进网络效率提高。在灵活部署功能中，网元向软件化、通用平台演进作为基础，5G中先部署NFV，积累运维经验，为资源调度提供支持。EPC核心网分离验证，实现NFV主要网元云化试点验证，验证成熟后能够对分组核心网增加容量及替换老旧设备，根据NFV云华设备加以考虑，使得核心网能够平滑演进成5G核心网。
3.2 C/U网关分离
在规划阶段考虑迅速发展数据流量、CDN融合下沉与分布式5G核心网部署要求，根据省中心机房情况，调整网络架构，将用户面向地市下沉，提高用户体验。C/U分离架构如下：
1.以C/U分离部署。按照厂商产品成熟性，直接部署C/U分离NFV ，平滑演进至5GUPF。
2.以NFV云化部署。5G部署中NFV云化作为前提，网关可通过NFV云化方式实现直接下沉部署，平滑演进至5GUPF。
3.分步骤下沉。可采取分步骤下沉至地市方式，以确保现有传统设备投资与网络安全。
5G商用版本中3GPP R15作為第一个标准，运营商2018年下半年开始验证5G网络试点，实现端到端的网络特性与功能验证，为商用5G奠定技术储备与验证。 3.3核心网商用升级
在3GPP标准中部署模式分为非独立组网与独立组网，根据5G网络部署线路，以核心网层面而言，部署核心网有两种方式，选用option3/3a/3x 架构部署，需升级现网EPC为EPC+，采取其他部署模式，则需新建核心网。在EPC升级中，为支持option3x架构部署，升级为EPC+中需全部升级现有PCRF、 HSS网络，支持QoS扩展、NR接入限制、5G签约扩展、计费扩展等，网元升级包含DNS、SAE-GW、HSS、CG、MME、PCRF，新增5GNR和option3x之间S1-U接口，增强设备处理用户面性能。5G核心网架构如下：
1.EPC核心网与5G核心网为实现互相操作，根据标准中的5G网络功能融合EPC网络功能。UDM/HSS融合，签约管理统一，确保用户数据相同;PCF/PCRF融合，策略管理统一，确保策略相同连续;UPF/PGW-U融合，用户面锚点融合，不改变移动锚点确保连续业务;SMF/PGW-C融合，会话管理锚点统一。
2.PCRF和PCF融合、UDM 和HSS融合，做到换卡不换号，以免影响用户正常生活，实现统一用户数据管理，按照现网PCRF设备存量，实现硬件设施的平滑过渡与替换。
3.MME现网升级能够为AMF及N26接口操作，实现传递会话、移动性管理等文件，做到业务与会话的无缝衔接，在5G网和EPC融合后，N26接口也演变成内部接口。AMF/MME融合中，可提高操作效率、共享资源，优化用户体验。5G与4G长期内实现共存，以N26接口的操作架构，能够实现4G/5G业务平滑迁移与组网平滑演进。
4.5G信令网建设，和DRA融合演进，对于5G信令设备3GPP规范尚未提出明确要求，却通过TS23.501明确proxy设备重要性。5G控制面板协议以3GPP将其确定成HTTP2.0，通过HTTP proxy能够均衡负载、简化组网、控制流量、隐藏拓扑。部署5G信令网可应用Diameter/HTTP模式，应用省级与大区级组网模式，有助于4G/5G平滑演进。
5.在3GPP中确定以IMS为基础提供语音业务，不能直接和2G/3G语音操作，不改变IMS网络，按照5G部署方案，选择IMS现网平滑演进。在基于EPC的5G语音部署中，沿用4G网络处理语音流程，不改变IMS;基于5GC的5G语音部署，需增强IMS系统功能及接口，支持Vo NR。终端支持单注册，网络侧比选部署单待切换终端方案，EPC与5G紧耦合部署，可实现5G与4G语音连续。
3.4统一核心网
在EPC核心网云化且ATCA传统设备陆续退网后，可推动核心网平滑演进为云化全融合核心网，在同等基础设施上实现5G与EPC核心网部署，vEPC能够向上升级，以此支持5GC融合，而新建5GC可实现向下EPC兼容，融合网元功能，以此借助网络切片实现业务场景多元化需求。
四、结束语
综上所述，以网络演进与支撑业务发展为核心，5G核心网建设未来将以EPC与5G核心融合组网架构为抓手，推进EPC云化转型，实现5GC的成熟商用，优化网络架构，实现云化融合核心网。根据核心网架构，提前布局基础设备，按照各省需求实现基础资源建設规划。
参 考 文 献
[1]杨文强，王友祥，唐雄燕，王立文.面向云原生的5G核心网云化架构和演进策略[J].邮电设计技术，2021（03）：12-15.
[2]张宗晓，黄敏，王大朋，吴明明，邹鑫.NSA与SA共存网络架构能力对5G平滑演进的必要性探讨[J].中国新通信，2020，22（19）：92-93.
[3]吴英娜，余永聪.5G核心网组网方案分析及演进路线研究[J].数字技术与应用，2019，37（07）：28-29.
[4]沈孝萍，曹广山，陈成运.移动核心网的发展及演进[J].广东通信技术，2019，39（07）：64-69.
【关键词】 5G 核心网架构 演进
引言：
移动通信改变了人们生活，为适应未来超高连接数、超高流量密度、超高移动性能需求，涌现出各种增强现实、虚拟现实、高清视频等业务，且逐渐渗透至物联网领域中，推动了5G系统的研发，满足各行业需求。5G业务包含大连接、高速率、低延时等场景，推动移动通信深入行业领域，且借鉴IT的“微服务”领域，采取服务化架构拆解网络功能为独立NF，提供资管理、自包含、可重用网络功能。5G网络架构及业务链接特征对核心网提出了新的要求，应采取革命性、全新的技术架构，以业务及用户需求为导向，构建云化、开放、敏捷的网络。
一、5G核心网架构类型
5G网络是基于4G网络的新型网络技术，核心组网架构可实现GW与UE的无缝切换，以逻辑层面而言，5G核心网架构可分为统一和新接入网络与异构接入网络。其中，统一核心网络包含Core Cloud与Edge Cloud，异构接入网络技术种类较多，无论是5G接入还是4G接入方式，均为异构接入网络。5G核心网设计之初，已经应用SDN与NFV架构，组网架构包含以下内容：
1.微服务架构。以现有通信网络而言，网络升级与集成十分复杂，开放功能缓慢，微服务架构中增加诸多模块，将统一应用程序分解为无固定状态、小粒度的“微”服务。在松散状态下，微服务可实现自动复制，平稳应对删除、增加场景，无须重大改变，即便崩溃一个微服务，另一个也能够立即代替，中间无间隔，不会对服务器运行造成影响。
2.DevOps内容。DevOps有助于人员测试、构建服务，包含微服务，可提高整体运作效率，管理微服务环境，实现自动化完成。
3.容器化。将软件打包，应用集装箱思想，运输中密封集装箱，到达目的地后打开，可提高运输及装卸效率。软件打包中应用该原理，则可具有环境隔离性与重复性，人们应用中仅需将微服务或代码打包至容器内，可在操作系统内运行。
4.动态编排。该内容作为管理、调度内容，能够更好利用各项资源，操作中系统需管理主机资源的同时，也要适当管理容器，之后通过API接口集成器扩展任务。
二、5G核心网特点及问题
5G为满足多样场景下不同业务需求，应当做到按需服务，核心网灵活建设，通过借鉴先进技术，打破传统局限性，实现架构创新发展，为网络部署带来了新的机遇。
1.在5G核心网发展下，其从4G“网元”向5G网络解耦重构，结合统一规范要求及硬件设施，重新部署软件功能，降低部署成本，实现灵活应用。但是，5G网络接口较多，且增加了诸多功能，导致核心网部署难度有所提高。
2. 5G硬件应用中，可分为通用硬件及专属硬件，需按照通用硬件情况，实现用户面和控制面的分离，采取新型移动、绘画管理模式，实现多功能网络组合。而在实际运行中，虚拟设备由于研发较晚，仍有较大改进空间，性能、质量等均不满足网络要求，三层解耦不充分，需健全虚拟网络编排。
3. 5G核心网络中，使用互联网协议，为其提供开放API标准，做到面向服务实现深度融合ICT接口与架构，共享成熟互联网技术。但是，新旧通信协议的兼容及网络运维态和设计态的切换，提出了新的运维管理要求。
4. 5G利用边缘计算及网络切片性能，使用专业逻辑网络，借助网络功能做到按需配置，以此为用户提供优质服务。而实际运行中，网络切片作为端到端理念，对于多专业切片协同管理具有较高要求，用户种类较多，信息需求不同，为此应制定5G垂直商业发展规划。
三、5G核心网架商用部署演进
考虑产品成熟度与业务需求，5G商用需将其划分为三个阶段，分别为商用现有分组核心网演进、初期引入策略建议及中后期融合EPC演进（见图1）。
3.1核心网云化
电信云数据中心布局，云化分组域核心网，各个省市应当按照核心、边缘这两级电信云DC规划的建设，以此满足5G部署要求，实现分布式部署。并且，按照要求在低接入节点位置，接入边缘计算设备，做好平面控制工作，核心DC完成MME及5GCP的部署，控制HSS/UDM网元，做到网络的集中调度与控制，还能在省中心部署网络5GUPF平面用户设备。分部署用户面部署中，边缘DC部署GW-U、5GUPF等平面用户网元，迅速卸载流量，优化用户体验与流量，促进网络效率提高。在灵活部署功能中，网元向软件化、通用平台演进作为基础，5G中先部署NFV，积累运维经验，为资源调度提供支持。EPC核心网分离验证，实现NFV主要网元云化试点验证，验证成熟后能够对分组核心网增加容量及替换老旧设备，根据NFV云华设备加以考虑，使得核心网能够平滑演进成5G核心网。
3.2 C/U网关分离
在规划阶段考虑迅速发展数据流量、CDN融合下沉与分布式5G核心网部署要求，根据省中心机房情况，调整网络架构，将用户面向地市下沉，提高用户体验。C/U分离架构如下：
1.以C/U分离部署。按照厂商产品成熟性，直接部署C/U分离NFV ，平滑演进至5GUPF。
2.以NFV云化部署。5G部署中NFV云化作为前提，网关可通过NFV云化方式实现直接下沉部署，平滑演进至5GUPF。
3.分步骤下沉。可采取分步骤下沉至地市方式，以确保现有传统设备投资与网络安全。
5G商用版本中3GPP R15作為第一个标准，运营商2018年下半年开始验证5G网络试点，实现端到端的网络特性与功能验证，为商用5G奠定技术储备与验证。 3.3核心网商用升级
在3GPP标准中部署模式分为非独立组网与独立组网，根据5G网络部署线路，以核心网层面而言，部署核心网有两种方式，选用option3/3a/3x 架构部署，需升级现网EPC为EPC+，采取其他部署模式，则需新建核心网。在EPC升级中，为支持option3x架构部署，升级为EPC+中需全部升级现有PCRF、 HSS网络，支持QoS扩展、NR接入限制、5G签约扩展、计费扩展等，网元升级包含DNS、SAE-GW、HSS、CG、MME、PCRF，新增5GNR和option3x之间S1-U接口，增强设备处理用户面性能。5G核心网架构如下：
1.EPC核心网与5G核心网为实现互相操作，根据标准中的5G网络功能融合EPC网络功能。UDM/HSS融合，签约管理统一，确保用户数据相同;PCF/PCRF融合，策略管理统一，确保策略相同连续;UPF/PGW-U融合，用户面锚点融合，不改变移动锚点确保连续业务;SMF/PGW-C融合，会话管理锚点统一。
2.PCRF和PCF融合、UDM 和HSS融合，做到换卡不换号，以免影响用户正常生活，实现统一用户数据管理，按照现网PCRF设备存量，实现硬件设施的平滑过渡与替换。
3.MME现网升级能够为AMF及N26接口操作，实现传递会话、移动性管理等文件，做到业务与会话的无缝衔接，在5G网和EPC融合后，N26接口也演变成内部接口。AMF/MME融合中，可提高操作效率、共享资源，优化用户体验。5G与4G长期内实现共存，以N26接口的操作架构，能够实现4G/5G业务平滑迁移与组网平滑演进。
4.5G信令网建设，和DRA融合演进，对于5G信令设备3GPP规范尚未提出明确要求，却通过TS23.501明确proxy设备重要性。5G控制面板协议以3GPP将其确定成HTTP2.0，通过HTTP proxy能够均衡负载、简化组网、控制流量、隐藏拓扑。部署5G信令网可应用Diameter/HTTP模式，应用省级与大区级组网模式，有助于4G/5G平滑演进。
5.在3GPP中确定以IMS为基础提供语音业务，不能直接和2G/3G语音操作，不改变IMS网络，按照5G部署方案，选择IMS现网平滑演进。在基于EPC的5G语音部署中，沿用4G网络处理语音流程，不改变IMS;基于5GC的5G语音部署，需增强IMS系统功能及接口，支持Vo NR。终端支持单注册，网络侧比选部署单待切换终端方案，EPC与5G紧耦合部署，可实现5G与4G语音连续。
3.4统一核心网
在EPC核心网云化且ATCA传统设备陆续退网后，可推动核心网平滑演进为云化全融合核心网，在同等基础设施上实现5G与EPC核心网部署，vEPC能够向上升级，以此支持5GC融合，而新建5GC可实现向下EPC兼容，融合网元功能，以此借助网络切片实现业务场景多元化需求。
四、结束语
综上所述，以网络演进与支撑业务发展为核心，5G核心网建设未来将以EPC与5G核心融合组网架构为抓手，推进EPC云化转型，实现5GC的成熟商用，优化网络架构，实现云化融合核心网。根据核心网架构，提前布局基础设备，按照各省需求实现基础资源建設规划。
参 考 文 献
[1]杨文强，王友祥，唐雄燕，王立文.面向云原生的5G核心网云化架构和演进策略[J].邮电设计技术，2021（03）：12-15.
[2]张宗晓，黄敏，王大朋，吴明明，邹鑫.NSA与SA共存网络架构能力对5G平滑演进的必要性探讨[J].中国新通信，2020，22（19）：92-93.
[3]吴英娜，余永聪.5G核心网组网方案分析及演进路线研究[J].数字技术与应用，2019，37（07）：28-29.
[4]沈孝萍，曹广山，陈成运.移动核心网的发展及演进[J].广东通信技术，2019，39（07）：64-69.