5G核心网关键技术

2019-12-01曹祥风

电子技术与软件工程 2019年4期

文/曹祥风

1 5G核心网架构

5G核心网实现网络功能模块化以及控制功能与转发功能的完全分离。控制面可以集中部署，对转发平面的资源进行调度控制。用户面可以集中或者分布部署，当用户面接近网络边缘部署时，本地流量可以就近提供服务，提供端到端毫秒级时延。5G核心网控制平面功能借鉴了IT系统中服务化架构，服务模块可自主注册、发布、发现，规避了传统模块间紧耦合带来的繁复互操作，提高功能的重用性，简化业务流程实现。

2 SDN软件定义网络

在传统网络中，如果要部署一个新的网络功能，必须考虑对现有网络设备的前后兼容，新功能拓展非常困难。SDN网络采用控制平面和转发平面相互分离的方式，控制平面负责信令控制以及对转发平面的资源调度进行控制，转发平面负责数据转发，从而实现了对网络流量的灵活控制。在3G网络中RNC/SGSN/GGSN，以及4G EPC网络中MME/SGW/PGW，经常是部署在一起的，控制平面和转发平面不能灵活安排和部署。5G网络提供各种丰富的接入场景，对于高带宽低时延等应用场景，可以将用户平面功能部署在接近无线接入网的地方，降低通信时延，提高用户体验度。通过SDN技术实现控制平面和转发平面的分离，可以简化网络管理和流量管理，从而推动NFV虚拟化网络技术的发展。

3 NFV网络功能虚拟化

NF网络功能即传统电信设备实现的功能，比如2/3/4G网络中的MSC/RNC/MME等网络功能实体，虚拟化是指用软件实现硬件功能。NFV目标是增强系统灵活性，实现网络应用快速部署，其有四大基本特征：虚拟化、通用IT基础设施、云平台管理、自动化配置。虚拟技术的基础设施管理平台可以是私有或开源技术，比如OpenStack是一个分布式式虚拟资源管理平台，包括开源组件和标准接口，已成为全球私有云管理平台。基于云管理平台的网络编排，通过统一的资源管理、资源调度、自动化配置等策略，进行网络和网元创建，实现资源池按需使用，业务网络扩展起来很方便，从而有效提高资源利用效率。

4 网络切片

5G网络主要有三大应用场景，eMBB移动高带宽，mMTC海量机器连接，URLLC低时延高可靠性，不同场景对网络资源的需求是不同的，如果都使用同一套网络资源，则网络很难在不同类型业务下都提供高质量服务，如果各自建设一张专用网络，则网络资源重复建设严重。而通过网络切片技术可以适应各种不同应用场景。网络切片是指将物理存在的网络通过NFV虚拟化技术构建出多个虚拟化网络，每个虚拟网络称为一个网络切片，为不同应用场景提供相应的网络功能。电信运营商提供丰富的核心网组件库和服务模板，通过动态编排和自动化部署，可以基于用户需求进行定制、快速构建和自动开通网络。网络功能又可以基于用户所处的位置信息、当前基站容量和负荷等信息，对网络切片进行智能选择。网络切片可以分为公共部分和独立部分：公共部分是可以共用的功能，一般包括签约信息、鉴权、策略等相关功能模块；独立部分是每个切片按需定制的功能，一般包括会话管理、移动性管理等相关功能模块。

5 移动边缘计算

MEC将计算存储能力与业务服务能力下移到网络边缘，使业务应用和网络服务可以在本地近距离进行分布式部署，提供IT服务环境和云计算能力，降低网络时延，节省网络带宽，用以满足5G各种应用场景的业务需求。由于MEC距离用户很近，使得用户请求的网络时延非常小，降低了核心网和传输网发生的网络拥塞。位于网络边缘的MEC可以实时获取用户接入的基站信息、基站可用带宽、以及用户位置相关信息，可以实现为用户智能选择网络切片，为基于位置的用户应用提供个性化部署，大大改善用户对服务质量的体验。移动边缘计算的特征可以归纳为本地性、低时延、高带宽、位置感知几个方面。

移动边缘计算可以将智能计算存储能力从云端延伸到物联网络边缘，在网络边缘进行数据分析处理，实现物联网传感器的交互控制，降低传输时延，减轻云端压力，提高数据处理时效性。在大数据时代，海量的信息可以通过移动边缘计算进行初步筛选后再上传到云端，以免云端收到大量无效数据，降低处理和分析效率。在5G网络中，控制面和用户面分离促进了移动边缘计算的发展，用户面下沉到移动接入网边缘，用户数据处理更加有效、时延更短，用户体验得到极大提升。移动边缘计算应用场景非常丰富，比如高带宽低时延高清视频、车联网自动驾驶、增强现实等应用场景。

6 网络能力开放

5G网络运营商要将移动网络中各网元所能提供的能力信息开放给第三方应用，包括网络监控能力开放、网络基础服务能力开放、网络信息能力开放、网络切片编排管理能力开放、反向能力开放等场景。网络能力开放包括应用层、能力层和资源层三个层次。资源层对底层网络资源进行编排，整合资源信息供能力层进行调用。能力层对资源层提供的信息进行大数据分析，对网络能力进行编排，最后封装成API接口，供网络层进行调用。其中能力层是5G能力开放的核心，包含网络使能能力、资源编排能力、开放互通能力等几个方面。能力开放平台需要对第三方应用服务器进行签约管理，开放计费功能，对网络功能进行编排，可以快速提供满足第三方应用的网络平台，为运营商构建丰富的合作模式。