5G数据核心网解决方案

方案介绍
5G核心网(5GC)解决方案

摘要 -“运营商需要5G核心网才能实现真正的5G”

5G网络的最快实现是利用进化的分组核心网(EPC)在非独立模式（5G NSA）下构建的。这是第一个被3GPP标准冻结的配置，也是第一个被5G商业设备支持的配置。在这种配置中推出的5G网络能够支持增强的移动宽带用例的各个方面，如更高的终端用户吞吐量，但EPC在支持5G网络可以做的全面和更广泛的承诺方面的能力非常有限。支持与工业4.0愿景密切相关的超可靠低延迟通信(URLLC)，或被认为是新的和独特的5G业务案例的最重要推动者之一的网络切片等能力都需要一个强制性的新的5G核心网(5GC)。

5G网络介绍

2019年4月，首个商用5G网络启动。这些网络和2019年期间的网络将基于3GPP非独立(NSA)方案3X。在12月18日的全体会议上，作为3GPP Rel15的一部分，3X选项被冻结，以确保向后兼容性。对独立(SA)选项2的类似3GPP规范支持被推迟到随后的19年3月的全体会议上，而3GPP考虑的选项的全部补充，即NSA选项4、7X和SA选项5，在19年6月的全体会议上最终确定。5G设备生态系统与3GPP规范同步发展。从19年2Q开始的第一个商用设备只能支持NSA选项3X。这些设备中不太可能有任何一种能够进行软件升级以支持其他选项。

在2H ‘ 19期间，第一个”测试”设备已经可用来支持SA选项2，预计这些设备将从4Q ‘ 19开始商业可用，并在1H ‘ 20期间批量。其他选项5、4和7X的设备支持是不确定的，高通不支持这些选项，目前移动网络运营商(MNO)社区的兴趣很小。图1简单地展示了不同的部署选项。

图1: 5G部署选项

从3GPP开发的这些选项中，只有3X选项允许将5G无线网络连接到增强的分组核心网(EPC)。所有其他选项都需要5G核心(5GC)。
现有的EPC的优势是，它们需要最小的变化来支持5G，因此是早期5G部署的快速路径。然而，它们在支持5G的全部承诺方面的能力确实有限，只专注于增强移动宽带(eMBB)用例，其中通常有下行链路吞吐量的关键性能指标(KPI)，并在支持5G设备上启用5G图标。

MNO投资5G的业务案例需要不仅仅是eMBB，因此，为了充分发挥5G的优势，他们最终需要部署5GC。一些MNO/地区希望尽早采取这一步骤，因此，我们预计第一个SA选项2网络将在4Q19/1H20部署，然后许多5G网络将紧随其后。

SA选项2提供5G RAN直接连接到5G核心，而不需要像NSA选项3X那样与4G紧密RAN互联。5G是4G的补充，而不是取代它，因此4G网络将持续到很远的未来，如果选项4、7x和5继续被忽视，那么这些4G网络将继续与EPC一起。结论是，5GC和EPC有望共存并无缝地一起工作，这得到了规范的支持。MNO正在寻找诺基亚关于如何进行这一工作的指导。

什么是5G核心网(5GC)?

5GC类似于诺基亚5G未来X架构愿景中的通用自适应核心。它是围绕以下目标建立的，这些目标来自ITU-2020愿景文件中关于5G能力和性能要求的要求。

  • 允许服务灵活性和业务灵活性(支持:基于服务的架构(SBA)、微服务、容器、DevOps)
  • 模块化和可扩展的体系结构(支持:SBA、微服务)
  • 访问不可知论(使能者:针对5GC的互操作功能)
  • 自动化网络部署(使能者:虚拟化、编排、服务编排)

5GC与现有的EPC不同，它在3GPP Rel′15的基础上具有以下几个关键特征。

  • 基于原生云——基于服务的架构最适合基于云的网络功能实现。
  • 着眼于利用Web规模解决方案，如HTTP/2上的RESTful API和无状态网络功能。
  • 它是独立访问的-一个真正的融合解决方案。
  •  它基于图2所示的基于软件的体系结构(SBA)，因此:
    • 由正交的和自包含的函数组成。
    • 采用控制、用户和数据平面的明确分离，允许这些域的独立扩展(EPC通过CUPS特性提供控制/用户平面分离)。
    • 基于生产者/消费者模型。
    • 支持网络功能之间灵活的连接框架，不依赖于预先确定的互联，对新引入的网络功能实现“即插即用”模式。

图2:5GC服务基于架构

  • 提供开放的应用程序可编程接口(API)，以与第三方(NEF)共享信息-打开新的商业机会。
  • 支持结构化(订阅和策略)和非结构化(会话和上下文)数据管理(UDR和UDSF)的分离数据层。
  • 支持中心和分布式(边缘)云，允许多个网关(用户平面功能)，单个用户会话可以并行访问中心和本地服务。
  • 使用IP多媒体系统(IMS)来启用语音-与4G相同，但不支持CS回退(CSFB)。5G语音和LTE或utrans – cs语音之间的回退VoLTE和服务连续性是可能的。
  • 允许设备(同时)连接到多个不同的业务，为每个业务提供最佳的用户平面数据路径。这个概念被称为网络切片，涉及5G RAN、5GC和传输。
  • 支持QoS流，而不是EPS承载，包括在最小化信令的设备中支持反射QoS。在RAN模型中，QoS流被映射为数据无线承载子流。
  • 提供业务和会话的连续性，在移动过程中可能会发生IP地址的变化，过渡时保持旧地址，业务不中断。
  • 提供了一种新的无线资源控制(Radio Resource Control，RRC)状态——RRC不活跃，以尽量减少RAN和核心之间的会话建立时间和信令。

我们可以比较使用EPC的非独立3X选项的利弊，并与使用独立选项2网络的4G RAN紧密协作，因为这是当前市场正在考虑的两个关键选项-请参阅图3。

图3: 选项3X和选项2的对比

云环境的实现

如上所述，基于软件的体系结构为5GC网络功能的云化实现铺平了道路。因此，诺基亚5GC产品的实现是基于云的，甚至更多的是原生云，即遵循无状态云化网络功能和开放、可编程接口的方法(参见图4)。

图4: 云原生架构原理

作为一个例子，一个典型的基于VNF MANO(管理和编排)的CMM/CMG VNF部署如图5所示。虚拟基础设施管理器(VIM)、VNF管理器(VNFM)和协调器(NFVO)的蓝图解决方案是诺基亚的CloudBand套件CBIS(基于OpenStack)、CBAM和CBND。其它云化解决方案(例如基于VMWare，或公有云)也可以使用，但需要对端到端解决方案进行集成和测试。

图5：云化分组核心网VNF MANO部署

VNF部署需要大量的前期投资来设计、部署、集成和运营NFVO、VNFM和VIM/NFVI。其他缺点包括作为VNF组成部分的VM一般比较大、长时间重启（30分钟或更长时间)、对内存和硬件资源的高要求(通常是几个服务器)以及由于使用虚拟机管理程序而导致的性能下降。基于此，IT行业出现了从VM转移到容器的趋势，电信行业也在遵循这一趋势(VM和容器的比较见图7)。

多个容器使用相同的操作系统内核。容器的优点：组件大小可以很小，在秒级中重新启动，占用空间小，性能接近裸金属实现。容器是实现性能和资源有效的微服务的解决方案。Kubernetes (k8s)是一个开源的容器编排系统，用于自动化应用程序部署、扩展和管理。它广泛应用于IT行业，并被诺基亚产品用于容器编排。而Docker则是使用过的容器运行环境。

图7: 对比:容器与虚拟机

5GC中不同功能的角色

图2显示了5GC中控制平面、用户平面和数据层的分解。5GC控制平面中的每个功能都是模块化的、正交的，即一个功能或服务(如移动性或会话管理)只在一个网络功能中实现。它们使用生产者-消费者模型以”请求-响应”或”订阅-通知”的方式在它们之间共享信息，这由网络存储库功能(NRF)管理。生产商在NRF注册，并提供可由其他功能消费的某些服务。控制平面的所有功能都通过HTTP/2通信，使用RESTful API和JSON编码的消息内容。5GC的主要功能是:

AMF-访问和移动管理功能

负责设备注册、认证和移动性。AMF终止NAS (N1)接口。它与身份验证服务器(authentication Server，AUSF)一起支持和中继身份验证消息;具有会话管理功能的会话管理消息(SMF);使用网络切片选择功能(Network Slice Selection Function，简称NSSF)的业务选择特定切片的网络功能，与短消息功能(Short Message Function，简称SMSF)交换短信，与位置管理功能(Location Management Function，简称LMF)交互确定用户所在位置。

SMF-会话管理功能

它建立、修改和释放包数据单元(PDU)会话。选择合适的用户平面功能(User Plane function，简称UPF)来支持会话。它还处理IP地址管理，包括以太网PDU的DHCP和ARP/ND。它负责管理相关的会话和服务连续性模式(SSC)。它还与计费和策略功能(CHF和PCF)接口，为不同的业务流应用正确的策略。

PCF-策略控制功能

与4G中的PCRF相反，PCF提供了一个单一的框架来定义网络中任何类型的策略，并将相关的策略规则传递给其他控制平面功能和设备。因此，pcf控制QoS策略、接入网络发现和选择策略以及服务区域限制。这些策略可以存储在UDR中。

UDM——统一的数据管理

UDM是面向家庭PLMN中UDR的前端，支持对数据存储的访问。它允许订阅数据管理，访问和服务授权以及用户认证。订阅数据管理包括访问UDR中的数据，将这些数据交付给AMF和SMF等网络功能，更新UE位置和UDR中的AMF地址等服务节点。

AUSF-认证服务器功能

AUSF负责主认证和密钥协商过程，以实现设备和网络之间的相互认证。它提供的密钥材料可以在后续的安全程序中在设备和网络之间使用。

UDR——统一的数据存储库

UDR是一个后端数据库，用于存储和检索订阅数据(UDM)、策略数据(PCF)和所谓的”结构化数据公开(NEF)”。虽然订阅数据存储在位于HPLMN中的UDR中，但策略数据或公开数据可以存储在位于VPLMN中的UDR中。

UDSF——非结构化数据存储功能

UDSF存储所谓的非结构化数据，如AMF和SMF等网络函数的会话和上下文相关数据。

NRF-网络存储库功能

为其他NF功能提供服务发现功能。NRF特性包括NF profile和NF实例管理以及NF服务发现。NF概要和NF实例管理包括NRF维护活动NF实例列表和每个实例的概要。该描述文件包括实例的地址和所支持的服务。

NSSF-网络切片选择功能

NSSF选择设备使用的网络片。每个PLMN都运行自己的NSSF。NSSF概述了网络中可用的所有片。

NEF-网络暴露函数

NEF为外部域访问5G核心控制平面的数据和能力提供手段，并在核心控制平面域内公开结构化数据。

UPF-用户平面功能

提供可由SMF编程的能力，允许部署5G用户平面功能的灵活性。UPFs可以在地理上分布或集中。3GPP规范对一个PDU会话使用的UPFs(级联UPFs)数量没有限制。它负责流量检测，包转发和QoS实施。

SEPP-安全边缘保护代理

4G中的家庭网络和访问网络使用Diameter和GTP协议建立漫游连接。在5G中，现在使用的是HTTP/2。在许多情况下，这意味着漫游协议需要更改。SEPP是一个HTTP/2代理，并确保与漫游伙伴的控制平面连接。它管理哪些功能和DNN是可用的;提供消息过滤，并可根据需要向漫游伙伴隐藏拓扑信息。将来，SEPP也可以在网络内部充当HTTP/2代理。

N3IWF-非3gpp互操作功能

这是进入5GC的互操作功能。它具有与5G gNB相同的N2(带AMF)和N3(带UPF)接口。通过这些相同的接口，它可以为注册、连接和会话管理非3GPP访问解决方案(如不可信的Wi-Fi)提供通用框架和程序。3GPP正在与其有线等效机构BBF(宽带论坛)密切合作，在Rel’ 16中指定一个互连解决方案，按照Rel’ 15中为非3GPP接入定义的相同原则将有线网络(例如DSL网络)连接到5GC。像N3IWF这样的互操作功能将对5GC隐藏访问特定的信号，使5GC成为使用N1、N2和N3接口的真正访问独立的核心网络。

EPC与5GC交互需要什么?

诺基亚预计，在未来几年里，EPC和5GC将在大多数运营商网络中共存。两个核心，或者更精确地说，两个系统(UE，RAN和Core)可以无缝交互，如果遵循以下原则，包括:EPC应该使用CUPS实现，特别是PGW应该有单独的控制和用户平面部分，即PGW被分离为PGW-C和PGW-U。

无论通过LTE还是5G注册，具有LTE/5G功能的设备总是由由公共或组合功能组成的互操作架构提供服务，例如公共UPF+PGW-U和UDM+HSS。这保证了UE在两种无线电技术之间移动时的无缝互通(参见图8)。

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