5G 核心网网络架构及关键技术分析

刘大畅 丁浩 曾晶

【摘要】    首先介绍5G核心网及其网络架构，随后详细阐述网关控制与转发功能分离与控制平面功能重构、移动边缘计算、新型移动性管理和会话管理、网络功能虚拟化（NFV）及网络切片，最后对5G核心网的发展进行了总结并展望。

【关键字】    5G核心网     NFV    边缘计算    网络切片

引言

通信技术在近几十年跟随着现代科学的演变革新趋势，也同样发生了翻天覆地的变化，尤其是移动通信技术，在各项应用中得到了广泛的延伸，给人们生活的提供了很多便利。如今通信网络的建设主体已由过去几年的4G广覆盖转变为5G的逐步推行，自2012年起，第5代移动通信系统在业界成为关注的重点，5G网络的规划与建设涉及的相关技术成为通信行业发展的热点。事实表明，5G将开启一个大连接、全业务的时代。

一、5G及其核心网概述

5G相关技术带来的移动通信产业的变化，让未来通信不仅仅是在追求更大带宽、更高速率，或是更强的空中接口技术，而是想要建设以用户为中心的弹性智能网络。随着5G网络的建成，未来在任意时间和任意地点，人们之间、人和物之间、物与物之间的通信速率将能够达到1Gbit/s，峰值下行速率甚至可達50Gbit/s。与此同时，用户获得的移动数据容量将更多、数据传输时延将更低、电池使用寿命将更长，而设备也可拥有更低的功耗、更多的终端连接。

而在整个5G网络中，最为核心的便是5G核心网。核心网作为全连接和全业务的管理中枢，在5G网络建设中处于至关重要的环节，它能够满足端到端的业务体验需求，按需提供服务，支持多种多样化的无线接入场景，可实现高效的网络运营和灵活的网络部署。

二、5G 核心网网络架构

为了满足不同场景下多样化业务的需求，按需灵活部署的核心网建设势在必行。5GC（5G core，5G核心网）充分利用了各领域技术优势，打破传统网络的限制，通过对4G 核心网的解耦与重构，将传统的4G EPC 核心网的网元按功能进行拆分，5GC控制平面的网元在SBA微服务的架构下使用统一的接口SBI（Service-based Interface，服务化接口）进行相互间的数据传输，并随着NFV（network function virtualization，网络功能虚拟化）和SDN（software defined networking，软件定义网络）等技术的成熟，5G核心网通过这些新技术实现网络功能的重新部署，使得网络由基于传统的通信技术逐步向基于IT 技术实现转型。

图1 是基于服务的5GC 的主要架构，5G 核心网从功能模块拆分，主要可分为CP（Control Plane，控制平面）与UP（User Plane，用户平面），包括的主要网络功能模块如下：

其中AUSF、AMF、SMF、NSSF、NEF、NRF、PCF、UDM为控制面功能模块，UPF为用户面功能模块，通过控制面功能模块下发的策略对用户数据处理进行控制。

UPF网元利用N6接口与运营商数据网络DN进行数据的传输和转发，AMF和UPF两个网元分别通过N2和N3接口与接入网AN进行数据交换，并且适用于不同类型的网络接入，如3GPP接入和非3GPP接入。外部AF可通过NEF与5GC交流。

5G核心网的功能之一在于实现了将网络功能进行了不同模块的划分，在网络功能模块化的基础之上将网络的控制功能与转发功能进行了完全的分离。其中，控制面可以实现集中化的模块功能部署，同时实现调度并控制转发平面的资源。用户面则可进行集中式或者分布式的部署，当其部署在接近网络边缘时，可使用本地流量，提供就近的网络传输服务，并能够将端到端时延降低至毫秒级。

三、5G 核心网关键技术

5G 核心网关键技术主要包括网关控制与转发功能分离与控制平面功能重构、移动边缘计算、新型移动性管理和会话管理、网络功能虚拟化（NFV）及网络切片等。

3.1网关控制与转发功能分离与控制平面功能重构

现有EPC移动核心网网关设备不仅包含路由转发功能，同时还具备信令处理和业务处理等控制功能，控制功能与转发功能之间呈现一种紧耦合的关系。而5G移动核心网，针对网关设备的控制功能与转发功能进行了功能的分离处理，以一种网络控制功能的集中化、转发功能的分布化的技术趋势发展。

由于基于5G技术的网络服务相对应的终端和应用类型各有不同，其报文结构、移动规律、会话类型以及安全性需求等也具有差异。所以，网络进行不同的功能设计才能应对不同应用场景的服务需求。5G网络源于IT技术中“微服务”的技术思想，不同的功能通过分模块的方式进行设计实现，相应的网络功能组件可以通过各种形式按相应的需求组合，结合各种应用场景，实现不同逻辑网络的构建，以满足不同终端及应用的通信需求，为网络切片和按需组网提供技术基础。

3.2移动边缘计算

传统核心网中的网元往往是通过集中化的部署，在核心区域进行业务数据的分析与计算，而当核心网所部署的机房与用户设备尤其是边缘的用户距离较远时，会造成所产生的数据传输时延普遍较大。而5G核心网采用控制面与用户面的分离，两者通过N4接口进行数据交换，在控制面用于集中控制的前提下，由于用户名主要进行数据转发的操作，可实现分布式的部署。移动边缘计算由ETSI组织提出，是为了保障用户端也能够进行相应的一些数据的分析与计算，在移动网络边缘通过部署相应的通用服务器，可直接提供IT服务环境以及边缘的计算能力。总的来说，UPF与MEC想结合将负责转发的用户面以分布式的方式向下部署至网络边缘层，使其能够在更靠近用户的位置实现高效转发，UPF通过将用户采集的数据传输至本地数据网络，在终端侧相关的业务服务可就近实现分析，从而降低数据传输时延、减少网络拥塞等情况。

3.3新型移动性管理和会话管理

网络侧移动性管理主要体现在两个方面，一是在激活态维护会话的连续性，二是在空闲态保证用户的可达性。根据终端的移动模型和其对应的业务特征，对移动性功能分为两种状态进行讨论，分别是激活状态和空闲状态，根据实际需求可对状态进行分析或者组合，通过不同的终端导向性，可选择相应的移动性管理机制。根据不同移动性层级的特征，可以分为有无移动性、高/低移动性以及低功耗终端，提供相对应的有效支持，有效满足5G网络新型移动性管理的大部分需求。

在5G网络中，各业务场景存在差异性，相应地存在一些需要低功耗、位置较为固定而无需时刻在线的移动物联终端场景，这就需要网络对于终端的移动性状态及流程进行一定程度的优化，如在RRC Connected和RRC idle 状态基础上，可通过引入Inactive State或Power Saving状态，对该特定状态设计专用机制，实现终端服务大连接、低功耗等物联网场景。

3.4网络功能虚拟化（NFV）及网络切片

5G核心网使用NFV/SDN技术，将5G核心网的各项网络功能与硬件平台解耦，网络进一步实现“微服务”化的特点，产生不同的网络功能模块，针对不同业务场景和需求将这些网络功能模块进行组合后，可形成的特定的网络切片。网络切片不仅仅局限于核心网，还包括了接入网络和IP承载网，网络切片之间可实现资源共享或者是进行相互隔离。核心网控制平面的网络切片采取的是服务化的架构，用户平面可根据业务对转发性能的要求进行灵活部署。

四、結束语

现如今，5G网络技术伴随着各种新兴技术蓬勃而来，VR/AR、物联网、自动驾驶等应用正逐步走入我们的视线，5G技术在各类新型应用场景下发挥着重要作用。而5G核心网是以SDN/NFV为技术基础的网络架构，并通过网络切片、边缘计算等关键技术加以支撑，进而满足eMBB、mMTC、URLLC等应用场景下多样化的业务需求。5G的广泛应用已成为必然发展的趋势，运营商需要结合对应的场景进行网络的构建，来迎接5G发展的大潮流。

参  考  文  献

[1]郭文婷. 5G核心网关键技术及业务能力[J]. 电子世界， 2019， No.574（16）：187-188.

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[3]王卫斌， 朱进国， 王全. 5G核心网演进需求及关键技术[J]. 中兴通讯技术， 2020， 026（001）：67-72.