面向5G的核心网演进规划

杨旭，肖子玉，邵永平，宋小明



面向5G的核心网演进规划

杨旭，肖子玉，邵永平，宋小明

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

首先概述了5G标准及产业进展，梳理了5G核心网架构、主要关键技术及互操作架构，在此基础上，提出了面向5G核心网的分阶段演进规划思路及部署建议，为现网引入5G核心网提供参考。

5G核心网；5GC；EPC；演进；选项

1 引言

第一个5G标准（3GPP R15版本）在2018年6月冻结，完整的5G标准（3GPP R16版本）预计将于2019年年底冻结。其中R15又分为两个阶段，第一阶段在2017年年底完成5G新空口非独立组网（option3），第二阶段在2018年中期完成5G新空口独立组网标准（option2）和其他NSA标准（option4和option7预计会延期到2018年年底完成）[1]，如图1所示，其中，Q1、Q1、Q3、Q4分别代表第一季度、第二季度、第三季度和第四季度。

终端和芯片：主流芯片厂商从2018年下半年陆续推出支持NSA/SA的芯片，商用终端一般晚于芯片6个月左右。

产品进展：大部分厂商在2018年年底开始推出基于R15的NSA/SA核心网产品，2019年年底产品逐步成熟。

图1 3GPP 5G核心网标准进展

产业进展：全球通信发达地区主流运营商均计划2020年前后开始商用部署5G网络，早于2020年商用部署的均以采用NSA部署模式为主。

现有EPC（evolved packet core）网元采用传统方式并以集中化部署在省中心为主，面向2020年5G网络商用部署，运营商需要考虑如何基于现有EPC核心网现状进行提前布局，引入5G核心网并使核心网平滑演进，本文将基于对5G网络架构及主要关键技术的介绍，对于5G核心网引入及演进等问题进行分析并给出规划建议。

2 5G网络系统架构及互操作架构

与4G网络相比，5G网络变革主要包括SBA（service-based architecture）架构、CP/UP（控制平面与用户平面）分离、网络切片、支持边缘计算等多个方面[2]。3GPP标准5G网络SBA架构如图2所示。

图2 5G网络系统架构[3]

5G网络引入服务化功能设计，将EPC等主要网元进行解耦重构和模块化设计，5G核心网新增网络功能及与EPC相关网元对比见表1。

主要关键技术能力包括SBA架构、网络切片、CP/UP分离以及边缘计算，概述如下。

（1） SBA架构

5G核心网控制平面采用服务化架构，控制平面功能解耦重构为多个网络功能，每个控制面NF细分为多个服务，网络功能服务遵循自包含、可重用、独立管理三原则。采用基于服务化的接口，使能每一个网络功能能够直接与其他网络功能交互，3GPP已确定采用以TCP、HTTP2、JSON、OpenAPI3.0、RESTful的组合为基础，对5G核心网协议进行标准化，N1/N2/N3/N4/N6/N9等接口仍然使用参考点接口。采用云原生及互联网技术，能够实现快速部署、连续集成和发布新的网络功能和服务，且便于运营商自有或第三方业务开发。

表1 5G NF与EPC网元对比

（2） 网络切片

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。网络切片架构由基础设施层、网络切片层和网络切片管理层组成。网络切片管理架构自上而下包含三层，分别为CSMF（通信服务管理功能）、NSMF（网络切片管理功能）、NSSMF（网络切片子管理功能）。CSMF聚焦商业，面向垂直行业提供切片业务管理；NSMF聚焦跨域，跨域协同提供E2E切片设计与生命周期管理和编排；NSSMF聚焦单域，面向各域分别提供切片设计与生命周期管理。网络切片管理功能需要跨域协同（接入网、核心网、传输网等），实现整体端到端切片管理和编排，资源管理由MANO完成[4]。

（3） C/U分离及边缘计算

5G网络架构继承4G CUPS（控制面与用户面分离）架构，相比4G用户面为SGW-U和PGW-U，5G用户面归一化为UPF。边缘计算作为5G的原生特性，由ETSI提出，逐渐被3GPP、IMT-2020等标准组织接纳并重视，成为5G关键议题。边缘计算服务垂直行业、满足差异化应用场景，应用场景包括本地视频业务、车联网、物联网和本地能力开放等。5G会话管理机制在设计之初即考虑了对边缘计算的支持，包括用户面的灵活部署和数据路由的本地疏导和业务连续性，定义2种支持边缘计算的架构：UL-CL本地分流和IPV6多归属。

3GPP标准互操作架构如图3所示。

3GPP包括单注册（single registration）和双注册（dual registration）两种功能互操作模式。单注册模式是终端必选特性，终端只能在5G或4G任意一个系统上注册，仅保存一套NASMM状态；双注册模式终端独立注册在5G和4G系统，EPC与5GC保持独立的NASMM状态。互操作流程包括基于N26接口的互操作流程和无N26接口的互操作流程，对于单注册模式，连接态执行切换流程，包括5GS到EPS切换和EPS到5GS切换，空闲态从5GS到EPS执行TAU流程，从EPS到5GS 执行注册流程。对于单注册模式建议采用基于N26接口的互操作模式，通过提前在目标网络预留资源，能够实现无缝的会话连续性，无N26接口的模式需要重新接入网络和建立连接，会有秒级的业务时延及中断。

图3 5G与4G互操作标准架构[3]

4G和5G将在相当长的时间内共存，E-UTRAN接入EPC，NGRAN接入5G核心网，EPC与5G核心网进行互通。在AMF与MME之间引入N26接口，传递移动性管理和会话管理等相关互操作信息，可提前在目标网络预留资源，接入“UDM+HSS”“PCF+PCRF”“SMF+PGW-C”“UPF+PGW-U”融合功能，实现5G和EPC核心网互操作，5G UE的会话需要锚定在5G融合核心网。

3 面向5G核心网商用部署的规划建议

以5G商用部署为重要时间节点，将分为3个阶段进行论述[5]，如图4所示。

•Ÿ 阶段1：面向5G商用的现有分组域核心网演进建议。

Ÿ• 阶段2：5G核心网商用初期引入策略及建议。

•Ÿ 阶段3：5G核心网部署中后期，5G核心网与EPC融合演进。

3.1 面向5G商用的分组域核心网演进策略

3.1.1 布局电信云数据中心，尽快推动现有分组域核心网云化

建议各省按照核心和边缘两级电信云DC进行规划建设，以满足未来5G UPF的分布式部署，边缘计算设备可按需部署在更低的接入节点。

控制平面集中部署：在核心DC主要部署5G CP、MME、PCRF等控制平面网元以及HSS/UDM等数据面网元，实现更集中的控制和更灵活的网络调度，另外还包括可在省中心集中部署或在省中心所在本地网部署的5G UPF用户平面设备。

图4 面向5G的核心网规划演进策略

图5 电信云数据中心布局示意

用户面分布式部署：在边缘DC主要部署5G UPF、GW-U等用户平面网元，以实现流量快速卸载，优化流量和用户体验，提高网络效率。

电信云数据中心布局示意如图5所示。

推动网元向通用平台、软件化演进是功能灵活部署和编排能力的基础，NFV作为5G的重要使能技术，需要先于5G核心网部署，并积累分组域核心网的NFV运维经验，通过管理与编排系统，支持全局资源编排和调度。

稳步推进EPC核心网MME、SAE-GW（建议基于C/U分离进行验证，包含GW-C和GW-U）、PCRF、CG以及HSS等主要网元的NFV云化试点验证。试点验证成熟后，可对于分组域核心网新增容量及老旧替换设备容量全部按照NFV云化设备形态考虑，云化vEPC核心网可以进一步平滑演进为5G融合核心网。

3.1.2 网关C/U分离，用户平面按需下沉部署

考虑规划期数据流量的快速发展、融合CDN下沉以及面向5G核心网的分布式部署需求，并结合省中心核心网机房资源情况及电信云规划布局，适时调整现有核心网架构布局，网关用户面逐步下沉至各地市，以优化数据流量流向，提升用户体验，为5G核心网分布式部署架构进行架构布局。3GPP R14定义的基于EPC的网关C/U分离架构如图6所示[6]。

（1）以NFV云化方式部署

NFV云化是5G部署的前提，建议网关直接以NFV云化方式下沉部署，可以向5GC UPF平滑演进。

（2）以C/U分离方式部署

根据C/U分离厂商产品成熟度，建议直接部署C/U分离的NFV云化网元，便于向5G UPF平滑演进。

（3）分步骤下沉

为保障网络安全及保护现有传统设备投资，建议采用分步骤下沉方式，逐步下沉至各地市。

3.1.3 5G核心网试点验证

3GPP R15标准作为5G商用的第一个版本在2018年6月完成，2018年下半年开始运营商将开展基于R15正式标准的5G网络试点验证，端到端验证5G网络功能和特性，为5G核心网商用做技术验证和技术储备。

3.2 5G核心网商用初期引入策略

图6 3GPP定义C/U分离架构

3GPP标准定义了独立组网（SA）和非独立组网（NSA）两大类部署模式[7]。基于5G整体网络部署演进路线，从核心网角度来看，核心网有两种部署方式选择：如果采用option3/3a/3x部署架构[8]，需要将现网EPC升级为EPC+；如果采用其他部署架构选项（option2、option4/4a、option5、option7/7a/7x），则均需要新建5G核心网。

3.2.1 EPC升级为EPC+（可选）

为支持option3x部署架构，EPC核心网需要升级支持EPC+，初步建议现网HSS、PCRF需要全部升级，现网MME全部升级和可选部分SAE-GW升级。具体分析见表2。

表2 EPC核心网主设备改造范围分析及建议

为支持option3/3a/3x部署模式，EPC需要在支持双连接、QoS扩展、5G签约扩展、NR接入限制、计费扩展等方面进行升级，升级网元包括HSS、PCRF、MME、SAE-GW、CG、DNS等，部署option3x需要新增与5GNR之间的S1-U接口，并增强SAE-GW设备用户面处理性能能。具体如图7所示。

图7 初期引入option3部署架构

3.2.2 部署5G核心网

无论是从直接部署option2独立组网方式，还是从option3/3a/3x架构演进到option2、option7/7a/7x或option4/4a，均需要部署5G核心网。引入option2/4/5/7后整体网络部署架构如图8所示。

图8 引入5G核心网后整体网络部署架构

（1）为实现5G核心网和EPC核心网的互操作，标准中对于以下5GC网络功能需要与EPC相应网络功能实现融合。

•Ÿ 融合UDM/HSS：统一签约管理，保证用户数据一致性。

•Ÿ 融合PCF/PCRF：统一策略管理，保证策略一致性和连续性。

•Ÿ 融合SMF/PGW-C：统一会话管理锚点。

•Ÿ 融合UPF/PGW-U：统一用户面锚点，移动锚点不变保证业务连续性。

（2）HSS与UDM用户数据融合、PCF与PCRF实现策略面融合：以不换卡不换号为原则，涉及统一用户数据和策略，需要考虑现网传统HSS和PCRF设备存量全部替换和平滑过渡两种方案，初期UDR内涉及的不同数据部署形态可分可合。具体分析见表3。

（3）升级现网MME支持与AMF之间通过N26接口互操作，传递移动性管理和会话管理相关上下文，提供无缝的会话和业务连续性。随着5G核心网与EPC的逐步融合，N26接口将逐步演变为内部接口。建议AMF/MME融合部署，能够提升互操作效率、优化用户体验、共享资源、简化运维。4G和5G将在相当长的时间内共存，有N26接口的互操作架构，可以支持4G/5G融合组网和平滑演进以及业务的平滑迁移。

表3 数据域和策略控制融合部署分析

（4）建设5G信令网，建议与DRA融合演进：3GPP规范尚未对5G核心网信令设备做明确要求，但TS23.501在不同章节提到了类似DRA的信令proxy设备必要性。3GPP已将5G控制面协议确定为HTTP2.0，使用HTTP proxy 可以实现简化组网、负载均衡、流量控制、会话绑定和拓扑隐藏等功能。面向5G信令网部署，可采用Diameter/HTTP融合组网方式，重用当前分省级和大区级的DRA两级组网模式，便于4G/5G信令网平滑演进。5G信令网部署分析见表4。

建议采用DRA和HTTP proxy融合部署，示意如图9所示。

图9 基于DRA的5G融合信令网

表4 5G信令网部署分析

（5）3GPP已经明确将基于IMS提供语音业务，5G phase1不提供和2G/3G语音的直接互操作。3GPP R15不对IMS网络进行架构上的改变，根据5G总体部署方案选择，对现网IMS平滑演进。5G语音基于EPC部署（option3）：沿用现有4G网络语音处理流程，IMS不需要发生任何变化。5G语音基于5GC部署（option2/4/5/7）：需要对IMS系统进行接口及功能增强，以支持VoNR。终端在5G覆盖内使用VoNR，终端在4G覆盖内使用VoLTE，3GPP已定义EPC和5GC之间的HO方案。IMS核心网演进支持VoNR语音如图10所示。

图10 IMS核心网演进支持VoNR语音

终端支持单注册为必选要求，网络侧建议必选部署单待终端切换方案（可选部署单待回落方案）。5GC和EPC的紧耦合部署，可以保证5G和4G之间的语音连续性，5G语音业务的连续性依赖于4G网络VoLTE的覆盖率。

3.3 5G核心网与EPC融合演进，实现统一核心网

随着EPC核心网逐步云化以及传统ATCA设备的陆续退网，核心网将会逐步平滑演进至全云化融合核心网，EPC和5G核心网能够部署在相同的基础设施上，vEPC可向上升级支持5GC融合功能，新建5GC向下兼容EPC融合网元功能，通过网络切片满足多样化的业务场景需求，如图11所示。

4 结束语

为满足5G分布式部署架构，运营商应尽早开展NFV电信云基础资源布局，包括省中心DC、地市DC及位置更低的边缘DC，满足边缘计算部署需求。根据5G互操作架构，需要考虑现网HSS、PCRF设备分别和对应的5GC NF进行融合部署，需在5G商用前对于EPC主要网元进行充分的云化试点验证，并积累vEPC现网云化运维经验。在3GPP R15标准冻结后可积极开展5G核心网外场试点验证，并根据频率资源、覆盖策略等因素确定合适的5G网络部署架构及整体演进路线。随着分组域核心网逐步实现NFV全云化以及5G业务的不断发展，将最终实现统一的核心网，同时满足多种业务需求。

图11 5G统一核心网组网示意

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Core network evolution planning oriented 5G

YANG Xu, XIAO Ziyu, SHAO Yongping, SONG Xiaoming

China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China

Firstly, the 5G standard and industrial progress were summarized, and the 5G core network architecture, key technologies and interworking architecture were combed. On this basis, the idea of phased evolution planning and deployment suggestions for the 5G core network were proposed to provide reference for the introduction of the 5G core network in the present network.

5G core network, 5GC, EPC, evolution, option

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000−0801.2018210

2018−04−02；

2018−06−07

杨旭（1985−），男，中国移动通信集团设计院有限公司工程师，主要研究方向为5G核心网、NFV、分组域核心网、物联网等。

肖子玉（1969−），女，中国移动通信集团设计院有限公司教授级高级工程师，中国通信学会高级会员，美国北卡罗莱纳州立大学访问学者，主要研究方向为NFV/SDN、5G、IMS、网络安全和信息安全等。

邵永平（1978−），男，中国移动通信集团设计院有限公司高级工程师，主要研究方向为移动通信核心网、NFV、网络和信息安全等。

宋小明（1985−），女，中国移动通信集团设计院有限公司工程师，主要研究方向为移动通信核心网、信令网、NFV等。