5G輕量化核心網總體方案研究與設計

2020-02-22 12:25:59 移動通信 2020年1期

李沸樂 楊文聰

【摘? 要】隨著全球各行業數字化轉型需求的急劇增長以及5G網絡標準和技術的逐漸成熟,5G行業專網成為一大研究熱點。在分析了5G核心網的架構、網元功能和關鍵技術后,提出了5G輕量化核心網總體方案的設計,為全面賦能垂直行業,定制部署資源專用、安全可靠的本地化5G專網提供技術參考。

【關鍵詞】5G核心網;輕量化;網絡融合

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.01.003? ? ? ? 中圖分類號:TN929

文獻標志碼:A? ? ? ? 文章編號:1006-1010(2020)01-0014-05

引用格式:李沸樂,楊文聰. 5G輕量化核心網總體方案研究與設計[J]. 移動通信, 2020,44(1): 14-18.

0? ?引言

當前,各垂直行業的有線網絡布線調整頻率高耗時長,Wi-Fi網絡可靠性、移動性和穩定性差,傳統頻率專網帶寬小、網絡和終端成本高、制式相對落后,不利于行業發展,而具備大帶寬(eMBB)、高可靠低時延(uRLLC)、廣連接(mMTC)等能力的5G新型網絡[1]可彌補以上網絡缺陷,推動各行各業數字化轉型。因此本文在研究和分析了5G核心網的架構、網元功能和關鍵技術后提出了5G輕量化核心網總體方案的設計原則,可為運營商利用現有網絡資源優勢,依托授權頻譜,獨立部署資源專用的本地化定制5G專網提供技術支撐。

1? ?5G核心網簡介

核心網在網絡中發揮著至關重要的作用,它是全接入和全業務的管理中樞。

1.1? 系統架構

5GC(5G core,5G核心網)對4G核心網進行了解耦重構,其控制面網元之間基于SBI(Service-based Interface,服務化接口)[2]進行交互,借助NFV和SDN等新技術部署,開啟了傳統電信網絡向IT技術全面轉型的第一步。非漫游情況下的5G SBA(Service Based Architecture,服務化架構)核心網的架構如圖1所示。

5GC分為CP(Control Plane,控制面)與UP(User Plane,用戶平面)。由UPF(User Plane function,用戶面功能)網元通過N6接口與互聯網、第三方服務或運營商服務等DN(Data Network,數據網絡)互聯,由AMF(Access and Mobility Management function,接入移動性管理功能)和UPF兩網元分別通過N2和N3接口與接入網互聯,且支持不同的訪問類型,例如3GPP接入和非3GPP接入。外部AF(Application Function,應用功能)可以通過NEF(Network Exposure Function,網絡功能開放功能)和5GC交流。

1.2? 網元功能

2019年9月3GPP TSG#85全會召開,5GC Rel-16版本階段2按時順利凍結,階段3協議預計于2020年6月份完成 。最新發布的3GPP Rel-16[3]中5G核心網涉及到的NF(Network Function,網絡功能)如下。

AMF:負責UE(User Equipment,用戶終端)的注冊、連接、訪問驗證授權、移動性和可達性管理,在UE和SMF(Session Management function,會話管理功能)之間提供SM(Session Management,會話管理)消息的傳輸,UE和SMSF(Short Message Service Function,短消息服務功能)之間提供SMS(Short Message Service,短信息服務)消息的傳輸,提供UE和LMF(Location Management Function,定位管理功能)之間以及RAN(Radio Access Network,無線局域網)和LMF之間的位置服務消息的傳輸等。

AUSF(Authentication Server Function,認證服務器功能):負責對3GPP和非3GPP的UE的接入進行認證。

SMF:負責與分離的數據面交互,根據自身配置或與PCF(Policy Control Function,策略控制功能)交互來制定策略和流模板,為會話選擇和控制UPF和SSC(Session and Service Continuity,會話和服務連續性)模式,管理會話的建立、更新和釋放以及維護著PDU(Protocol Data Unit,協議數據單元)會話狀態、群組管理、控制和協調UPF的收費數據收集和流量控制等。負責UE的IP分配管理,具備DHCP、ARP代理或IPv6鄰居請求代理功能。

UPF:響應SMF請求,作為移動基礎設施RAN和DN之間的互連點,PDU會話錨點負責完成用戶平面上GTP-U協議的封裝和解封裝、分組路由和轉發、數據包檢查、QoS流映射等網絡用戶面的處理。完成用戶平面部分策略規則實施,例如門控、重定向和流量轉向。為計費以及合法攔截提供用戶流量收集接口以及流量使用報告。

PCF:負責用戶的策略管理和實施,包括會話的策略、移動性策略等。

UDM(Unified Data Management,統一數據管理):存儲和管理用戶數據和配置文件。

UDR(Unified Data Repository,統一數據存儲庫):支持UDM訂閱數據、PCF策略數據和應用程序數據等的存儲和檢索。

UDSF(Unstructured Data Storage Function,非結構化數據存儲功能):NF可在UDSF中存儲和檢索其未在3GPP規范中定義其結構的非結構化數據。

NSSF(Network Slice Selection Function,網絡切片選擇功能):選擇服務于UE的網絡切片實例的集合。

NRF(Network Repository Function,網絡功能注冊功能):負責網絡功能實例及配置文件的注冊、更新、注銷,使各NF可以相互發現選擇并通過API進行通信。

NEF:作為外部用戶接入的API網關,負責將5G網絡的能力開放給外部網元,同時網絡內的NF可通過NEF向其他NF公開功能和事件,NEF完成網絡能力的收集、分析和重組。

N3IWF(Non-3GPP InterWorking Function,非3GPP互通功能):負責將不可信的非3GPP接入網(如Wi-Fi)接入到5G核心網。UE與N3IWF建立一個IPsec隧道,N3IWF分別通過N2接口和N3接口接入5G核心網的控制面和用戶面。

UCMF(UE radio Capability Management Function,UE無線能力管理功能):存儲UE無線功能ID。AMF可以訂閱UCMF獲得分配的UE無線電功能ID的新值,并在本地緩存它們。

CHF(Charging Function,計費功能):負責用戶計費、配額授信等,也支持融合的在線和離線計費[4]。

LMF:負責向5GC注冊或訪問的UE的定位所需資源的整體調度和協調,還可以計算或驗證最終位置、速度和精度[5]。5G可基于無線、終端以及用戶面等多種手段提供定位能力,但定位方法因訪問類型而異,定位精度也很大一部分取決于接入網所作的增強。

SMSF:用于提供NAS(non-access-stratum,非接入層)短信服務。

5G-EIR(5G-Equipment Identity Register,5G設備身份注冊):檢查PEI(Permanent Equipment Identifier,永久設備標識符)的狀態,例如檢查其是否未列入黑名單。

NWDAF(Network Data Analytics Function,網絡數據分析功能):NWDAF用人工智能技術從網絡功能、OAM(Operation Administration and Maintenance,運維管理系統)和應用層獲取的數據,進行分析,以生成需要的數據結果。NF、OAM或AF可以利用NWDAF的分析結果進行不同的優化操作。

SCP(Service Communication Proxy,服務通信代理):在間接通信模式下,業務功能和網絡路由功能分離,NF服務使用者通過用SCP使用請求的NF。從而各NF可專心于業務功能的實現,路由控制等功能統一由SCP來實現。

SEPP(Security Edge Protection Proxy,安全邊緣保護代理):用于5G用戶國際漫游,與他網運營商的5G互通,負責PLMN間控制平面接口上的消息過濾和策略管理。

1.3? 關鍵技術

5G核心網的主要關鍵技術如下:

(1)服務化架構

5G核心網的控制面采用SBA設計,解耦后的網絡功能采用統一的消息總線連接,即插即用。網元將自身的能力細分成的各種功能服務暴露到網絡中,網元之間采用統一的基于服務化的接口來互通,在傳輸層采用了TCP,在應用層采用HTTP/2.0[6],接口描述語言采用Open API3.0。這種架構使得網絡功能服務可以快速按需發布、獨立升級和擴容、被重復調用。服務化架構以各種網絡功能服務可以任意調用,取代傳統的路徑復雜的點對點“信令交流”,各種服務由NRF進行統一的注冊、發現和管理,服務化接口支持請求-響應和訂閱-發布兩種通信模型[7]。SBA提高了接口間通信效率,同時便于運營商自有或第三方業務開發。

(2)控制轉發分離及邊緣計算

傳統核心網采用網元集中部署的方法,核心網機房距離UE尤其是邊緣用戶較遠,造成業務時延較大。5G核心網采用CP和UP分離,兩者通過N4接口通信[8],負責轉發的用戶面(歸一為UPF)可分布式部署。ETSI組織提出的MEC(Mobile Edge Computing,移動邊緣計算)能在移動網邊緣部署通用服務器以提供IT服務環境和云計算能力[9]。UPF結合MEC下沉至更靠近用戶的網絡邊緣層進行分布式部署,UPF將用戶流量路由到本地數據網絡,直接面向終端側提供業務服務,來實現更低的傳輸時延、更少的網絡擁塞。

(3)網絡切片

網絡切片是按用戶需求靈活構建端到端的邏輯子網,包括網絡功能集合和其所需的物理或虛擬資源,涉及核心網、無線接入網、IP承載網和傳送網等[10]。網絡切片架構由基礎設施層、網絡切片層和網絡切片管理層組成,可利用公網為用戶提供定制化的網絡服務,滿足5G提出的多樣化的應用場景。

2? ?5G輕量化核心網設計

現階段網絡切片在技術、標準和產品成熟度方面還無法提供完善的可商用端到端解決方案。從目前產業界情況來看,核心網的N4接口解耦工作進展遲緩,不同廠家的核心網CP和UP以及網管系統難以實現互聯互通,若利用MEC和UPF下沉方案,各垂直行業極易被公網核心網設備廠商綁定。此外,政府、航空等不少行業出于對網絡安全、管理控制的極高要求更傾向于使用與公網隔離的另一張獨立網絡,但專網中若部署類似于公網中的完備核心網,其作用和軟件功能非常龐大且復雜,導致很高的技術門檻和昂貴的價格。故考慮到行業專網的需求本質是希望建設一張可獨享、安全可靠、低成本的定制網絡,本文將基于如下幾點原則來設計專門服務垂直行業的5G輕量化核心網。

2.1? 網元裁剪和合設

第1.2節已介紹了5GC的眾多網元,但對于行業專網來說,很多網元都是冗余的,5G輕量化核心網基于服務化架構,精心裁剪掉不必要的網元,簡化部署AMF、SMF、UPF、AUSF、UDM、UDR、PCF、NSSF幾大網元。

而功能類似、流程聯系緊密的網元則通過合設使其外部接口交互變成組件內部的通信,節省系統內存資源和計算資源的開銷。AUSF作為生產者為AMF提供UE鑒權服務,故將AUSF與AMF合設。UDR作為UDM的后端一起負責用戶統一數據的處理,故將UDR和UDM合設。圖2為5G輕量化核心網部署圖。

2.2? 網元功能裁剪

完備的5G核心網功能豐富,但行業專網內的網元功能要求相對簡單且某些性能要求不高,故針對第2.1節中計劃部署的網元還應進行功能的精簡。以UPF為例:垂直行業需要一個定制化、低成本、輕量級的UPF,而現階段主流廠家的UPF相對厚重,研發成本高,價格高昂,不利于5G在垂直行業的拓展,因此可以裁剪掉UPF中的DPI、內容計費、支持接入IMS等功能。

2.3? 網元功能按需定制

在對網元和其功能進行裁剪后,還應考慮到,不同垂直行業都有其個性化應用需求,需要增加定制化網元功能。例如:應用于工業制造領域的5G輕量化核心網需要加入Framed Routing(幀路由)功能。5G移動網絡服務的對象是各種類型的設備,比如監控攝像頭、機械臂、自動引導車AGV、平板、手機等,其中一些終端配有5G模組可直接接入5G網絡,而其他無線UE則需統一通過5G CPE(Customer Premise Equipment,客戶前置設備)來接入5G網絡,通常核心網只給CPE分配IP,這些UE通過CPE做NAT(Network Address Translation,網絡地址轉換)和核心網通信,核心網并不知道具體接入的是哪個UE。而支持幀路由功能的5GC則可在UDM里配置連接在CPE上的這些UE的IP,SMF可將UE的IP發送給UPF,便于對工廠設備的直接管理和對設備原有組網的維護。

同行業不同場景的需求也不盡相同。例如:規模大的企業存在分級場景,除了總部以外還有多個地理位置分散的生產辦公地點,需要移動網絡提供類似局域網和VPN的功能,以支持大量跨地域用戶之間的企業內部遠程通信業務并保證業務連續性。此場景需要為總部和各分部的UPF引入5G LAN功能以構建企業廣域“局域網”,支持終端隨時隨地無縫接入企業網絡。

2.4? 專用產品可定制化

5G輕量化核心網產品呈現的是面向行業定制的一體化專用設備,基于虛擬化部署,根據客戶需要選擇與MEC設備、安全防護軟件、AI系統等集成,僅需少量體積較小的通用基礎設施即可完成網絡的部署開通。同時,為不同話務量不同上下行速率需求的5G輕量化核心網產品靈活配置不同規格的通用服務器,對轉發數據量特別大的行業還可增配硬件加速卡,從而在有限的CPU計算資源條件下盡可能地提升系統吞吐率。

2.5? 網絡高度融合

為各行業定制的5G專網還需與現有信息化網絡以及原有專網高度融合,應開放各網絡的管理系統和數據庫的相關標準接口,實現5G專網與原專網、企業內網和本地管理中心等之間的數據并發和調度,保持業務和會話的連續性。同時,5G輕量化核心網應具有匯聚功能,支持多種接入方式的統一管理和統一認證,例如:為兼容已有有線固定接入和各種各樣的無線接入終端,可部署集成接入網關,以此接入到5G核心網中,保證接入無關以降低終端接入系統的復雜性和低效性,減少網絡功能冗余。

3? ?結束語

5G網絡是推動社會和垂直行業數字化轉型的重要技術。本文對5G核心網詳細研究分析后,面向各行業業務需求提出了一種5G輕量化核心網總體方案,該方案可以根據不同行業不同應用場景進行部署與優化,此成本低、體積小、安全可靠、功能靈活且相對集中的5G輕量化核心網一體化產品的部署,將助力工業互聯網、智能交通、現代農業、智慧城市等行業的發展。

參考文獻:

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作者簡介

李沸樂(orcid.org/0000-0002-2526-4323):工程師,碩士畢業于北京郵電大學,現任職于中國聯合網絡通信有限公司網絡技術研究院,研究方向為移動通信。

楊文聰:碩士畢業于北京交通大學,現任中國聯合網絡通信有限公司網絡技術研究院核心網團隊負責人,研究方向為移動通信。

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