5G核心网建设路径选择及部署方案研究
2018-12-18聂炜玲李艳俊
□ 文 黄 嘉 聂炜玲 李艳俊 唐 晨
1.概述
5G实现人与人、人与物、物与物之间的连接，引领万物互联时代的到来。
1、网络架构方面：作为上层应用的网络控制功能与底层网络基础设施分离，实现通信网络的IT化；
2、网络服务方面：通过模块化的网络功能、服务化的接口设计、及NFV/SDN等技术，将5G网络物理基础设施资源，根据场景需求虚拟成多个相互独立、平行的虚拟子网络，实现按需的网络服务。
5G核心网架构如下图所示：
UDM：Unified Data Management，统一数据管理功能
NEF：Network Exposure Function，网络开放功能
NRF：Network Repository Function，网络解析功能
AF：Application Function，应用功能
AUSF：Authentication Server Function，鉴权功能
AMF：Core Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理功能
SMF：Session Management Function，会话管理功能
PCF：Policy Control function，策略控制功能
UPF：User Plane Function，用户面功能
目前各大运营商已经开始着手准备建设5G网络，预计2020年全国展开大规模5G商用建设。
本文重点研究5G核心网在进行实际网络部署时面临的关键问题，对多种方案进行对比分析。可为各运营商进行5G建设时用作参考。
2.5G网络建设路径分析
5G网络建设路径有多种选择，如下图所示：
图1 5G核心网架构
Option3/7/4都属于NSA组网，4G/5G基站共站点，用户和基站是双连接，其中Option3的场景，核心网可以升级到EPC+进行支持，优势是用户可以充分利用4G和5G的带宽，特别适合eMBB场景，可以作为家庭宽带场景。
Option2属于SA组网，用户和基站是单连接，5G基站不依赖4G基站，组网简单，要求NR的覆盖连续。核心网SA架构，必须基于云化网络，可采用新建或升级现网vEPC进行建设。
如果选择Opiton3，即NSA的建设路径，简单来说就是启动快，投资少，见效快，缺点是暂不支持5G切片等技术。SA是5GC部署的目标方案，即使在初期采用NSA的方式进行过渡建设，也需要逐步向SA演进，最终实现5G网络的全部功能。
NSA Opiton3主要涉及三种分流方案，如下图所示：
Option3通过LTE基站进行分流，现有LTE基站难以支撑5G大带宽转发，需要进行升级。Option3核心网实现稍简单，但对无线侧现网LTE基站改造较大，综合考虑，不建议采用此方案。
Option3a是通过EPC分流，EPC需要支持单承载双RAB，分流是基于RAB进行，不能针4G/5G无线链路质量情况调整分流策略。
Option3x是包级分流，可以针对无线链路状况动态调整分流策略，提供较佳性能。Option3a和Option3x对核心网功能要求基本一致，其中3a需在用户有至少两个承载时才可以实现分流，需要综合考虑产业链支持情况（目前产业链对于3x支持较好）、无线、传输、分流灵活度等因素，选择3x的可能性最大。
图2 5G网络建设路径
下面对3X的分流机制做一个简介，其他的信令流程和EPC的流程相比较，几乎没有变化。
MCG: Master cell group，对应主站MeNodeB的承载
SCG: Slave cell Group，对应从站SeNodeB的承载
3x组网是从SCG Split bearer来进行下行报文的分流，NR PDCP以包为粒度分别向NR RLC和RLC进行包分流。具体的分流策略在NR侧配置。
在正常的EPC Attach流程之后，eNodeB会根据5G从站的信号测量报告，决定是否增加从站承载（SCG），添加从站之后，原eNodeB根据本地配置策略，决定是option3还是opiton3x分流，如果是option3x分流，则eNodeB发起 eRAB modification，通知MME/SGW更新承载的对应的下行IP地址，GTP TEID，这里的IP和TEID都属于从站，下行路径切换到从站。
简而言之，option3还是option3x分流是由eNodeB决定的。
NSA的语音业务通过VOLTE提供，为减少对于VOLTE的影响，不论采用哪个方案，建议VOLTE相关的承载建立在eNB上。
3.NSA核心网部署方案要点
NSA是5G核心网建设的过渡方案，初期option3阶段实际上是用4G网络实现5G功能。对于可以实现5G基础功能的EPC+网络，功能在4G核心网基础上有如下增强：
EPC到EPC+主要涉及的网元改点如下：
图3 Opiton3分流方案
图4 Opiton3X分流机制
（1）MME功能升级：
支持5G大带宽的QoS定义、E-RAB修改流程、5G网关的选择、Option3a/3x双连接、独立的统计和告警、4/5G用户分流、NR接入控制
（2）GW功能升级：
Option3a/3x双连接、高带宽QoS支持、5G NR UE性能独立统计&告警、4/5G UE分流、用户面性能增强、大流量支持；
（3）HSS功能升级：
签约扩展，支持5G QoS定义，支持用户不换卡不换号；
（4）PCRF功能升级：
识别4/5G UE差异并下发不同的计费控制策略。
结合以上关键网元的功能升级要求，在NSA初期Option3x阶段，需要采用现网EPC全网升级到EPC+的方式来实现NSA的核心网部署。在此阶段，通过EPC+的方式实现初期5G功能，对现网核心网无云化要求，在现网没有云化EPC设备的情况下，通过全网升级MME，HSS、PCRF、每个GW POOL中选取部分GW升级，即可支持EPC+。
NSA的优点为组网简单，改造小，投资小。缺点为无法实现全部的5G功能，也不利于后续5G的演进（因后续5G演进需要云化核心网）。
4.SA核心网部署方案要点
5GC网络建设关键工作有以下几点:
电信云基础设施建设、核心网融合建网、端到端网络切片
4.1 电信云基础设施建设
低时延和高带宽需要5GC部署到分层分级的通信云，业务场景是影响DC规划的关键因素，大体分为如下几类：
（1）转发极度敏感类网元
时延要求极高（5ms）的转发类业务；网关跟随CDN下沉到基站位置；
（2）转发敏感类网元
时延要求高（5ms～20ms）的转发类业务；用户面跟随CDN下沉到地市；
（3）计算敏感类网元
对计算要求高的相关业务（时延20ms以上）；控制面和信令面设备集中部署，提升运维效率。
4.2 核心网融合建网
核心网融合建网的主要目的是保障4/5G切换业务连续，用户迁移不换卡、不换号。对于核心网的重点网元的部署方案分析如下：
（1）MME/AMF部署方案
对于两种方案的比较如下表所示：
（2）HSS/UDM、PCRF/PCF部署方案
涉及用户码号，考虑到用户不换卡不换号，5GC用户数据目标方案为全云化的四融合HSS/UDM，支持2G/3G/4G/5G+IMS用户，并在演进部署中逐步完成用户数据的云化迁移，从现有三融合HSS演进至目标方案，将经历2-3年的传统网元与云化网元的混合组网。
5GC策略数据PCRF/PCF部署目标方案为融合PCRF/PCF，采用云化设备组Pool容灾，PCF/PCRF与SMF/PGW-C之间的接口为服务化接口。
营帐系统、DRA配合实现用户平滑迁移，具体如下图所示：
（3）DRA/HTTP Proxy部署方案
在5G网络中，需要HTTP Proxy与NRF协同完成5G信令路由，DRA与HTTP Proxy分离和融合部署比较如下：
方案一：DRA/HTTP Proxy分离部署
（1）部署技术要点
存量DRA需升级支持HTTP连接HTTP Proxy，需新建部署HTTP Proxy，融合CRF/PCF需支持diameter连接现网DRA；
（2）网络拓扑与接口
4个网络节点+4个接口，完成5G用户信令路由寻址；
（3）寻址路径
1→2→3→4四条路径，开销大。
图5 4G核心网架构
图6 5G不同业务场景下的网络时延
图7 MME/AMF部署方案
方案二：DRA/HTTP Proxy融合部署
（1）部署技术要点
4/5G融合信令路由节点可由现网DRA升级或新建部署；
（2）网络拓扑与接口
3个网络节点+2个接口完成5G用户信令路由寻址；
（3）寻址路径
图8 4G-5G用户迁移
图9 DRA/HTTP Proxy分离部署
图10 DRA/HTTP Proxy融合部署
1→2两条路径，开销小。
4.3 端到端网络切片
切片（Slicing）：网络切片端到端网络切片使能商业创新，5G提供网络功能和资源按需部署的能力，满足未来垂直行业多样化的业务需求。在云化基础设施上，构建逻辑隔离的网络切片来服务于不同的业务或者垂直行业。统一的物理设施基础实现了各种网络服务，降低了多个不同业务类型的建网成本。
表1 MME与AMF分离和融合部署方案比较表
可能影响切片发展的因素包括：
（1）用户需求的丰富程度
（2）跨域和跨厂商协同情况
（3）运营商和用户之间的新商业模式
（4）运营商的工作流变化
5.小结
在5G网络发展初期，不可避免会出现2/3/4G核心网与5G核心网并存的场景，用户在进行4G与5G网络互操作时，会在两个核心网之间发生切换，很难保持业务连续性。因此5G核心网建设的关键点是需要支持2/3/4/5G融合接入，简化网络结构、运维和互操作性，保持业务连续不中断。本文重点针对5G实际网络部署时面临的关键问题，就5G网络的建设路径、NSA/SA核心网部署的要点进行分析阐述，为运营商建设5G核心网提供参考。■
