5G 核心网网络架构及关键技术研究

2020-12-31谭亚运毕以峰

数字通信世界 2020年7期

陈峰，谭亚运，毕以峰

（中国电子科技集团公司第二十八研究所，南京 210000）

1 5G 核心网网络架构分析

1.1 架构呈现模式

5G 核心网络可以借助控制转发的方式对架构开展分离工作，实现移动性管理和会话管理的单独运行，并对用户面上的承载概念进行清除。通过直接对QOS 参数完成控制，利用不同的用户面网元，在相同时间内建设多种会话模式，并对差异性较大的控制面网加强统一管理，进而对本地分流和远端流量实现一体化操作。5G 核心网络架构主要包含两种模式：参考点模式与服务架构模式，其中服务架构模式较为常见，该模式能够借助API 技术向控制面传输信令，通过常规的信令过程，确保多个消息在流程中同时存在，并利用API 技术对其完成封装，为之后其他网元的访问过程奠定基础。此外，服务化架构可以借助创建隧道模式，在HTTP 协议中实现信令交互。

1.2 5G 核心网络状态模型

1.2.1 注册管理模型

在5G 核心网络的定义下主要包含两种注册管理模式，分别为AMF 和UE，即移动和接入管理注册状态。对于UE 的不同接入情况，注册管理上下文具有差异性。AMF 所分配的RM 上下文是非3GPP、3GPP 一同使用的临时性身份标识，此标识具有惟一性，而其他上下文包含：接入类型注册区域、接入类型注册状态、注册周期性计时器、Non-3GPP 注册隐式定时器等[1]。同时，非3GPP、3GPP 的注册区域是相互独立的，UE 能够借助3GPP 中的侧触发处对非3GPP 侧完成注册工作。

1.2.2 连接管理模型

在5G 核心网络中的两种连接管理模式主要对AMF和UE 通过N1接口进行信令连接，两种状态分别为连接态和空闲态。其中，连接态是指UE 中AMF 与AN 之间建立N2连接后，使网络快速进入连接状态；空闲态是在AMF 与UE 之间，不进行N1接口的NAS 信令连接，同时也没有UE 和N2、N3的连接。在此过程中，UE 可以完成PLMN、小区选择、重选等过程，处于空闲态的AMF 能够针对UE 实现寻呼，并对网络业务请求进行执行。

2 5G 核心网关键技术研究

2.1 服务型架构

5G 核心网络控制平面的形成主要通过吸取IT 系统中的服务化架构实现，该模式可以针对传统移动核心网的网络架构进行重组，并将原始的核心网网元划分为独立的网络功能模块、轻量级网络功能模块。而服务化网络功能相当于5G 核心网络功能，将自带功能作为主服务，借助接口调用的方式为其他网络模式提供服务；服务化接口则通过量级的接口协议，提升网络的拓展性。需要注意的是，3GPP 中规定服务接口协议必须使用TCP。

2.2 控制与转发分离

目前运营商在4GEPC 核心网中的应用网关是P-GW与S-GW 联合设备，进而构建ServingArea 全覆盖型业务[2]。在此模式中，从用户方发出移动互联请求业务后，会借助eNodeB 使运营商接入IP 承载网。在省会区域完成业务流量汇集后，可以提升用户访问互联网的效率。在5G 核心网络中利用控制平面和用户平面实现架构分离，便于在省会区域对网络控制平面的功能进行集中分配部署，对转发平面中的资源完成科学调配。此外，以用户平面模块层面分析，该部分可以依据具体需求通过集中形式和分布形式，对资源进行部署。若用户平面功能下沉到DC 边缘，可以对区域流量完成分流，进而缩短端和端之间的时延性。

2.3 网络功能虚拟化与切片

当前网络切片技术属于5G 核心网络中的重要技术，能够灵活实现多种业务类型和场景，并结合具体的需求制定网络模块。在5G 核心网络中主要借助SDN 技术，解耦核心网网络功能和硬件平台，生成多种功能模块，进而生成具有特殊性质的网络切片结构。同时，网络切片还包含核心网络和接入网络，各个网络切片之间可以实现多层次资源共享。在核心网络中分为用户平面和控制平面，其中控制平面的架构属于服务化架构；用户平面中的架构形式可以借助转发性能完成科学调整和选择。在接入无线网后，若想确保系统容量和网络质量不会受到影响，需要将无线网络切片与DU 分层架构相结合，通过虚拟化技术，分享基础设施资源。此外，需要对空口时频资源完成科学应用，利用对应帧结构实现多种技术的有机结合，对无线网络资源进行自动化、智能化调度，并借助多种参数重新配置网络功能，获取不同的切片模式。而网络切片管理功能可以对切片完成编排，将其中的SLA 划分为多个子网SLA，实现业务需求与网络切片需求的相互对应。

2.4 边缘计算技术

边缘计算又称EC，使第三方业务平台和运营商对UE 附着接入点完成部署，避免传输网的负载和端至端的时延问题，提升网络交付效率。5G 核心网络边缘计算功能包含以下内容：通过5G 核心网对UFP 进行选择，进而将用户流量引至本地的数据网络中，同时保证业务和会话过程的连续性，对计费和QoS 模块具备兼容性。在5G 核心网中增加EMC 既可以规避E2E 的时延问题，同时能够优化用户的体验感，并借助本地泄流降低网络成本以及回传开销，加强互联网-移动网-EMC 之间的深层次融合。