5G核心網(wǎng)架構(gòu)分析

通信技術(shù)的演進(jìn)已經(jīng)到了第四代。從第一代到第四代移動(dòng)通信技術(shù)，圍繞的都是人與人之間的通信，而在如今的網(wǎng)絡(luò)直播、虛擬現(xiàn)實(shí)、4K視頻逐漸普及的大環(huán)境下，用戶對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的要求也是越來越高，要滿足用戶不斷增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)需求，一個(gè)帶寬更高、時(shí)延更低、覆蓋更廣的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)必不可少，而5G正是一個(gè)能夠滿足這些需求的網(wǎng)絡(luò)。除了人與人之間的通信，5G更重要的目標(biāo)是萬物互聯(lián)。4G已經(jīng)改變了人類的生活方式，5G將改變社會(huì)的生產(chǎn)模式。

5G網(wǎng)絡(luò)主要有三大技術(shù)場(chǎng)景，增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)enhanced mobile broadband (eMBB)，海量機(jī)器通信Massive Machine Type Communication(mMTC)，高可靠低時(shí)延Ultra Reliable Low Latency Communications(URLLC)。每種技術(shù)場(chǎng)景都提煉于各行各業(yè)對(duì)未來通信的需求。三大場(chǎng)景中mMTC和URLLC都是主要針對(duì)垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)需求，足以可見5G對(duì)垂直行業(yè)的重視程度。

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為了滿足5G萬物互聯(lián)的需求，通信人致力于對(duì)貫穿于5G網(wǎng)絡(luò)的基站、核心網(wǎng)、編排管理、傳輸?shù)雀鞑糠值膶?shí)現(xiàn)。對(duì)于核心網(wǎng)而言，基于傳統(tǒng)CT思維的設(shè)計(jì)模式顯然已經(jīng)不足以面向未來。因此，5G核心網(wǎng)有了更方便更靈活引入垂直行業(yè)的架構(gòu)，即基于服務(wù)化的架構(gòu)Service Based Architecture，簡(jiǎn)稱SBA。3GPP定義的基于服務(wù)化架構(gòu)的5G核心網(wǎng)如下圖所示。

5G核心網(wǎng)架構(gòu)與傳統(tǒng)核心網(wǎng)架構(gòu)的顯著區(qū)別在于：

控制面網(wǎng)絡(luò)功能摒棄傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式，采用統(tǒng)一的基于服務(wù)化架構(gòu)和接口，例如上圖中的Nnssf、Nsmf等；

控制面與媒體面分離；

移動(dòng)性管理與會(huì)話管理解耦；

核心網(wǎng)對(duì)接入方式不感知，各種接入方式都通過統(tǒng)一的機(jī)制接入網(wǎng)絡(luò)，例如非3gpp方式也通過統(tǒng)一的N2/N3接口接入5G核心網(wǎng)，3gpp與非3gpp統(tǒng)一認(rèn)證等。

服務(wù)化架構(gòu)是5G核心網(wǎng)區(qū)別于傳統(tǒng)核心網(wǎng)的顯著差異，那么究竟什么是服務(wù)化架構(gòu)呢？我們總結(jié)了5G核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)四大特征如下：

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一、傳統(tǒng)網(wǎng)元被逐漸拆分

伴隨著虛擬化技術(shù)運(yùn)用在電信領(lǐng)域，傳統(tǒng)意義上的核心網(wǎng)網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)了軟硬件解耦，軟件部分被稱為網(wǎng)絡(luò)功能（Network Function）。3GPP定義的服務(wù)化結(jié)構(gòu)將一個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)一步拆分成若干個(gè)自包含、自管理、可重用的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)（NF Service），這些網(wǎng)絡(luò)功能相互之間解耦，具備獨(dú)立升級(jí)、獨(dú)立彈性的能力，具備標(biāo)準(zhǔn)接口與其他網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)互通，并且可通過編排工具根據(jù)不同的需求進(jìn)行編排和實(shí)例化部署。這種網(wǎng)元拆分與我們經(jīng)常談?wù)摰脑圃蛭⒎?wù)架構(gòu)有著相似的理念，而3GPP進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化定義，并為每個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)功能定義了一組具備對(duì)外互通標(biāo)準(zhǔn)接口的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)。

二、網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)管理自動(dòng)化

網(wǎng)絡(luò)功能被拆分成多個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)后，維護(hù)工程師會(huì)從面對(duì)幾個(gè)網(wǎng)元改變?yōu)槊鎸?duì)幾十個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)，如果仍然依靠傳統(tǒng)核心網(wǎng)的手工維護(hù)方式，那對(duì)維護(hù)工程師而言無異于一場(chǎng)災(zāi)難。因此，5G核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)需要能夠做到自動(dòng)化管理，NRF就是這樣的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能。NRF支持幾個(gè)主要功能為：

1)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)的自動(dòng)注冊(cè)，更新或去注冊(cè)；每個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)在上電時(shí)會(huì)自動(dòng)向NRF注冊(cè)本服務(wù)的IP地址，域名，支持的能力等相關(guān)信息，在信息變更后自動(dòng)同步到NRF，在下電時(shí)向NRF進(jìn)行去注冊(cè)。NRF需要維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)的實(shí)時(shí)信息，類似一個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)實(shí)時(shí)倉(cāng)庫(kù)。

2)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和選擇。在5G核心網(wǎng)中，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)都會(huì)通過NRF來尋找合適的對(duì)端服務(wù)，而不是依賴于本地配置方式固化通訊對(duì)端。NRF會(huì)根據(jù)當(dāng)前信息向請(qǐng)求者返回對(duì)應(yīng)的響應(yīng)者網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)列表，供請(qǐng)求者進(jìn)行選擇。這種方式一定程度上類似于DNS機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和選擇。

3)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)的狀態(tài)檢測(cè)。NRF可以與各網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)之間進(jìn)行雙向定期狀態(tài)檢測(cè)，當(dāng)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)異常，NRF將異常狀態(tài)通知到與其相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)。

4)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)的認(rèn)證授權(quán)。NRF作為管理類網(wǎng)絡(luò)功能，需要考慮網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，以防止被非法網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)劫持業(yè)務(wù)。

三、網(wǎng)絡(luò)通信路徑優(yōu)化

傳統(tǒng)核心網(wǎng)的網(wǎng)元之間有著固定的通訊鏈路和通訊路徑。例如在4G網(wǎng)絡(luò)中，用戶的位置信息必須從無線基站上報(bào)給MME，然后由MME通過S-GW傳遞給P-GW，最終傳遞給PCRF進(jìn)行策略的更新。而在5G核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)下，各網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)之間可以根據(jù)需求任意通訊，極大地優(yōu)化了通訊路徑。同樣的以用戶位置信息策略為例，PCF可以提前訂閱用戶位置信息變更事件，當(dāng)AMF中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能檢測(cè)到用戶發(fā)生位置變更時(shí)，發(fā)布用戶位置信息變更事件，PCF可直接實(shí)時(shí)接收到該事件，無需其他網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)進(jìn)行中轉(zhuǎn)。

四、網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)間的交互解耦

傳統(tǒng)核心網(wǎng)網(wǎng)元之間的通訊遵循請(qǐng)求者和響應(yīng)者的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，這是一種相互耦合的傳統(tǒng)模式。5G核心網(wǎng)架構(gòu)下的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)間通訊機(jī)制進(jìn)一步解耦為生產(chǎn)者和消費(fèi)者模式，生產(chǎn)者發(fā)布相關(guān)能力，并不關(guān)注消費(fèi)者是誰，在什么地方。消費(fèi)者訂閱相關(guān)能力，并不關(guān)注生產(chǎn)者是誰，在什么地方。這是一種從IT業(yè)借鑒過來的通訊模式，非常適用于通訊雙方的接口解耦。

5G核心網(wǎng)的服務(wù)化架構(gòu)是5G時(shí)代在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面的一個(gè)重大變革，具備靈活可編排、解耦、開放等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，是5G時(shí)代迅速滿足垂直行業(yè)需求的一個(gè)重要手段。核心網(wǎng)的黑盒子已經(jīng)被打開，依托于服務(wù)化架構(gòu)的5G核心網(wǎng)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)一定會(huì)在未來的萬物互聯(lián)之路上展現(xiàn)出巨大的能力。