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                        5G時代核心網發展探討

                        http://www.vmoj.tw ( 2018/9/12 17:36 )

                        摘要:隨著數字化技術的變革,移動通信技術在飛速發展,從語音到數字再到流量經營,大連接、低時延、高速率、高可靠的網絡需求日益增加,第五代移動通信業技術也成為了全球研發熱點。未來的5G網絡可應用于車聯網、智慧城市、智慧醫療等方方面面。在全球業界的共同努力下,5G網絡的關鍵能力及應用場景已經基本確定,預計2020年我國實現5G網絡的商用,在此過程中,核心網將全面顛覆以往的網絡架構,核心網網絡如何發展起著關鍵性的作用,尤其在核心網未來技術發展方向,演進過程中面臨著嚴峻的考驗。

                        隨著5G技術的到來,世界即將步入一個數據大爆炸的時代,這將是一個跳躍性的發展、是一場變革,它將意味著網絡架構將實現顛覆性的轉變。它將不再是人與人之間的通信,轉而變成人與物、物與物之間的通信,這種大連接、低時延、高速率的網絡將會給核心網帶來巨大的影響。隨著5G商用時間點的逼近,核心網網絡如何發展將起著關鍵性的作用,尤其在核心網未來技術發展方向、演進過程中面臨著嚴峻的考驗。

                        1   核心網現狀與問題分析

                        在前不久舉辦的2018上海世界移動大會上,中國聯通中國移動中國電信三大運營商亮出了時間表:計劃到2020年,實現5G網絡正式商用。作為第五代移動通信,5G網絡帶給人們的第一感覺是速度快。4G時代主要實現了“人與人”的快速通訊連接,但5G的“志向”遠不止于此,它的目標是要讓更多的“人和物”、“物和物”快速相連,進而推進萬物互聯時代的到來。5G的高速率、高穩定性和低時延特性將提高無人駕駛的安全性能,除了無人駕駛,在遠程操控、智能家居等應用場景也將進一步走近消費者。根據目前業界的分析,全球5G應用領域將主要集中在車聯網、公共安全、智慧城市、媒體及信息娛樂四個方面。這也是業界人士認為5G網絡最大的價值,“能夠和更多的產業深度融合”。

                        當前,中國移動對5G 基本架構已有初步共識,就是要支持多種接入、降低不同接入方式和核心網的耦合、實現按需的組網、借力NFV/SDN技術。NFV(Network Function Virtualization,網絡功能虛擬化)技術的出現有效的解決了核心網架構的弊端,為運營商提供了一個良好的發展機遇,將NFV技術引入移動核心網具有重要意義。

                        隨著商用時間的逼近,5G網絡化已經到了發展的關鍵時期,中國移動提出了5G網絡架構三大設計原則,首先是從剛性到軟性,也就是從固態網絡到動態網絡,實現網絡資源虛擬化、網絡功能的解耦和服務化。其次是移動網絡IP化、互聯網化,也就是實現與IT網絡互通融合,引入互聯網技術,優化網絡設計。最后是集中化智能和分布化處理,集中化智能—功能集中化,為垂直行業提供個性化增值服務,并分布化處理—移動網絡功能靠近用戶,提高網絡吞吐量,降低時延。以SDN/NFV 技術實現網絡云化,加上微服務設計,這意味著5G 網絡真正走向開放化、服務化、軟件化方向,有利于實現5G與垂直行業融合發展。

                        今年6月,3GPP 5G NR標準SA(獨立組網)方案正式完成并發布,標志著首個真正完整意義的國際5G標準正式出爐。SA獨立組網相對于NSA(非獨立組網)存在,其引入的新能力也是5G區別于4G的一個重要特征。NSA模式是只建5G基站,不建5G核心網,不能做到終端到終端直達的5G網絡,信號傳輸要經過的路徑多,時延也很長,不能很好地支持網路切片、邊緣計算等5G的技術特征。而SA獨立組網模式下,5G的基站連接5G的核心網,可通過核心網下沉部署到基站側,使傳輸信號所需要經過的路徑很少,可以直接從基站側到達業務服務器

                        在4G網絡中,傳統的核心網網元之間有著固定的通訊鏈路和通訊路徑,用戶的位置信息必須從無線基站上報給MME,然后由MME通過S-GW傳遞給P-GW,最終傳遞給PCRF進行策略的更新。而在5G核心網服務化架構下,各網絡功能服務之間可以根據需求任意通訊,極大地優化了通訊路徑。

                        伴隨著虛擬化技術運用在電信領域,傳統意義上的核心網網元實現了軟硬件解耦,軟件部分被稱為網絡功能(Network Function)。3GPP定義的服務化結構將一個網絡功能進一步拆分成若干個自包含、自管理、可重用的網絡功能服務(NF Service),這些網絡功能相互之間解耦,具備獨立升級、獨立彈性的能力,具備標準接口與其他網絡功能服務互通,并且可通過編排工具根據不同的需求進行編排和實例化部署。這種網元拆分與經常談論的云原生或微服務架構有著相似的理念,而3GPP進行了標準化定義,并為每個5G網絡功能定義了一組具備對外互通標準接口的網絡功能服務。

                        2   基于5G核心網演進

                        5G時代通信技術的另一次變革,實現了由個人應用向行業應用的轉變。隨著5G時代的到來,核心網需要不斷演進以適應更高流量需求及更優的業務體驗。

                        2.1  核心網NFV

                        定義:NFV(Network Functions Virtualization)網絡功能虛擬化,是指通過使用虛擬化軟件技術,實現傳統網元的軟硬解耦,不同廠家的軟件運行在統一的虛擬化基礎設施上。它的優勢主要體現在以下幾個方面:

                        (1)降低運營商總體CAPEX/OPEX;

                        (2)減少新業務及服務市場投放時間;

                        (3)增加架構靈活性,實現彈性架構;

                        (4)更加開放的虛擬化應用及純軟件應用的平臺;

                        (5)降低創新業務的開發部署成本。

                        從今天的網絡向未來NFV網絡演進,意味著:

                        業務部署復雜,向靈活快速部署演進;

                        運維復雜,向簡化運維演進;

                        硬件設備種類多種多樣,向歸一化硬件、資源共享演進;

                        創新困難、商業機會有限,向推動創新、多商用機會演進。

                        NFV是未來網絡的基礎性技術,有助于實現軟件化的基礎通信網絡。核心網虛擬化是NFV在移動核心網中的具體應用,其最終目標是利用標準的X86服務器存儲和交換設備來取代原通信網絡中專用網元。X86標準的IT設備成本低廉,能夠為運營商節省大量的投資成本。經過軟硬件解耦后,網絡設備功能將不再依靠傳統專用硬件,能夠實現資源的靈活共享,并有利于新業務的開發和快速部署。

                        2.2  網絡切片

                        移動通信系統每十年變遷,技術支持應用,應用基于場景:3G、4G的發展得益于移動互聯網,5G除了移動互聯增強,另一驅動力來自于物聯網。4G升級5G,從移動互聯到萬物互聯時代。5G將在8大KPI指標上實現對4G的全面超越。其中峰值數據傳輸速率將達到20Gbit/s,用戶體驗速率達到100Mbit/s,時間延遲低于1ms。以上指標都是傳統4G技術所無法實現的,這也預示著5G將采用全新的技術方案,因此我們需要-網絡切片。

                        網絡切片可以實現:

                        (1)針對大型企業/垂直和MVNO的新型服務,按需滿足不同經濟形式的“恰到好處”的服務

                        (2)能夠針對特定服務的價格和性能進行優化

                        (3)增強安全性,通過特定的加密技術和隔離進行定制服務

                        (4)跨運營商的行業切片部署(例如,針對國家智能電網的兩個運營商之間的

                        (5)網絡切片或用于全球服務范圍的聯合切片)

                        5G網絡切片將成為5G時代面向垂直行業的第一應用和基礎業務形式,面向垂直行業的需求,提供定制化、相互隔離、質量可保證的專用邏輯網絡。

                        ◆網絡切片的概念

                        網絡切片是端到端的邏輯功能集合和其所需的物理或虛擬資源,包括接入網、核心網、傳輸網等,網絡切片可認為是5G網絡中的虛擬化“專網”。

                        網絡切片可基于傳統的專有硬件構建,也可基于NFV/SDN的通用基礎設施構建,建議基于統一平臺構建,實現低成本高效運營。

                        ◆網絡切片的選擇

                        NSSF與NRF為5G區別于4G網絡的新增功能實體,可實現網絡切片相關功能。

                        表1    5G新增功能實體

                        NRF
                        5G新引入,類似增強DNS功能
                        分層部署
                        NSSF
                        5G新引入,切片選擇
                        分省集中部署

                        網絡切片選擇協助信息(NSSAI)

                        作為簽約信息,標識特定的網絡切片,同時由終端攜帶,UE通過NSSAI來進行RAN和CN的網絡切片實例的選擇。

                        網絡切片選擇功能(NSSF)

                        引入獨立的NSSF控制平面網絡功能,實現網絡切片的靈活選擇,為UR選擇網絡切片實例集,確定允許的NSSAI,并基于配置或者向NRF詢問來確定為UE服務的AMF集。

                        ◆網絡切片部署策略

                        根據標準的完善程度、產品支持情況、用戶需求,網絡切片的部署建議:單域到跨域,由核心網逐步演進至無線、傳輸領域;切片業務類型由eMBB業務逐步到uRLLC /mIoT,再按需擴展;切片設計由運營商獨立設計到切片能力開放;切片管理由基本的切片配置管理及生命周期管理到自動化編排。單域到跨域,由核心網逐步演進至無線、傳輸領域;切片業務類型由eMBB業務逐步到uRLLC /mIoT,再按需擴展;切片設計由運營商獨立設計到切片能力開放;各切片獨立管理,獨立升級,獨立演進;切片管理由基本的切片配置管理及生命周期管理到自動化編排。

                        根據不同場景選擇不同的方案:

                        運營商個人用戶切片場景:AMF/PCF/UDM/NRF共享,不同切片包含不同的SMF/UPF;由運營商統一控制切片之間采用的策略;切片間使用相同的用戶簽約數據;

                        企業專網切片場景:AMF/UDM/NRF共享,SMF/UPF/PCF每個切片單獨部署,通過在切片中部署獨立的策略管理,每個切片可以為會話和業務路由設定特定的策略;

                        有獨立放卡放號需求的虛擬運營的場景:AMF/SMF/UPF/NRF/UDM/PCF每個切片單獨部署;

                        通過上面的分析,我們發現網絡切片技術成為了移動核心網網絡架構改革的新元素。各設備廠商也將開始陸續發布設備產品。

                        5G技術在通信網的發展還需要進一步研發與測試,其性能與可靠性還需要做進一步的改進。

                        3   結束語

                        本文對當前核心網現狀及問題進行了詳細的分析,在此基礎上,闡述了核心網未來發展方向所涉及的關鍵技術,包括NFV虛擬化技術、網絡切片技術等。通過對關鍵技術發展的探討,分析了今后核心網依靠關鍵技術演進的過程,尤其重點分析網絡切片技術的部署對網絡未來演進發展的影響。

                        大視頻、物聯網、VR/AR、自動駕駛的快速發展,對網絡容量、可靠性提出了新要求,核心網5G演進是必然趨勢,相信通過技術發展,能夠為5G助力,提升運營商未來發展競爭力。

                        參考文獻:

                        [1] 韓蕓. 5G網路的核心網絡架構和關鍵技術探討[J]. 安徽電子信息職業技術學院學報, 2015(5).

                        [2] 月球,王曉周,楊小樂. 5G網絡新技術及核心網架構探討[J]. 現代電信科技, 2015(10).

                        [3] 月球,肖子玉. 5G核心網網絡切片部署方案[J]. 2018. ★

                        作者簡介:

                        史芳芳:工程師,碩士,就職于中國移動通信集團設計院有限公司黑龍江分公司,主要從事核心網規劃及新技術研究。

                        宋先睿:工程師,碩士,就職于中國移動通信集團設計院有限公司黑龍江分公司,主要從事核心網規劃及新技術研究。

                        作者:史芳芳 宋先睿   來源:《移動通信》

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