5G核心網(wǎng)接入網(wǎng)演進

隨著5G研究的深入和普及，對于5G具備的能力已達成基本共識：滿足增強的移動互聯(lián)網(wǎng)應用需求，擁有更高體驗速率和更大帶寬接入的能力；滿足車聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療、應急通信、工業(yè)控制等垂直行業(yè)應用需求，擁有低時延、高可靠的信息交互能力，具備承擔高時效、高精密、高安全需求業(yè)務的能力；滿足物聯(lián)網(wǎng)設備互聯(lián)互通的應用需求，擁有更高連接密度、更簡單信令交互的能力，支持大規(guī)模、低成本、低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備的高效接入和管理。

為了滿足這些苛刻的體驗、效率和性能的要求，5G必須要構建一個資源全共享、功能易編排、業(yè)務緊耦合的網(wǎng)絡平臺。因此，5G網(wǎng)絡架構就必須全面深入優(yōu)化。

蜂窩通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡可以劃分成接入網(wǎng)（RAN）和核心網(wǎng)（CN）兩部分，無線接入網(wǎng)主要由基站組成，為用戶提供無線接入功能；核心網(wǎng)主要由基站管理器、網(wǎng)關、計費系統(tǒng)組成，主要為用戶提供網(wǎng)絡接入服務和管理功能，在4G LTE系統(tǒng)中，基站和核心網(wǎng)分別叫eNB和EPC。

5G系統(tǒng)由接入網(wǎng)（AN）和核心網(wǎng)（5GC）組成，若考慮NSA（非獨立組網(wǎng)）場景，則還需要考慮4G的網(wǎng)元。5G網(wǎng)絡在傳統(tǒng)4G LTE網(wǎng)絡的基礎上進行了優(yōu)化處理，網(wǎng)元呈現(xiàn)虛擬化、云化。

一、主要網(wǎng)元及功能

5G網(wǎng)元的功能劃分如圖所示。NG-RAN包含gNB或ng-eNB節(jié)點，5GC包含AMF，UPF和SMF三個功能模塊。

gNB/ng-eNB

o 小區(qū)間無限資源管理InterCell Radio Resource Management（RRM）

o 無線承載控制RadioBear（RB）Control

o 連接移動性控制Connection Mobility Control

o 測量配置與規(guī)定MeasurementConfiguration and Provision

o 動態(tài)資源分配DynamicResource Allocation

AMF

o NAS安全Non-AccessStratum（NAS） Security

o 空閑模式下移動性管理IdleState Mobility Handling

UPF

o 移動性錨點管理 MobilityAnchoring

o PDU處理（與Internet連接）PDUHandling

SMF

o 用戶IP地址分配 UE IPAddress Allocation

o PDUSession控制

主要網(wǎng)元功能實體 (NF)：

o UE: 用戶終端設備User Equipment (UE)

o RAN: 接入網(wǎng)絡(Radio) Access Network (RAN)

o AMF: 接入及移動性管理功能Access and Mobility Management Function

o UPF: 用戶面功能User plane Function (UPF)

o AUSF: 鑒權服務功能Authentication Server Function

o DN: 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡Data Network (DN), 比如運營商業(yè)務，互聯(lián)網(wǎng)接入或者第三方業(yè)務等。

o UDFS: 非結構性數(shù)據(jù)存儲功能Unstructured Data Storage Function

o NEF: 網(wǎng)絡業(yè)務呈現(xiàn)功能Network Exposure Function (NEF)

o NRF: 網(wǎng)元數(shù)據(jù)倉庫功能NF Repository Function (NRF)

o NSSF: 網(wǎng)絡切片選擇功能Network SliceSelection Function (NSSF)

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

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

o UDM: 統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能Unified Data Management (UDM)

o UDR: 統(tǒng)一數(shù)據(jù)倉庫功能Unified Data Repository (UDR)

o AF: 應用層功能Application Function (AF)

o EIR: 5G設備標識注冊設備5G-Equipment Identity Register (5G-EIR)

二、5G接入網(wǎng)

移動的云引擎是無線接入網(wǎng)一系列RAN功能的云化組合，其中的關鍵是軟硬件解耦，各功能網(wǎng)元可部署在通用的COTS上，從而實現(xiàn)NFV架構，達到資源池化、彈性、可伸縮性等云化特征。簡單的來說就是將各網(wǎng)元以軟件包的形式安裝到一在云服務器上。

為了進一步提高5G移動通信系統(tǒng)的靈活性，接入網(wǎng)不再是由BBU、RRU、天饋系統(tǒng)組成了，而是被重構為3個功能實體——CU、DU、AAU：

o CU（CentralizedUnit，集中單元）：原BBU的非實時部分將分割出來，重新定義為CU，負責處理非實時協(xié)議和服務；

o DU（DistributeUnit，分布單元）：BBU的剩余功能重新定義為DU，負責處理物理層協(xié)議和實時服務；

o AAU（Active AntennaUnit，有源天線單元）：BBU的部分物理層處理功能與原RRU及無源天線合并為AAU。

AN有兩種：

o gNB,為UE提供NR用戶面和控制面協(xié)議終結點；

o ng-eNB,為UE提供E-UTRA的用戶面和控制面協(xié)議的終結點。

一般來說一個gNB-DU只連接一個gNB-CU。但是為了實現(xiàn)的靈活性，每個gNB-DU也可能連接到多個gNB-CU。gNB CU中的控制面和用戶面是分離的，一般只有一個CP，但是允許有多個UP。需要注意的是，gNB-CU及連接的若干gNB-DU是作為一個整體邏輯gNB對外呈現(xiàn)的，且只對其他的gNB和所相連的5GC可見。

DU和CU共同組成gNB，每個CU可以連接1個或多個DU。CU和DU之間存在多種功能分割方案，可以適配不同的通信場景和不同的通信需求，由此帶來的好處如下：

o 對現(xiàn)有RAN架構進行分離可以有效降低前傳帶寬的需求；

o RANCU內(nèi)部的移動性不可見，從而降低CN的信令開銷和復雜度；

o 采用CU將控制協(xié)議和安全協(xié)議集中化后，CU的出現(xiàn)更加適應NFV的架構實現(xiàn)Cloud RAN，增加了RAN側的功能擴展性。

三、5G核心網(wǎng)

5G核心網(wǎng)構架主要包含三大關鍵技術：SBA、CUPS和網(wǎng)絡切片，這是最終實現(xiàn)化整為零、由硬變軟的徹底演進。

SBA

SBA（ServiceBased Architecture），即基于服務的架構。它基于云原生構架設計，借鑒了IT領域的“微服務”理念，將設備功能“打散”。

傳統(tǒng)網(wǎng)元是一種緊耦合的黑盒設計，NFV（網(wǎng)絡功能虛擬化）從黑盒設備中解耦出網(wǎng)絡功能軟件，但解耦后的軟件依然是“大塊頭”的單體式構架，需進一步分解為細粒度化的模塊化組件，并通過開放API接口來實現(xiàn)集成，以提升應用開發(fā)的整體敏捷性和彈性。

核心網(wǎng)功能模塊化，包括控制面及用戶面，以庫的方式調(diào)用,控制面功能模塊包括移動性管理、策略控制、用戶數(shù)據(jù)、會話控制等等，用戶面功能模塊包括話單、轉發(fā)、業(yè)務感知、數(shù)據(jù)優(yōu)化等等，這些功能模塊就是被“打散”后庫的內(nèi)容，網(wǎng)絡根據(jù)不同的需求做功能的裁剪和選擇。簡單的來說，微服務就是指將Monolithic拆分為多個粒度更小的微服務，微服務之間通過API交互，且每個微服務獨立于其他服務進行部署、升級、擴展，可在不影響客戶使用的情況下頻繁更新正在使用的應用。

基于這樣的設計理念，傳統(tǒng)網(wǎng)元先轉換為網(wǎng)絡功能（NF），然后NF再被分集為多個“網(wǎng)絡功能服務”。

那么，SBA其實也就是網(wǎng)絡功能服務和基于服務的接口的組合體。

CUPS

CUPS（Controland User Plane Separation），即控制與用戶面分離。目的是讓網(wǎng)絡用戶面功能擺脫“中心化”的囚禁，使其既可靈活部署于核心網(wǎng)（中心數(shù)據(jù)中心），也可部署于接入網(wǎng)（邊緣數(shù)據(jù)中心），最終實現(xiàn)可分布式部署。

事實上，核心網(wǎng)一直沿著控制面和用戶面分離的方向演進。比如，從R7開始，通過DirectTunnel技術將控制面和用戶面分離，在3GRNC和GGSN之間建立了直連用戶面隧道，用戶面數(shù)據(jù)流量直接繞過SGSN在RNC和GGSN之間傳輸。到了 R8，出現(xiàn)了MME這樣的純信令節(jié)點，只是到了4.5G和5G時代，這一分離的趨勢更加徹底，也更加必要，其中一大原因就是，為了滿足5G網(wǎng)絡毫秒級時延的KPI。

數(shù)據(jù)要在相距幾百公里以上的終端和核心網(wǎng)之間來回傳送，顯然是無法滿足5G毫秒級時延的，由于物理距離受限，因此需將內(nèi)容下沉和分布式的部署于接入網(wǎng)側（邊緣數(shù)據(jù)中心），使之更接近用戶，降低時延和網(wǎng)絡回傳負荷。

網(wǎng)絡切片

5G服務是多樣化的，包括車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療、VR/AR等，網(wǎng)絡能力面臨眾口難調(diào)的局面，因此需要把網(wǎng)絡切成多個虛擬且相互隔離的子網(wǎng)絡，分別服務于不同的業(yè)務。

因為需求多樣化，所以要網(wǎng)絡多樣化;因為網(wǎng)絡多樣化，所以要切片;因為要切片，所以網(wǎng)元要能靈活移動;因為網(wǎng)元靈活移動，所以網(wǎng)元之間的連接也要靈活變化。

所以，把網(wǎng)絡拆開、細化，就是為了更靈活地應對場景需求。切片，簡單來說，就是把一張物理上的網(wǎng)絡，按應用場景劃分為N張邏輯網(wǎng)絡。不同的邏輯網(wǎng)絡，服務于不同場景。不同的切片，用于不同的場景，網(wǎng)絡切片，可以優(yōu)化網(wǎng)絡資源分配，實現(xiàn)最大成本效率，滿足多元化要求。

四、5G網(wǎng)絡演進方式

現(xiàn)網(wǎng)中實際部署5G網(wǎng)絡時，分為獨立和非獨立組網(wǎng)兩種形式。

o 獨立組網(wǎng)模式（SA）：指的是新建5G網(wǎng)絡，包括新基站、回程鏈路以及核心網(wǎng)。SA引入了全新網(wǎng)元與接口的同時，還將大規(guī)模采用網(wǎng)絡虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡等新技術，并與5GNR結合，同時其協(xié)議開發(fā)、網(wǎng)絡規(guī)劃部署及互通互操作所面臨的技術挑戰(zhàn)將超越3G和4G系統(tǒng)。

o 非獨立組網(wǎng)模式（NSA）：非獨立組網(wǎng)指的是使用現(xiàn)有的4G基礎設施，進行5G網(wǎng)絡的部署?；贜SA架構的5G載波僅承載用戶數(shù)據(jù)，其控制信令仍通過4G網(wǎng)絡傳輸。

對于5G的網(wǎng)絡架構，在3GPP TSG-RAN 第72次全體大會上，提出了8個選項，如上圖所示，其中選項1/2/5/6為獨立組網(wǎng)方式，選項3/4/7/8位非獨立組網(wǎng)方式。

o 選項1：目前LTE的組網(wǎng)方式，5G的部署是以此為基礎的。

o 選項2：純5G網(wǎng)絡，完全由gNB NGC組成，需要完全替代LTE系統(tǒng)的基站和核心網(wǎng)，同時還要保證覆蓋和移動性等，部署耗資巨大，很難一步完成，是5G網(wǎng)絡部署的終極目標之一。

o 選項3：EPC+eNB（主）/gNB的方式組網(wǎng)，網(wǎng)絡先演進無線接入網(wǎng)，核心網(wǎng)使用LTE的，場景以eNB為主基站，控制面信令由eNB轉發(fā)，LTE eNB和NR gNB采用雙連接的形式為用戶提供高傳輸數(shù)據(jù)速率服務，可以有效降低初期的部署成本，主要是前期部署在熱點區(qū)域，增加系統(tǒng)吞吐量。

o 選項4：NGC+eNB/gNB（主）的方式組網(wǎng)，同時引入NGC和GNB，與LTE采取兼容的方式部署，核心網(wǎng)采用5G NGC，eNB和gNB都連接至NGC，基站以gNB為主，同樣是采用雙連接的方式為用戶提供高速率數(shù)據(jù)業(yè)務服務，LTE網(wǎng)絡負責保證覆蓋，5G系統(tǒng)負責提高熱點地區(qū)的數(shù)據(jù)吞吐量。

o 選項5：NGC+eNB的混搭組網(wǎng)方式，主要應用在首先部署了5G核心網(wǎng)，并在NGC中實現(xiàn)了EPC功能，之后再逐步部署5G無線接入網(wǎng)的場景，

o 選項6：EPC+gNB混搭組網(wǎng)方式，主要應用于先部署了5G接入網(wǎng)，暫時采用EPC的場景，此種部署方式不能完全將5G的功能發(fā)揮出來，如網(wǎng)絡切片等。

o 選項7：NGC+eNB（主）/gNB的組網(wǎng)方式，此種方式中雖然完整部署了5G NGC和gNB，但數(shù)量較少，仍以LTE中的eNB為主，控制面信令都由eNB轉發(fā)，eNB和gNB采用雙連接的方式為用戶提供高數(shù)據(jù)速率服務。

o 選項：EPC+eNB/gNB的組網(wǎng)方式，運用5G基站將控制信令和用戶面數(shù)據(jù)傳輸至4G核心網(wǎng)，此種方式需要對4G核心網(wǎng)進行改造，成本較高，難度較大，因此在2017年3月發(fā)布。

中國移動向3GPP提交的4G LTE網(wǎng)絡演進到5G網(wǎng)絡路線的方案如下：

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

o 方案2：LTE/EPC -> 選項 2 +選項 5 -> 選項 2

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

o 方案4：LTE/EPC -> 選項 7/7a -> 選項 2

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

從目前現(xiàn)網(wǎng)情況來看，最有可能的兩條演進路線為：

o LTE/EPC->選項3X->選項4-> 選項 2

o LTE/EPC->選項3X->選項4-> 選項 7X-> 選項 2

NSA選用選項3x，以實現(xiàn)快速部署NR，5G的核心網(wǎng)部署之后，如果NR覆蓋好，則跳過選項7x，如果NR覆蓋不好，則使用用選項7x過度，LTE繼續(xù)做錨點。

無論哪種方式，演進的基本思路都是以LTE為基礎，逐步引入5G RAN和NGC，部署初期以雙連接為主，LTE用于保證覆蓋和切換，熱點地區(qū)部署5G基站，提高系統(tǒng)的容量和吞吐率，最后逐步演進，直到全面進入5G時代。

五、5G網(wǎng)絡框架特點總結

o 核心網(wǎng)功能分離：核心網(wǎng)用戶面部分功能下沉到CO（中心機房，相當于4G網(wǎng)絡的eNB），從原來的集中式核心網(wǎng)演變成分布式核心網(wǎng)，使得核心網(wǎng)功能在地理上更靠近終端，減少時延；

o 分布式應用服務器（AS）：AS部分功能下沉至CO，并在CO部署MEC（Mobile EdgeComputing移動網(wǎng)絡邊界計算平臺），MEC類似于CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡）的緩存服務器功能，它將應用、處理和存儲推向移動邊界，使得海量數(shù)據(jù)可以得到實時、快速處理，減少時延、減輕網(wǎng)絡負擔；

o 重新定義BBU和RRU功能：將原BBU中PHY、MAC的部分功能下沉到RRU，減少了前傳容量，降低了前傳成本；

o 網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV，Network FunctionVirtualization）：網(wǎng)路中的專業(yè)電信設備軟硬件功能轉移到虛擬機（VMs，Virtual Machines）上，比如核心網(wǎng)中的MME，S-GW、P-GW、PCRF等，在通用的商用服務器上通過軟件來實現(xiàn)網(wǎng)元功能；

o 軟件定義網(wǎng)絡（SDN）：網(wǎng)絡通過SDN連接邊緣云和核心網(wǎng)里的VMs，SDN控制器執(zhí)行映射，建立核心網(wǎng)云與邊緣云之間的連接，其中網(wǎng)絡切片也由SDN集中控制，SDN、NFV和云技術使網(wǎng)絡從底層物理基礎設施分開，變成更抽象靈活的以軟件為中心的架構，可以通過編程來提供業(yè)務連接；

o 網(wǎng)絡切片：網(wǎng)絡根據(jù)面向的不同的應用場景，比如大速率、低時延、海量連接、高可靠性等等，將網(wǎng)絡切割成滿足不同的需求的虛擬子網(wǎng)絡，每個虛擬網(wǎng)絡的移動性、安全性、時延、可靠性，甚至計費方式等都不一樣，虛擬自網(wǎng)絡之間在邏輯上相互獨立，以滿足不同的應用場景需求，實現(xiàn)網(wǎng)絡切片的關鍵是NFV和SDN。