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5G时代核心网发展探讨

http://www.c114.com.cn ( 2018/9/12 17:36 )

摘要:随着数字化技术的变革,移动通信技术在飞速发展,从语音到数字再到流量经营,大连接、低时延、高速率、高可靠的网络需求日益增加,第五代移动通信业技术也成为了全球研发热点。未来的5G网络可应用于车联网、智慧城市、智慧医疗等方方面面。在全球业界的共同努力下,5G网络的关键能力及应用场景已经基本确定,预计2020年我国实现5G网络的商用,在此过程中,核心网将全面颠覆以往的网络架构,核心网网络如何发展起着关键性的作用,尤其在核心网未来技术发展方向,演进过程中面临着严峻的考验。

随着5G技术的到来,世界即将步入一个数据大爆炸的时代,这将是一个跳跃性的发展、是一场变革,它将意味着网络架构将实现颠覆性的转变。它将不再是人与人之间的通信,转而变成人与物、物与物之间的通信,这种大连接、低时延、高速率的网络将会给核心网带来巨大的影响。随着5G商用时间点的逼近,核心网网络如何发展将起着关键性的作用,尤其在核心网未来技术发展方向、演进过程中面临着严峻的考验。

1   核心网现状与问题分析

在前不久举办的2018上海世界移动大会上,中国联通中国移动中国电信三大运营商亮出了时间表:计划到2020年,实现5G网络正式商用。作为第五代移动通信,5G网络带给人们的第一感觉是速度快。4G时代主要实现了“人与人”的快速通讯连接,但5G的“志向”远不止于此,它的目标是要让更多的“人和物”、“物和物”快速相连,进而推进万物互联时代的到来。5G的高速率、高稳定性和低时延特性将提高无人驾驶的安全性能,除了无人驾驶,在远程操控、智能家居等应用场景也将进一步走近消费者。根据目前业界的分析,全球5G应用领域将主要集中在车联网、公共安全、智慧城市、媒体及信息娱乐四个方面。这也是业界人士认为5G网络最大的价值,“能够和更多的产业深度融合”。

当前,中国移动对5G 基本架构已有初步共识,就是要支持多种接入、降低不同接入方式和核心网的耦合、实现按需的组网、借力NFV/SDN技术。NFV(Network Function Virtualization,网络功能虚拟化)技术的出现有效的解决了核心网架构的弊端,为运营商提供了一个良好的发展机遇,将NFV技术引入移动核心网具有重要意义。

随着商用时间的逼近,5G网络化已经到了发展的关键时期,中国移动提出了5G网络架构三大设计原则,首先是从刚性到软性,也就是从固态网络到动态网络,实现网络资源虚拟化、网络功能的解耦和服务化。其次是移动网络IP化、互联网化,也就是实现与IT网络互通融合,引入互联网技术,优化网络设计。最后是集中化智能和分布化处理,集中化智能—功能集中化,为垂直行业提供个性化增值服务,并分布化处理—移动网络功能靠近用户,提高网络吞吐量,降低时延。以SDN/NFV 技术实现网络云化,加上微服务设计,这意味着5G 网络真正走向开放化、服务化、软件化方向,有利于实现5G与垂直行业融合发展。

今年6月,3GPP 5G NR标准SA(独立组网)方案正式完成并发布,标志着首个真正完整意义的国际5G标准正式出炉。SA独立组网相对于NSA(非独立组网)存在,其引入的新能力也是5G区别于4G的一个重要特征。NSA模式是只建5G基站,不建5G核心网,不能做到终端到终端直达的5G网络,信号传输要经过的路径多,时延也很长,不能很好地支持网路切片、边缘计算等5G的技术特征。而SA独立组网模式下,5G的基站连接5G的核心网,可通过核心网下沉部署到基站侧,使传输信号所需要经过的路径很少,可以直接从基站侧到达业务服务器

在4G网络中,传统的核心网网元之间有着固定的通讯链路和通讯路径,用户的位置信息必须从无线基站上报给MME,然后由MME通过S-GW传递给P-GW,最终传递给PCRF进行策略的更新。而在5G核心网服务化架构下,各网络功能服务之间可以根据需求任意通讯,极大地优化了通讯路径。

伴随着虚拟化技术运用在电信领域,传统意义上的核心网网元实现了软硬件解耦,软件部分被称为网络功能(Network Function)。3GPP定义的服务化结构将一个网络功能进一步拆分成若干个自包含、自管理、可重用的网络功能服务(NF Service),这些网络功能相互之间解耦,具备独立升级、独立弹性的能力,具备标准接口与其他网络功能服务互通,并且可通过编排工具根据不同的需求进行编排和实例化部署。这种网元拆分与经常谈论的云原生或微服务架构有着相似的理念,而3GPP进行了标准化定义,并为每个5G网络功能定义了一组具备对外互通标准接口的网络功能服务。

2   基于5G核心网演进

5G时代通信技术的另一次变革,实现了由个人应用向行业应用的转变。随着5G时代的到来,核心网需要不断演进以适应更高流量需求及更优的业务体验。

2.1  核心网NFV

定义:NFV(Network Functions Virtualization)网络功能虚拟化,是指通过使用虚拟化软件技术,实现传统网元的软硬解耦,不同厂家的软件运行在统一的虚拟化基础设施上。它的优势主要体现在以下几个方面:

(1)降低运营商总体CAPEX/OPEX;

(2)减少新业务及服务市场投放时间;

(3)增加架构灵活性,实现弹性架构;

(4)更加开放的虚拟化应用及纯软件应用的平台;

(5)降低创新业务的开发部署成本。

从今天的网络向未来NFV网络演进,意味着:

业务部署复杂,向灵活快速部署演进;

运维复杂,向简化运维演进;

硬件设备种类多种多样,向归一化硬件、资源共享演进;

创新困难、商业机会有限,向推动创新、多商用机会演进。

NFV是未来网络的基础性技术,有助于实现软件化的基础通信网络。核心网虚拟化是NFV在移动核心网中的具体应用,其最终目标是利用标准的X86服务器存储和交换设备来取代原通信网络中专用网元。X86标准的IT设备成本低廉,能够为运营商节省大量的投资成本。经过软硬件解耦后,网络设备功能将不再依靠传统专用硬件,能够实现资源的灵活共享,并有利于新业务的开发和快速部署。

2.2  网络切片

移动通信系统每十年变迁,技术支持应用,应用基于场景:3G、4G的发展得益于移动互联网,5G除了移动互联增强,另一驱动力来自于物联网。4G升级5G,从移动互联到万物互联时代。5G将在8大KPI指标上实现对4G的全面超越。其中峰值数据传输速率将达到20Gbit/s,用户体验速率达到100Mbit/s,时间延迟低于1ms。以上指标都是传统4G技术所无法实现的,这也预示着5G将采用全新的技术方案,因此我们需要-网络切片。

网络切片可以实现:

(1)针对大型企业/垂直和MVNO的新型服务,按需满足不同经济形式的“恰到好处”的服务

(2)能够针对特定服务的价格和性能进行优化

(3)增强安全性,通过特定的加密技术和隔离进行定制服务

(4)跨运营商的行业切片部署(例如,针对国家智能电网的两个运营商之间的

(5)网络切片或用于全球服务范围的联合切片)

5G网络切片将成为5G时代面向垂直行业的第一应用和基础业务形式,面向垂直行业的需求,提供定制化、相互隔离、质量可保证的专用逻辑网络。

◆网络切片的概念

网络切片是端到端的逻辑功能集合和其所需的物理或虚拟资源,包括接入网、核心网、传输网等,网络切片可认为是5G网络中的虚拟化“专网”。

网络切片可基于传统的专有硬件构建,也可基于NFV/SDN的通用基础设施构建,建议基于统一平台构建,实现低成本高效运营。

◆网络切片的选择

NSSF与NRF为5G区别于4G网络的新增功能实体,可实现网络切片相关功能。

表1    5G新增功能实体

NRF
5G新引入,类似增强DNS功能
分层部署
NSSF
5G新引入,切片选择
分省集中部署

网络切片选择协助信息(NSSAI)

作为签约信息,标识特定的网络切片,同时由终端携带,UE通过NSSAI来进行RAN和CN的网络切片实例的选择。

网络切片选择功能(NSSF)

引入独立的NSSF控制平面网络功能,实现网络切片的灵活选择,为UR选择网络切片实例集,确定允许的NSSAI,并基于配置或者向NRF询问来确定为UE服务的AMF集。

◆网络切片部署策略

根据标准的完善程度、产品支持情况、用户需求,网络切片的部署建议:单域到跨域,由核心网逐步演进至无线、传输领域;切片业务类型由eMBB业务逐步到uRLLC /mIoT,再按需扩展;切片设计由运营商独立设计到切片能力开放;切片管理由基本的切片配置管理及生命周期管理到自动化编排。单域到跨域,由核心网逐步演进至无线、传输领域;切片业务类型由eMBB业务逐步到uRLLC /mIoT,再按需扩展;切片设计由运营商独立设计到切片能力开放;各切片独立管理,独立升级,独立演进;切片管理由基本的切片配置管理及生命周期管理到自动化编排。

根据不同场景选择不同的方案:

运营商个人用户切片场景:AMF/PCF/UDM/NRF共享,不同切片包含不同的SMF/UPF;由运营商统一控制切片之间采用的策略;切片间使用相同的用户签约数据;

企业专网切片场景:AMF/UDM/NRF共享,SMF/UPF/PCF每个切片单独部署,通过在切片中部署独立的策略管理,每个切片可以为会话和业务路由设定特定的策略;

有独立放卡放号需求的虚拟运营的场景:AMF/SMF/UPF/NRF/UDM/PCF每个切片单独部署;

通过上面的分析,我们发现网络切片技术成为了移动核心网网络架构改革的新元素。各设备厂商也将开始陆续发布设备产品。

5G技术在通信网的发展还需要进一步研发与测试,其性能与可靠性还需要做进一步的改进。

3   结束语

本文对当前核心网现状及问题进行了详细的分析,在此基础上,阐述了核心网未来发展方向所涉及的关键技术,包括NFV虚拟化技术、网络切片技术等。通过对关键技术发展的探讨,分析了今后核心网依靠关键技术演进的过程,尤其重点分析网络切片技术的部署对网络未来演进发展的影响。

大视频、物联网、VR/AR、自动驾驶的快速发展,对网络容量、可靠性提出了新要求,核心网5G演进是必然趋势,相信通过技术发展,能够为5G助力,提升运营商未来发展竞争力。

参考文献:

[1] 韩芸. 5G网路的核心网络架构和关键技术探讨[J]. 安徽电子信息职业技术学院学报, 2015(5).

[2] 月球,王晓周,杨小乐. 5G网络新技术及核心网架构探讨[J]. 现代电信科技, 2015(10).

[3] 月球,肖子玉. 5G核心网网络切片部署方案[J]. 2018. ★

作者简介:

史芳芳:工程师,硕士,就职于中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司,主要从事核心网规划及新技术研究。

宋先睿:工程师,硕士,就职于中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司,主要从事核心网规划及新技术研究。

作者:史芳芳 宋先睿   来源:《移动通信》

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