5G核心网网络架构及关键技术

中国移动通信集团设计院有限公司内蒙古分公司 高春霞 刘博士 朱建飞

5G网络可以满足多样化业务需求，应用通用硬件，能够实现网络功能软件化、差异化业务需求。对于业务网络平台的运营，数字平台可以有效地连接业务需求和网络能力，降低传输网络的压力，避免数据下沉到本地。5G核心网络可以提供网络切片、实现边缘计算，是社会信息化的新表现。基于此，本文在5G核心网架构分析的基础上，探讨了核心网网络架构，研究了5G核心网关键技术，以供参考。

0 引言

5G核心网创新驱动力，源于5G业务场景需求、ICT使能技术，建立广域网络基础设施，具备灵活性、高性能优势，提升网络运营能力。5G时代下，形成分层化、虚拟化，属于核心网络、网络架构，围绕网络运营、业务服务，可以提供全新的经济发展模式。5G标准下，以商用部署为主，基于5G需求，准确描述信息化社会。在社会化信息发展下，注重建设基础设施，强化赋能业务，将其作为重要应用内容。移动核心网，处于5G阶段，建立标准哈架构，赋予平台相关功能。相比于4G核心网，5G核心网通过应用云平台思路，优化服务架构，功能设计，提供多元化接入方式，实现灵活性化控制，不断提升能力开放价值。

1 5G时代概述

5G时代能够满足多样化业务需求，使用NFV/SDN技术，通用硬件，实现网络功能软件化，实现差异性业务编排。业务网络平台运营，利用数字化平台，有效对接业务需求与网络能力，加强网络开放能力，按照用户面部署，降低业务时延。有效控制和缓解传输网压力，消除传统数据，使用户与业务数据下沉至本地，实现高频、低频混合组网。5G核心网结合NFV基础设施，属于普通消费者、应用提供者、垂直行业需求方，提供网络切片，边缘计算能力。5G核心网，能够从传统互联网接入管道，转型为全社会信息化赋能者。

随着5G标准冻结，商用部署已经纳入到议程中。5G需求描绘的社会信息化生活，不再处于设想阶段，而是落实到实际中，属于万物互联，赋能业务的基础设施环节，移动核心网，能够全面重构架构、平台与功能。相比于4G网络，5G核心网以原声方式，高度适配云平台，确保控制、转发灵活性，加强开放效果。

2 核心网网络架构

2.1 架构呈现模式

5G核心网络利用过控制转发方式，实现架构分离，保证会话管理、移动性管理运行独立性。消除用户面承载问题。科学控制QOS参数，通过不同用户面网元，建设若干个会话模式，统一管理控制面网。对于本地分流、远端流量，具备一体化操作效果。5G网络体系下，包含服务架构、参考点，最常见的是服务架构模式。借助API技术，能够向控制面板传输信令。通过常规信令过程，存储信息消息，通过API技术封装，确保网元访问效果。同时，对于服务化架构而言，利用隧道模式，在HTTP协议中交互信令。

2.2 5G核心网络状态模型

（1）注册管理模型。基于5G核心网，涉及到AMF、UE注册管理模式，即移动、接入管理注册状态。针对UE接入情况，注册管理上下文差异显著。AMF分配上下文，是一种临时标识，具备唯一性。接入类型，涉及到注册区域、状态、周期性计时器。针对非3GPP、3GPP注册区，则为独立状态，UE可以通过3GPP侧，实现触发效果，注册非3GPP。（2）连接管理模型。在5G网络下，连接管理模式通过N1接口，可以以信令方式，连接AMF、UE。以上状态为连接态、空闲态。连接态，在UE体系中，采用N2连接方式，确保AMF、AN网络均为连接状态。空闲态处于AMF、UE间，以此针对N1接口，无需实施NAS信令连接，也无需与UE、N2、N3相连接。UE能够优化小区选择、PLMN、重选过程。当AMF处于空闲状，能够寻呼UE，执行业务请求。

3 5G核心网关键技术

3.1 服务化架构

5G控制平面，吸收IT服务架构。服务化架构，能够重新构建移动核心网架构。针对核心网网元，能够划分为轻量级、单独网络功能模块。针对服务化架构，主要为服务网络功能、接口位置。针对前者，即核心网络功能，服务对象为自主能力，通过接口调用方式，为网络功能提供优质服务。服务化接口，通过轻量级接口协议，提升网络可扩展性。对于3GPP标准规定，服务接口协议，则需要以TCP协议为主。

3.2 控制与转发分离

当前，4G核心网网关，以S-GW、P-GW设备为主，不断扩大业务覆盖范围。用户端提出移动业务后，通过eNodeB，将IP网提供给运营商。省会级别，注重汇聚业务流量，接近S-GW/P-GW，通过移动网转出，确保用户的互联网访问效果。5G核心网，利用用户平面，对平面分离架构予以控制。控制平面功能模块，可以实现集中化管理与部署，确保转发平面资源调度合理性。注重平面功能模块分析，联合应用需求，采用集中化、分布式方式，确保部署与安排效果。用户平面功能，下沉至边缘DC，分流本地流量，缩短端-端时延[1]。

（1）在服务化架构中，涉及到控制机制与退出机制。针对控制机制，包括控制面、用户面。在控制面中，会话管理功能确定激活QoS机制，会话管理功能发送控制信息至UPF，同时表送至AN。对于用户界面，通过UPF装置，可以接受控制信息数据包。数据包隧道中，涉及到RQI。对于AN，遵循数据RQI，设置空口数据包，内部包含RQI。利用UE装置，能够接收到RQI数据，确保本地无对应数据上行规则，此时可以生成QoS规则，同时启动定时器。确定本地对应数据上行规则，启动定时器。如果定时器超时，删除基于UE的QoS规则。（2）退出机制，涉及到控制面、用户面。对于控制面，当5G不在对SDF使用QoS时，SMF利用N4接口，移除提供给UPF的RQIO，UPF接收到SDF指令时，则不在N3参考点报文头内设置RQI。UPF能够接收UL业务。

3.3 网络功能虚拟化与网络切片

切片技术，属于5G网络重要技术，实现多种业务场景、类型，遵循实际需求，制定科学化网络。5G核心网，以SDN技术为主，确保5G核心网硬件平台、网络功能效果，同时实现解耦，形成不同网络功能模块。优化组合模块，建立特殊网络切片。网络切片，包含接入网、核心网，不同网络切片间，可以共享资源，同时隔离网络切片间资源。核心网络，包含用户平面、控制平面。对于控制平面而言，包含服务化架构，用户平面架构，遵循转发性能与需求，注重优化选择。接入无线网，维护网络质量，避免影响系统容量。遵循无线网络，分层架构，合理应用无线网络切片，并且以虚拟化技术为主，针对基础设施资源，可以实现资源共享。通过空口时频资源，融合帧结构技术，能够智能调度无线资源；利用无线网络，尤其是参数配置功能，可以实现切片功能。网络切片管理，能够提升管理效率和质量，同时分解切片，使其成为切片子网。针对通信业务管理，基于业务需求，映射到网络切片需求[2]。

3.4 边缘计算技术

通过该项技术，可以确保第三方业务平台、运营商部署效果，特别是UE附着接入点，防止传输网负载与端-端时延问题，全面提升网络交付率。5G核心网络中，边缘计算合理选择UFP，向数据网络传输用户流量，保证业务、会话连续性，且计费、QoS的兼容性强。5G核心网，具备电磁兼容性效果，规避时延问题，强化用户体验感。利用本地泄流方式，使网络成本、回传开销降低，深度融合互联网-移动网。

3.5 MIMO技术

MIMO技术，可以应用到无线网络中，应用原理在于无线通信系统中，发射机、接收机使用天线开启维度空间。当天线数量越多，则传输速度、可靠性越高，可以扩大网络覆盖规模，扩大系统容量。发射机、接收机天线数量，并非随意安排和部署，必须考虑到多种环境、天线与承载量，属于多电线运行技术。在无线通信系统中，天线收发数量不足，无法支持5G网络数据传输需求。应用MIMO技术，能够满足5G网络数据传输速度、质量要求，研究者必须深入研究探索，CIA可以扩大容量潜力。

3.6 纳米核心网技术

纳米核心网技术，属于IP网络技术、纳米技术、云计算技术表现。对于纳米技术，多应用到移动终端网络芯片中，能够确保移动终端承载5G网络数据运输速度，属于必备技术研究。5G网络技术，是遵循云计算技术的异构网络，利用云计算技术，可以确保现有网络运行统一性。IP技术，能够为5G网络运行提供基础平台，纳米核心网技术发展，能够为5G网络提供发展前景，属于研究人员重点关注技术。

3.7 超密集异构网络

为了顺利推广和应用5G技术，研究人员应当深入分析核心网络技术，以超密集异构网络为代表。互联网技术全面发展，全球移动数据流量增长速度加快，传统同构蜂窝网络无法应对移动数据流量，5G产生数据流量明显高于移动数据流量，但是同构蜂窝网络，不能满足5G需求，此时就产生异构网络，成为技术人员关注热点。异构网络可以提升系统传输容量、用户通信质量。超密集异构网络，能够增加密集部署，将基站微型化安排在用户生活情境中，通过用户与基站距离，可以缩小到适宜程度。应用此种原理，能够加强无线网络信号强度，提升网络刷新速度。缩小用户与基站距离，可以提升频谱效率与系统容量。布设小区，可以处理热点区域负载分流问题，避免宏基站覆盖弱，从而出现网络无信号问题超密集异构网络，有助于推广5G技术，要求技术人员攻克难题，深度研究无线资源管理技术，顺利建立超密集异构网络[3]。

4 结语

综上所述，5G时代下，万物互联发展速度较快，通过多样化业务，能够提供智能化物联网服务。业务需求发展，在基础性能上，对5G核心网提出高要求。例如，提升信息传输速率，连接百万级密度，且低时延达到毫秒级。5G网络体系中，承载较多业务，新型网络架构、业务需求高度匹配。为了全面促进5G技术发展，在启动5G技术之前，运营商应当合理选择组网方式。运营商遵循网络特点、发展愿景，选择适宜的组网方式。通过新网络架构，承载多元化网络功能，实现网络体系演进、融合互通。