第 3 章 5G 網絡架構
| 3.3 無線接入網架構 |
| 3.4 核心網架構 |
對 5G 核心網進行了颠覆性的設計，通過基于服務的架構、網絡切片、C/U 分離等，結合雲化技術，實作網絡的定制化、開放化、服務化，支援大流量、 大連接配接和低延遲時間的萬物互聯需求。
3.4.1 基于服務的核心網架構
為了滿足 5G 萬物互聯的需求，對于核心網而言，基于傳統 CT 思維的設計 模式顯然已經不足以面向未來。是以，5G 以軟體服務重構核心網，借鑒了 IT 業界成熟的 SOA、微服務架構等理念，結合電信網絡的現狀、特點和發展趨勢， 形成服務化架構（SBA，Service Based Architecture），實作核心網軟體化、 靈活化、開放化和智能化。3GPP 定義的基于服務化架構的 5G 核心網如圖 3-18 所示。
SBA 設計将現在的網元按照功能的次元進行解耦，形成獨立的、子產品化的 功能，然後再通過服務化的方式，在統一的架構中将業務按需組織起來，靈活 地支援多種接入方式和多種業務的需求，而且每個功能可以獨立疊代更新，以 快速滿足新的業務需求。
在該架構中，參照應用程式程式設計接口（API，Application Programming Interface）的設計思路，5G 核心網被封裝為“黑盒子”，以屏蔽網絡内部的工 作細節，隻保留對外的特定資料通路和存儲的接口。相應地，我們定義新網元 NEF 和 NRF。
網絡開放功能（NEF，Network Exposure Function）單元，為諸如第三 方應用、邊緣計算等提供了發現 3GPP 網絡服務和能力的途徑。當其他應用接 入時，NEF 對其進行鑒權、授權和流量控制。
NF 存 儲 功 能（NRF，NF Repository Function） 單 元， 作 用 類 似 于 HSS，但 HSS 存儲的是使用者資訊，而 NRF 存儲的是網絡功能資訊。它接收 NF 執行個體的請求，告知其目前網絡中哪些服務可用，并支援 NF 執行個體對特定服務 的調用。
最後，我們定義一系列的服務化接口，包括 Nnef、Nnrf、Npcf 等，這些 接口均以 Nx 命名，x 對應着相應的網元名稱。
服務化架構使 5G 實作了網絡功能的即插即用，網絡變得非常靈活，且能夠 快速部署滿足客戶業務需要的功能。5G 核心網服務化架構四大特征如圖 3-19 所示。
1．傳統網元拆分
伴随着虛拟化技術運用于電信領域，傳統意義上的核心網網元實作了軟硬 件解耦，軟體部分被稱為網絡功能（NF，Network Function）。3GPP 定義的服務化結構将一個網絡功能進一步拆分成若幹個自包含、自管理、可重用的網 絡功能服務（NF Service），這些網絡功能互相之間解耦，具備獨立更新、獨 立彈性的能力，具備标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執行個體化部署。這種網元拆分與我們經常談論的雲原 生或微服務架構有着相似的理念，而 3GPP 進行了标準化定義，并為每個 5G 網絡功能定義了一組具備對外互通标準接口的網絡功能服務。
2．網絡功能服務自動化管理
網絡功能被拆分成多個網絡功能服務後，維護工程師會從面對幾個網元改 變為面對幾十個網絡功能服務，如果仍然依靠傳統核心網的手工維護方式，那 麼對維護工程師而言無異于一場災難。是以，5G 核心網的網絡功能服務需要能 夠做到自動化管理，NRF 就是這樣的一個網絡功能。NRF 支援的幾個主要功 能如下。
（1）網絡功能服務的自動注冊、更新或去注冊。每個網絡功能服務在上電 時會自動向 NRF 注冊本服務的 IP 位址、域名、支援的能力等相關資訊，在信 息變更後自動同步到 NRF，在下電時向 NRF 進行去注冊。NRF 需要維護整個 網絡内所有網絡功能服務的實時資訊，類似一個網絡功能服務實時倉庫。
（2）網絡功能服務的自動發現和選擇。在 5G 核心網中，每個網絡功能服 務都會通過 NRF 來尋找合适的對端服務，而不是依賴于本地配置方式固化通信 對端。NRF 會根據目前資訊向請求者傳回對應的響應者網絡功能服務清單，供 請求者進行選擇。這種方式一定程度上類似于 DNS 機制，進而實作網絡功能服 務的自動發現和選擇。
（3）網絡功能服務的狀态檢測。NRF 可以與各網絡功能服務之間進行雙向 定期狀态檢測，當某個網絡功能服務異常，NRF 将異常狀态通知到與其相關的 網絡功能服務。
（4）網絡功能服務的認證授權。NRF 作為管理類網絡功能，需要考慮網絡 安全機制，以防止被非法網絡功能服務劫持業務。
3．網絡通信路徑優化
傳統核心網的網元之間有着固定的通信鍊路和通信路徑。例如，在 4G 網絡 中，使用者的位置資訊必須從無線基站上報給 MME，然後由 MME 通過 S-GW 傳遞給 P-GW，最終傳遞給 PCRF 進行政策的更新。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信，極大地優化了通信路徑。 同樣地，以使用者位置資訊政策為例，PCF 可以提前訂閱使用者位置資訊變更事件， 當 AMF 中的網絡服務功能檢測到使用者發生位置變更時，釋出使用者位置資訊變 更事件，PCF 可直接實時接收到該事件，無須其他網絡功能服務進行中轉。
4．網絡功能服務間的互動解耦
傳統核心網網元之間的通信遵循請求者和響應者的點對點模式，這是一種 互相耦合的傳統模式。5G 核心網架構下的網絡功能服務間通信機制進一步解耦 為生産者和消費者模式，生産者釋出相關能力，并不關注消費者是誰，在什麼 地方。消費者訂閱相關能力，并不關注生産者是誰，在什麼地方。這是一種從 IT 業借鑒來的通信模式，非常适用于通信雙方的接口解耦。
5G 核心網的服務化架構是 5G 時代在網絡架構方面的一個重大變革，具備靈 活可編排、解耦、開放等傳統網絡架構無法比拟的優點，是 5G 時代迅速滿足垂直 行業需求的一個重要手段。核心網的“黑盒子”已經被打開，依托于服務化架構 的 5G 核心網，移動通信網絡一定會在未來的萬物互聯之路上展現出巨大的能力。
3.4.2 5G 核心網的雲化演進部署
服務化架構将網元功能拆分為細粒度的網絡服務，“無縫”對接雲化 NFV 平台輕量級部署單元，為差異化的業務場景提供靈活的系統架構支援。5G 核心 網将以徹底雲化的網絡架構，實作網元微子產品化、原子化，按需靈活組合上線。 5G 核心網對雲化 NFV 平台（簡稱雲平台）的關鍵需求包括如下幾個方面。
（1）開放。雲平台需要實作解耦部署和全網資源共享，探索标準化和開源 相結合的新型開放模式，消減網絡和平台服務單廠家鎖定風險，依托主流開源 項目和符合“事實标準”的服務接口來建立開放式通信基礎設施新生态。
（2）可靠。電信業務對現有 IT 資料中心（DC，Data Center）和基礎設施 在可靠性方面提出了更高要求，NFV 系統由伺服器、存儲、網絡和雲作業系統 多部件構成，涉及障礙節點多，潛在故障率更高，電信級“5 個 9”的可靠性需 要針對性的優化方案。
（3）高效。雲平台的效能需求包括業務性能和運維彈性兩個方面。業務性 能展現在雲平台需要滿足 5G 核心網服務化接口信令處理、邊緣并發計算和大 流量轉發的要求；運維彈性主要包括雲平台業務快速編排，靈活跨 DC 組網和 資源動态擴縮容的能力。
（4）簡約。5G 核心網的網絡功能單元粒度更細，需要雲平台提供更輕量化 的部署單元相比對、實作。
（5）靈活。快速的網絡重構和切片編排，NFV 編排需要将複雜的網絡應用、 容器 / 虛機、實體資源間的依賴關系、拓撲管理、完整性控制等業務過程模闆化， 實作一鍵部署和模闆可配，降低傳遞複雜度和運維技術門檻。
（6）智能。雲平台能夠從廣域網絡和海量資料中提取知識，智能管理面向多行業、多租戶、多場景的廣域分布的資料中心資源。引入人工智能輔助的主 動式預測性營運，為網絡營運商和切片租戶提供運維優化、流量預測、故障識 别和自動化恢複等智能增值服務。
其中，開放、可靠和高效是 5G 網絡功能在雲化 NFV 平台規模部署的基礎 要求。是以，建議 5G 核心網雲化部署采取分步推進的模式：部署初期重點考 慮滿足雲平台開放性、穩定性和基本業務性能要求，确定 DC 組網規劃、NFV 平台選型、核心網建設等基礎架構問題，促進 5G 核心網雲化部署落地。待後 續雲平台運作穩定後，基于 NFV 靈活擴充和快速疊代的特征，可按照不同業務 場景的高階功能要求，逐漸進行有針對性的優化和完善。
5G 核心網部署可采用 “中心—邊緣”兩級資料中心的組網方案。在實際 部署中，不同的營運商可根據自身網絡基礎、資料中心規劃等因素靈活分解為 多層次分布式組網形态。
端到端雲化組網參考架構如圖 3-20 所示。
中心級資料中心一般部署于大區或省會中心城市，主要用于承載全網集中 部署的網絡功能，如網管 / 營運系統、業務與資源編排、全局 SDN 控制器，以 及核心網控制面網元和骨幹出口網關等。控制面集中部署的好處在于可以将大 量跨區域的信令互動變成資料中心内部流量，優化信令處理時延；虛拟化控制面網元集中統一控制，能夠靈活排程和規劃網絡；根據業務的變化，按需快速 擴縮網元和資源，提高網絡的業務響應速度。
邊緣級資料中心一般部署于地市級彙聚和接入局點，主要用于地市級業務 資料流解除安裝的功能，如 UL-CL UPF、4G GW-U、邊緣計算平台和特定業務 切片的接入和移動性功能。使用者資料邊緣解除安裝的好處在于可以大幅降低延遲時間敏 感類業務的傳輸時延，優化傳輸網絡負載。通過分布式網元的部署方式，将網 絡故障範圍控制在最小。此外，通過本地業務資料分流，可以将資料分發控制 在指定區域内，滿足特定場景的安全性需求。
在虛拟化層方面，針對移動核心網業務，營運商可采用統一的 NFV 基礎設 施平台向下收斂通用硬體，支援軟硬體解耦或 NFV 系統三層解耦能力。營運商 對雲平台的核心價值關切在于高可用性、高可靠、低延遲時間、大帶寬。
在資料中心組網方面，通過兩級資料中心節點的 SDN 控制器關聯提供跨 DC 組網功能，提高 5G 核心網切片端到端自動化部署和靈活的拓撲編排管理能 力；資料中心内部組網可采用兩層架構 + 交換機叢集（TOR/EOR）模式，減 少中間層次，提高組網效率和端口使用率；或選擇 Leaf—Spine 水準擴充模式， 實作 Leaf 和 Spine 全互聯、多 Spine 水準擴充，處理東西向流量；在滿足電信 虛拟化網絡功能（VNF）性能的條件下，通過 Overaly 網絡虛拟化實作大二層， 利用 SDN 技術，增強按需排程和配置設定網絡資源的能力。
完成資料中心組網和雲平台部署後，可根據營運商的營運政策和發展要求 啟動移動核心網雲化部署工作，為 5G 的整體商用提供核心網業務能力。5G 階 段，移動核心網雲化部署可能的任務包括以下幾個方面。
（1） 4G 核心網（EPC）功能更新：支援非獨立部署（NSA）EPC 功能和 網關控制承載分離（CUPS）功能。
（2） EPC 功能虛拟化：對 4G 核心網網元進行虛拟化改造。
（3）分布式雲網建設：包括分布式資料中心組網、雲化 NFV 平台建設、 NFVO 建設與網管對接，以及容器部署等。
（4） 5G 核心網（5GC）建設：完成 5G 核心網功能開發，支援服務化架構、 網絡切片、邊緣計算、語音等業務能力。
（5） 5GC部署配套建設：基于HTTP的信令網建設優化，4G/5G裝置合設、 混合組池和互操作，以及業管、網管和計費配套支援等。
（6）以 EPC 功能更新支援 5G 基站非獨立組網（Option3）和虛拟化改造 為起點觸發 5G 全網雲化部署是一種基于演進思路的選項，這是出于保護現有 投資和維持移動寬帶業務延續性的考慮，同時也因為 vEPC 已有部署和商用經 驗，有利于促進雲網一體化建設，快速達成雲化營運的目标，同時為 5GC 新功能部署和配套建設奠定基礎。
營運商也可以選擇直接部署支援 5G 基站獨立組網（Option2）的 5GC。直 接部署 5GC 可以在一定規模上快速滿足 5G 三大場景對網絡的創新要求，第一 時間把握 5G 新型業務的發展機遇。然而，5GC 部署涉及服務化架構、網絡切片、 容器等全新技術，而且 5G 核心網必須實作與傳統網絡的共存，滿足網絡平滑 更新和業務連續性要求，是以、建議營運商在規劃時提前考慮，充分開展技術 試驗驗證，推進關鍵技術和部署方案成熟。
5G 視窗期内的移動核心網雲化部署需要綜合考慮多業務場景和多系統共存 演進的問題。利用雲化 NFV 平台快速業務上線、靈活功能疊代的特性，分步驟、 同步性地平滑實作核心網過渡、共存、互操作和融合，達成 4G/5G 核心網一體 化、智能化營運的目标：
第 1 階段，概念驗證階段。營運商可同步推進 EPC 更新和 5GC 部署概念 驗證。EPC 側重驗證 NSA 和 CUPS 更新功能，以及 NFV 平台解耦方案；5GC 重點驗證新功能特性和接口協定等。同時，基于對EPC和5GC驗證結果的評估， 确定雲平台選型方案。
第 2 階段，組網驗證階段。重點完成試驗網驗證，并向規模組網平滑升 級。EPC 可先啟動面向規模組網的 NSA 和 CUPS 功能更新，實作網絡功能雲 化，承接 eMBB 業務。5GC 在試驗網階段，重點開展不同應用場景下架構、功 能和性能驗證，以及 MME 和 AMF 間 N26 接口互操作功能驗證。同步啟動 5G HTTP 信令網方案論證群組網建設。
第3階段，4G/5G核心網融合階段。随着5G應用的湧現和5GC的試驗成熟， 可以啟動 5GC 規模組網，引導 eMBB 業務向 5G 核心網分流，鼓勵垂直行業嘗 試切片部署，支援 4G/5G 互操作和語音業務，驗證 EPC/5GC、實體 / 虛拟化 裝置的混合組池和功能合設方案，提供無縫的業務連續性和營運一緻性。
未來，智能化營運階段。基于雲端 4G/5G 融合核心網建構全新營運生态。 基礎設施層面實作基于服務粒度靈活編排、以容器為機關的靈活部署能力，構 建 NFV 統一平台生态；網絡業務層面圍繞網絡切片為不同行業需求定制功能增 強的業務專網，實作大資料 / 人工智能驅動的智能營運，建構 5G 應用創新生态。
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