輕量化5G核心網(wǎng)的實現(xiàn)方式

自2019年6月我國發(fā)放5G商用牌照以來，5G基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善，5G用戶數(shù)量迅速增長。同時，5G to B優(yōu)勢不斷凸顯，行業(yè)用戶對網(wǎng)絡(luò)可靠性、數(shù)據(jù)保密性等需求愈加迫切。由于基于公網(wǎng)的5G核心網(wǎng)難以滿足專網(wǎng)需求，越來越多的行業(yè)用戶明確提出了建設(shè)5G to B專用核心網(wǎng)的訴求。輕量化5G核心網(wǎng)（5G Lightweight Core Network，簡稱輕量化5GC）基于主流的專網(wǎng)建網(wǎng)模式研發(fā)，是產(chǎn)業(yè)界探索靈活便捷、低成本的5G行業(yè)專網(wǎng)的一大發(fā)展方向。

輕量化5GC的實現(xiàn)方式

傳統(tǒng)通信系統(tǒng)通過專用硬件平臺實現(xiàn)核心網(wǎng)部署。核心網(wǎng)軟硬件配置較為復(fù)雜，且具有高可靠性要求，因此，產(chǎn)業(yè)界只有部分專業(yè)設(shè)備廠商具備核心網(wǎng)產(chǎn)品的研發(fā)制造能力。進入5G時代后，核心網(wǎng)將控制面和用戶面徹底分離，原有架構(gòu)下的網(wǎng)元被拆分為多個網(wǎng)絡(luò)功能，這種方案更加匹配服務(wù)化架構(gòu)，各個網(wǎng)絡(luò)功能形成獨立體系，新增、升級網(wǎng)元不會影響其他網(wǎng)元。

5G核心網(wǎng)分離架構(gòu)明確了各網(wǎng)元間的分工，為輕量化5GC的實現(xiàn)提供了保障。輕量化5GC設(shè)備是一種利用較少資源實現(xiàn)核心網(wǎng)主要功能的技術(shù)產(chǎn)品，通常在單個硬件服務(wù)器上就能實現(xiàn)全部的核心網(wǎng)網(wǎng)元功能。同時，輕量化5GC設(shè)備具有體積小、能耗低、可裁剪、價格低等特點，充分降低了企業(yè)建網(wǎng)成本、網(wǎng)絡(luò)運維復(fù)雜度。企業(yè)可以根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求靈活定制核心網(wǎng)方案，最大程度地保障了專網(wǎng)安全性與數(shù)據(jù)自主性。在企業(yè)探索5G專網(wǎng)建設(shè)的背景下，輕量級5GC設(shè)備具有廣闊的市場空間。

5G核心網(wǎng)的核心功能包括以安全方式建立會話、轉(zhuǎn)發(fā)用戶數(shù)據(jù)以及為移動終端提供數(shù)據(jù)連接等，具體包括接入和移動性管理功能（AMF）、會話管理功能（SMF）、用戶面功能（UPF）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能（UDM）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲庫（UDR）、鑒權(quán)服務(wù)器功能（AUSF）及網(wǎng)絡(luò)儲存功能（NRF）等（見圖1）。

圖1 5GC核心功能架構(gòu)

目前，輕量化5GC基于標準5GC功能架構(gòu)進行了面向行業(yè)用戶的定制化裁剪。其中，擁有簡式結(jié)構(gòu)的輕量化5GC產(chǎn)品集成AMF、SMF、UDM和UPF四大網(wǎng)絡(luò)功能。

現(xiàn)階段，輕量化5GC的部署方式可歸納為3種。一是云部署模式。輕量化5GC各網(wǎng)絡(luò)功能整體部署在云計算廠商的云平臺上，5GC的全部網(wǎng)元均在云平臺上運行，并接受云平臺的統(tǒng)一管理。企業(yè)用戶的5G基站經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)專線接入云平臺，通過5GC實現(xiàn)互聯(lián)，進而形成一張完整的5G專網(wǎng)。企業(yè)用戶在該模式下可按照業(yè)務(wù)需求定制軟件功能，利用云計算廠商提供的資源池化及調(diào)度能力，靈活調(diào)整5G專網(wǎng)配置，與云平臺上的其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)無縫集成。二是一體機部署模式。輕量化5GC部署在一體機上，并在企業(yè)機房內(nèi)以獨立設(shè)備的形態(tài)運行。該模式中5GC各網(wǎng)元均運行在一體機中，使得核心網(wǎng)部署具有較強的場地適應(yīng)能力，方便企業(yè)現(xiàn)場靈活使用，并通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)用戶的5G基站及其他信息系統(tǒng)進行對接，形成一體化的5G專網(wǎng)。在此模式下，企業(yè)用戶應(yīng)具備系統(tǒng)管理能力，自行對5G專網(wǎng)進行配置管理。三是混合部署模式。企業(yè)根據(jù)自身的保密要求和業(yè)務(wù)模式將輕量化5GC靈活拆分，其中一部分網(wǎng)元采用云化方式部署，另一部分網(wǎng)元采用一體機方式部署。通常情況下，5GC控制面網(wǎng)元部署在云廠商提供的云平臺上，5GC數(shù)據(jù)面網(wǎng)元部署在企業(yè)機房的一體機中。該模式下，企業(yè)用戶既可以借助云平臺的能力對5G控制面實現(xiàn)彈性部署及高可用保障，又能夠利用一體機的獨立部署特性，一定程度上滿足數(shù)據(jù)保密需求。

輕量化5GC的產(chǎn)品現(xiàn)狀

輕量化5GC面向制造、能源、交通、政務(wù)等領(lǐng)域開展定制化服務(wù)，應(yīng)用場景以園區(qū)/大企業(yè)專網(wǎng)、企業(yè)跨域局域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)急通信等為主。輕量化5GC的垂直行業(yè)應(yīng)用需求主要來自于各類數(shù)據(jù)采集和工業(yè)自動化，適配制造業(yè)、能源與公用事業(yè)、運輸及物流行業(yè)等業(yè)務(wù)場景。當前三大運營商在垂直行業(yè)已實施的5G專網(wǎng)重點項目以制造業(yè)、電力、港口為主，在智慧制造、智慧工廠、智能電網(wǎng)、智慧港口、車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域均進行了5G專網(wǎng)應(yīng)用落地，主要業(yè)務(wù)涵蓋設(shè)備遠程操控、數(shù)據(jù)海量采集、現(xiàn)場移動作業(yè)等場景。

面向行業(yè)應(yīng)用，運營商針對輕量化5GC廣泛開展產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用試驗，利用定制化5G網(wǎng)絡(luò)補充現(xiàn)有公網(wǎng)能力。其中，中國電信天翼云輕量化5GC采用云原生架構(gòu)（見圖2），可以依據(jù)客戶業(yè)務(wù)需求靈活地選擇UPF設(shè)備和部署方式，進而面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、智慧園區(qū)等行業(yè)及中小企業(yè)，提供多樣、差異、靈活的5G行業(yè)專網(wǎng)服務(wù)，具備靈活部署、極簡高效、安全可靠等優(yōu)勢，實現(xiàn)了“一鍵部署”、“小時級開通”、用戶自服務(wù)等特性，可以面向垂直行業(yè)提供“5G網(wǎng)絡(luò)即插即用”的專網(wǎng)級網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。

圖2? 天翼云輕量化5GC示意

中國移動推出輕量化5G核心網(wǎng)OpenUPF一體機（詳見圖3），使得5G可以在真正有業(yè)務(wù)需求的園區(qū)、樓宇、廠區(qū)、港口等熱點地區(qū)精確、快速覆蓋。OpenUPF一體機中具有基于開源、N4解耦設(shè)計的自研UPF，輕量化、模塊化的設(shè)計理念，虛擬化、軟件化的實現(xiàn)方式，OTII通用服務(wù)器、白盒設(shè)備，低功耗的便攜半高小機柜。小型SPN保障了端到端的硬切片管道、高安全隔離性和確定性時延。

圖3? 中國移動OpenUPF服務(wù)架構(gòu)

中國聯(lián)通面向企業(yè)5G專網(wǎng)建設(shè)需求發(fā)布了5G輕量化一體機。5G專網(wǎng)一體機EdgePack集5G獨立專網(wǎng)、邊緣算力、行業(yè)應(yīng)用于一體，以多種規(guī)格配置滿足工業(yè)企業(yè)不同的應(yīng)用場景和網(wǎng)絡(luò)能力需求。5G邊緣一體機EdgePOD聚焦5G邊緣能力，將算力服務(wù)下沉至工業(yè)園區(qū)，滿足企業(yè)對生產(chǎn)的高可靠性、高安全性需求，結(jié)合定制化邊緣增值服務(wù)，實現(xiàn)5G邊緣應(yīng)用“即插即用”。

通信設(shè)備廠商也積極按照產(chǎn)業(yè)需求研發(fā)打造小型軟硬一體化5GC。中興通訊發(fā)布了面向5G行業(yè)專網(wǎng)的小型化i5GC（即行業(yè)5G核心網(wǎng)）解決方案，i5GC深度融合、優(yōu)化5G核心網(wǎng)功能，采用2U通用服務(wù)器實現(xiàn)了多網(wǎng)元的一體化，可根據(jù)用戶對安全性、流量處理和自主程度等的多樣化需求進行靈活定制，為不同場景提供用戶面功能（UPF）下沉、流量就近轉(zhuǎn)發(fā)、用戶數(shù)據(jù)本地管理等不同的功能組合和部署形態(tài)。三星于2020年宣布可提供商用的基于云原生的5G SA核心網(wǎng)產(chǎn)品，該產(chǎn)品通過微服務(wù)架構(gòu)、容器執(zhí)行環(huán)境、端到端靈活編排、自動化CI/CD、開源平臺服務(wù)等功能，滿足用戶業(yè)務(wù)快速開發(fā)部署與業(yè)務(wù)創(chuàng)新、迭代，實現(xiàn)降本增效。5G C市場的開拓也給予了中小型廠商發(fā)展機會，諸多廠家積極進入輕量化5GC市場。IPLOOK與新華三基于傳統(tǒng)4G企業(yè)專網(wǎng)推出輕量化5G核心網(wǎng)，拓展企業(yè)專網(wǎng)市場。艾靈網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了基于云原生架構(gòu)的輕量化5GC，針對工業(yè)場景實現(xiàn)“零修改”網(wǎng)絡(luò)能力開放功能，有效支撐了5GC的靈活定制功能。

云服務(wù)提供商依托公有云和行業(yè)解決方案優(yōu)勢，積極“進軍”5G專網(wǎng)市場。微軟于2020年9月推出面向運營商數(shù)字化轉(zhuǎn)型的“Azure for operators”解決方案（見圖4）。亞馬遜于2020年7月發(fā)布了《基于AWS的5G網(wǎng)絡(luò)演進》，提出可基于AWS部署可擴展、安全可靠、降本的運營商級別5G云原生核心網(wǎng)與邊緣網(wǎng)絡(luò)。阿里巴巴推出基于開源與公有云的小型化All in One極簡5GC。

圖4 微軟移動通信網(wǎng)絡(luò)解決方案架構(gòu)

此外，高校、科研院所也在積極開展試驗研究。北京郵電大學通過精簡5G核心網(wǎng)網(wǎng)元數(shù)量和功能，將AMF、SMF、UPF網(wǎng)元部署在樹莓派開發(fā)板上，實現(xiàn)了兩臺終端的VoIP視頻通話?；诖溯p量化核心網(wǎng)方案，利用低軌寬帶衛(wèi)星構(gòu)建起了北京與濟南5G專網(wǎng)間的骨干網(wǎng)絡(luò)（試點），實現(xiàn)了低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面5G專網(wǎng)的互聯(lián)互通。

垂直行業(yè)輕量化5GC應(yīng)用探索

垂直行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型迫切需要靈活敏捷的5G專網(wǎng)，以實現(xiàn)行業(yè)專用、部署靈活、運維簡單、功能可定制等功能，滿足企業(yè)的安全需求。目前，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)開始使用輕量化5GC設(shè)備，將5G核心網(wǎng)下沉至園區(qū)、廠房、礦井、港口等場景中。

寧波舟山港作為全球吞吐量最大的港口，在智能理貨方面對網(wǎng)絡(luò)時延、穩(wěn)定性、安全性要求非常高。因此，舟山港采用阿里XG實驗室研發(fā)的輕量化5GC，實現(xiàn)了5G核心網(wǎng)功能下沉。該核心網(wǎng)設(shè)備按照運營商入網(wǎng)測試標準打造，通過異地網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)、5G網(wǎng)絡(luò)虛擬化、按需分流等技術(shù)創(chuàng)新，支持多種無線資源配置方式，還可根據(jù)運營商管控要求進行網(wǎng)元功能、部署架構(gòu)和信令流程的靈活調(diào)整，幫助企業(yè)以最小代價實現(xiàn)5G專網(wǎng)部署。該設(shè)備幫助寧波舟山港配置了網(wǎng)絡(luò)綜合性能最優(yōu)、可控性及安全性最高的5G專網(wǎng)環(huán)境，讓港口智能理貨實現(xiàn)毫秒級響應(yīng)，極大提高了作業(yè)效率，也為更多5G港口智能化應(yīng)用提供了堅實的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

在采礦業(yè)，新華三研發(fā)的可按礦企用戶需求量身定制、“一臺服務(wù)器即可完成部署”的智慧礦山5G專網(wǎng)解決方案，讓礦山企業(yè)可通過較低成本，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的5G信號覆蓋，解決礦企隧道通信中面臨的信號干擾難題。經(jīng)多次井下實際業(yè)務(wù)場景驗證，新華三智慧礦山5G專網(wǎng)解決方案可實現(xiàn)800~1000米井下巷道覆蓋、單小區(qū)近700 Mbit/s的高帶寬上行速率和10 ms低時延要求，可以保障5G視頻通話、膠輪車視頻語音雙向通信等應(yīng)用場景。在井下視距不可見、信號存在遮擋的情況下，新華三智慧礦山5G專網(wǎng)解決方案依然展現(xiàn)出可有效覆蓋500米距離的強信號繞射能力，保障高清視頻、語音通信清晰順暢。

結(jié)語

輕量化5GC基于3GPP標準，結(jié)合垂直行業(yè)用網(wǎng)特點，對面向公網(wǎng)業(yè)務(wù)的5G核心網(wǎng)進行了性能裁剪及功能定制，在降低成本的同時滿足了行業(yè)用戶的5G應(yīng)用需求，符合當前垂直行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的實際需要。在運營商、設(shè)備商、互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)商和高校的共同努力下，輕量化5GC產(chǎn)品和相關(guān)解決方案已逐步進入市場，面向高度碎片化的企業(yè)應(yīng)用場景，助力企業(yè)運用5G網(wǎng)絡(luò)開展數(shù)字化轉(zhuǎn)型。隨著5G與工業(yè)融合的不斷深入，輕量化5GC將在工業(yè)智能化過程中體現(xiàn)出更大價值，輕量化5GC相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景將愈發(fā)廣闊。

作者：中國信息通信研究院工程師 管子健、中國信息通信研究院高級工程師?陳雄華

編輯：黃飛

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