肖子玉（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

5G核心網標準進展綜述

肖子玉
（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

本文介紹了3GPP 5G標準化工作組和5G標準化時間表，在5G標準進展方面，重點介紹了5G核心網架構進展。

5G；新型核心網；核心網

1 5G網絡的特性和愿景

5G網絡面向辦公、購物、醫(yī)療、教育、娛樂、交通、社交等多種垂直行業(yè)，是在人與人高速連接的基礎上，大幅增加了“人與物”、“物與物”之間的高速連接。作為信息化社會的一個綜合基礎設施，5G網絡將為個人、社會和行業(yè)提供高效鏈接，它不僅是海量鏈接，而且是多種垂直行業(yè)的價值環(huán)節(jié)和生產要素等資源的高度融合。

5G網絡是廣帶化、泛在化、智能化、融合化、綠色節(jié)能的網絡。根據(jù)5G白皮書中的技術愿景，5G網絡將滿足人們超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動性的需求，為用戶提供高清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、云桌面、在線游戲等極致業(yè)務體驗。5G將滲透到物聯(lián)網領域，與工業(yè)設施、醫(yī)療儀器、交通工具等深度融合，全面實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”。

5G網絡是以SDN/NFV等為代表的新技術共同驅動的網絡架構創(chuàng)新。5G關鍵技術包含新型網絡架構和以SDN/NFV等為代表的新技術。5G核心網支持多樣化的無線接人場景，滿足端到端的業(yè)務體驗需求，實現(xiàn)靈活的網絡部署和高效的網絡運營，最終與無線空口技術共同推進5G發(fā)展。

綜上所述，從5G的愿景、需求和引入的創(chuàng)新技術可以看出，5G網絡將面臨著架構和管理運維模式的變化。因此及早進行5G標準的跟蹤，盡早進行網絡演進資源的準備，都是非常必要的。

2 5G標準化組織

3GPP（全球移動通信標準組織聯(lián)盟）是5G標準化工作的重要制定者。從圖1可知，5G相關的研究工作正在各標準組織中進行，5G標準化的完成凝聚了各標準化組織的貢獻。比如，ETSI已完成下一代網絡協(xié)議（NGP）的分析，ETSI NGP非常多沿用現(xiàn)有IETF協(xié)議。3GPP也工作于此。各標準組織間已建立聯(lián)絡機制，未來將根據(jù)推進計劃和時間需求，共同推動5G的標準化工作。5G已進入到互聯(lián)網領域，而且越來越多的接入是基于無線和移動的。因此跨標準組織和工作組間協(xié)同工作也是確保未來兩年內達成目標的關鍵。

圖1 5G標準化工作示意圖[1]

為實現(xiàn)5G的需求， 3GPP將進行以下4個方面的標準化工作：新空口 (NR)；演進的LTE空口；新型核心網 (NextGen)；演進的LTE核心網 (EPC)。

本文重點關注5G新型核心網（NextGen）項目的研究進展。虛擬化和切片是5G新型核心網的關鍵技術特征。5G網絡將是演進和革新兩者融合的，5G將形成新的核心網，并演進現(xiàn)有EPC核心網功能，以功能為單位按需解構網絡。網絡將變成靈活的、定制化的、基于特定功能需求的、運營商或垂直行業(yè)擁有的網絡。這就是虛擬化和切片技術可以實現(xiàn)的，也是5G核心網標準化的主要工作。

3 3GPP：5G核心網標準化概述

3.1 5G標準化時間表

3GPP針對5G的標準化工作計劃分兩個階段（Phase）：

Phase 1（Release 15）： 2018年滿足5G早期部署的需求；

Phase 2 (Release 16)：2020年滿足5G全部需求。

移動運營商將率先部署5G，最早的場景可能是2018年2月韓國冬奧會和2020年7月日本奧運會。

5G標準化階段劃分和時間表如圖2所示。Release 14將于2017年Q2完成；Release 15是真正可商用的5G一階段標準，將于2018年Q3完成；Release 16是5G二階段標準，將于2020年Q1完成。

3.2 5G核心網標準概述

3GPP 5G相關標準化工作組主要涉及SA1、SA2、SA3、SA5和RAN等，其中SA1研究5G業(yè)務需求，SA2研究5G系統(tǒng)架構，SA3研究安全，SA5研究電信管理，RAN工作組研究無線接入網。

SA1工作組關注5G業(yè)務需求研究，成立了SMARTER（Study on New Service and Markets Techology Enablers， 新業(yè)務和市場技術實現(xiàn)方法）研究項目，并分為4個子課題組，包括移動寬帶增強（eMBB）、緊急通信（Cric）、大規(guī)模機器通信(MIoT)、網絡運維(NEO)。項目研究內容包括業(yè)務需求案例、場景和對網絡的潛在需求分析。已完成研究報告在Release 14版本輸出如下：

圖2 5G標準化階段劃分和時間表[2]

New Services and Markets Technology Enablers：TR22.891；

Enhanced Mobile Broadband： TR22.863；

Massive Machine type communications： TR 22.861；

Ultra-reliable and low latency communications：TR22.862；

Network Operation： TR22.864。

SA2工作組成立NextGen研究項目進行5G網絡架構研究，研究成果由3GPP TR 23.799 Study on Architecture for Next Generation System (新型網絡架構研究)輸出。該項目負責Rel-14階段的5G網絡架構研究。

3GPP在5G核心網標準化方面重點推進以下工作：

在Rel-14研究階段聚焦5G新型網絡架構的功能特性，優(yōu)先推進網絡切片、功能重構、MEC、能力開放、新型接口和協(xié)議、以及控制和轉發(fā)分離等技術的標準化研究。目前已經完成架構初步設計。

Rel-15將啟動網絡架構標準化工作，重點完成基礎架構和關鍵技術特性方面內容。研究課題方面將繼續(xù)開展面向增強場景的關鍵特性研究，例如增強的策略控制、關鍵通信場景和UE relay等。預計在2017年底完成5G架構標準第一版。

2016年11月18日舉行的3GPP SA2#118次會議上，中國移動成功牽頭5G系統(tǒng)設計，此項目為R15“5G System Architecture”，簡稱5GS，是整個5G設計的第一個技術標準，也是事關5G全系統(tǒng)設計的基礎性標準，標志著5G標準進入實質性階段。5GS項目將制定《5G系統(tǒng)總體架構及功能》及《5G系統(tǒng)基本流程》兩個基礎性標準，預計在2017年12月前完成。

SA3研究安全，主要負責安全和隱私要求，并確定系統(tǒng)安全架構和協(xié)議。SA5將研究網絡和業(yè)務（含RAN、CN、IMS）的需求、架構和資源調配和管理。本文重點介紹SA1和SA2工作組在5G需求和新型核心網方面的研究進展。

4 5G應用場景和對網絡的需求

根據(jù)SA1工作組3GPP TR 22.891輸出的研究報告，從5G應用場景中總結出對5G網絡的關鍵能力需求，主要從通信速率、通信時延、可靠性要求、通信效率、話務量密度、連接密度、移動性、定位精度需求等方面進行了描述[3]。表1給出了有特定要求的場景，未描述的部分指需求多樣但要求不高。

以上各類需求中，除MIoT未提出時延要求外，其他四類應用中均提出了超低時延、低時延的要求。這里指的是通信端到端時延。端到端時延除各節(jié)點的通信處理時延外，還要考慮地理距離的時延限制。

5 5G核心網關鍵技術概述

5G核心網關鍵技術主要包括網關控制轉發(fā)分離、控制面功能重構、新型移動性管理和會話管理、網絡切片與按需組網、移動邊緣計算、NFV等。下文重點介紹3GPP 23.799相關進展，圖3為3GPP 23.799 NextGen系統(tǒng)架構示意圖[4]，移動邊緣計算和NFV暫不在本文介紹。

圖3 3GPP 23.799 NextGen系統(tǒng)架構示意圖

5.1 網關的控制轉發(fā)分離

現(xiàn)有EPC移動核心網網關設備既包含路由轉發(fā)功能，也包含信令和業(yè)務處理等控制功能。5G移動核心網網關設備的控制功能和轉發(fā)功能將進一步分離，網絡向控制功能集中化和轉發(fā)功能分布化的趨勢演進，如圖4所示。

表1 5G對網絡能力需求匯總表[3]

圖4 3GPP 23.799控制平面和用戶平面分離架構[4]

控制和轉發(fā)功能分離后，轉發(fā)面將專注于業(yè)務數(shù)據(jù)的路由轉發(fā)，具有簡單、穩(wěn)定和高性能等特性，以滿足未來海量移動流量的轉發(fā)需求?？刂泼娌捎眠壿嫾械姆绞綄崿F(xiàn)統(tǒng)一的策略控制，保證靈活的移動流量調度和連接管理。集中部署的控制面通過控制接口實現(xiàn)對轉發(fā)面的可編程控制?？刂泼婧娃D發(fā)面的分離，使網絡架構更加扁平化，網關設備可采用分布式的部署方式，從而有效的降低業(yè)務的傳輸時延?？刂泼婀δ芎娃D發(fā)面功能能夠分別獨立演進，從而提升網絡整體系統(tǒng)的靈活性和效率。

3GPP TR 23.714《Study on Control and User Plane Separation of EPC Nodes》中給出了網關控制轉發(fā)分離的架構以及需要解決的幾個關鍵問題。

5.2 控制面功能重構

5G網絡的服務對象是類型豐富的終端和應用，其報文結構、會話類型、移動規(guī)律和安全性需求都不盡相同，網絡必須針對不同應用場景的服務需求引入不同的功能設計?；凇拔⒎铡钡脑O計理念，5G網絡采用模塊化功能設計模式，并通過功能組件的按需組合，構建滿足不同應用場景需求的專用邏輯網絡，以便為網絡切片和按需編制打下技術基礎。網絡架構應滿足的基本原則如下：

控制平面和用戶平面分離，允許獨立擴縮容；

控制平面和用戶平面允許靈活分離部署，分別采用集中和分布式架構；

模塊化功能設計，支持UE統(tǒng)一身份認證框架，UEs可能僅支持新型網絡架構功能（NGS）；分離接入移動性管理功能 (AMF) 和會話管理功能 (SMF)，支持其獨立演進和縮放容；支持UE同時連接到多個網絡切片。

架構主要需求如下：架構需支持能力開放；

每個網絡功能（NF）可直接與其他NF交互。該架構不應排除中間功能實體協(xié)助路由控制面消息（如DRA)；支持不同 PDU 類型，例如 IP和以太網；支持獨立策略功能來管理網絡行為和最終用戶體驗；允許在不同的網絡切片中為不同的網絡進行配置。

架構支持兩種漫游體系，即歸屬地路由（Home Routed Traffic）和本地路由（LocalBreakout）。

5G核心網控制面重構將傳統(tǒng)EPC網絡的MME、PCRF、SAE-GW、HSS等網元進行網絡功能模塊化解耦設計，控制平面模塊在3GPP TR 23.799中建議的參考架構如圖5所示。

圖5 3GPP23.799網絡參考架構示意圖[4]

圖5 中模塊分別代表：移動性管理功能（MMF）、會話管理功能（SMF）、認證功能（AUF）、策略控制功能（PCF）、網絡能力開放功能（NEF）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理（UDM）、網絡存儲功能（NRF）、消息互聯(lián)功能（MIF）。

5.3 新型移動性管理和會話管理

網絡側移動性管理包括在激活態(tài)維護會話的連續(xù)性和空閑態(tài)保證用戶的可達性。通過對激活和空閑兩種狀態(tài)下移動性功能的分級和組合，根據(jù)終端的移動模型和其所用業(yè)務特征，有針對性的為終端提供相應的移動性管理機制。有效地支持不同層級的移動性（無移動性、低移動性、低功耗終端、高移動性）是5G網絡新型移動性管理的主要需求。

在5G網絡中，低功耗、低移動性的物聯(lián)網終端不需要永遠在線，這要求優(yōu)化移動性狀態(tài)和流程，在RRCConnected和RRC idle狀態(tài)基礎上，引入Inactive State或Power Saving狀態(tài)，設計專有的機制，服務類似大連接、低功耗等IoT場景。網絡還可以按照條件變化動態(tài)調整終端的移動性管理等級。例如對一些垂直行業(yè)應用，在特定工作區(qū)域內可以為終端提供高移動性等級，來保證業(yè)務連續(xù)性和快速尋呼響應，在離開該區(qū)域后，網絡動態(tài)將終端移動性要求調到低水平，提高節(jié)能效率。基于UE行為學習的算法，實現(xiàn)動態(tài)的移動性管理功能。

新型會話管理將實現(xiàn)會話管理與移動性管理解耦設計，實現(xiàn)按需的會話建立，打破“永遠在線”機制。基于SDN思想，引入無連接的數(shù)據(jù)承載方式和無隧道或簡化隧道的傳送方式?；谛滦蜁捁芾砉δ軐崿F(xiàn)靈活的用戶平面選擇和重選。

5.4 網絡切片

網絡切片是利用虛擬化技術將5G網絡物理基礎設施資源根據(jù)場景需求虛擬化為多個相互獨立的平行的虛擬網絡切片。每個網絡切片按照業(yè)務場景的需要和話務模型進行網絡功能的定制剪裁和相應網絡資源的編排管理。一個網絡切片可以視為一個實例化的5G核心網架構，在一個網絡切片內，運營商可以進一步對虛擬資源進行靈活的分割，按需創(chuàng)建子網絡。

UE不感知網絡切片的存在，網絡切片共有3種典型部署方式：

（1）方式1：多個網絡切片在邏輯上完全隔離，只在物理資源上共享，每個切片包含完整的控制面和用戶面功能。終端可以連接多個獨立的網絡切片，終端在每個核心網切片可能有獨立的網絡簽約。

（2）方式2：多個網絡切片共享部分控制面功能，一般而言，考慮到終端實現(xiàn)復雜度，可對移動性管理等終端粒度的控制面功能進行共享（如MM、AU），而業(yè)務粒度的控制和轉發(fā)功能則為各切片的獨立功能（如SM、UP），實現(xiàn)切片特定的服務。

（3）方式3：多個網絡切片之間共享所有的控制面功能，用戶面功能是切片專有的。如圖6所示。

圖6 網絡切片典型架構示意圖[4]

現(xiàn)階段關于網絡切片達成的共識如下[4]：

（1） 網絡切片是一個完整的邏輯網絡提供電信服務和網絡功能，它包括接入網（AN）和核心網（CN）。AN是否切片將在RAN工作組進一步討論。AN可以多個網絡片共用，切片可能功能不同，網絡可以部署多個切片實例提供完全相同的優(yōu)化和功能為特定UE群服務。

（2） UE可能提供由一組參數(shù)組成的切片選擇輔助信息 (NSSAI)選擇RAN和CN網絡切片實例。如果網絡部署切片，它可以使用NSSAI選擇網絡切片，此外，也可以使用 UE 能力和 UE用戶數(shù)據(jù)。

（3） UE可以通過一個RAN同時接入多個切片。這時切片共享部分控制面功能。CN部分網絡切片實例由CN選擇。

（4） 針對從NGC切片到DCN的切換，沒必要一對一映射。UE 應能將應用與多個并行 PDU 會話之一相關聯(lián)。不同的 PDU 會話可能屬于不同切片。UE在移動性管理中可能提交新的 NSSAI導致切片變更，切片變更由網絡側決定。

（5） 網絡用戶數(shù)據(jù)包括UE接入切片信息。在初始附著過程中采用CCNF（Common Control Network Functions，公共控制網絡功能）為UE選擇切片需重定向。

（6） 網絡運營商可以為UE提供網絡切片選擇策略(NSSP)服務。NSSP 包含一個或多個 NSSP 規(guī)則，每個規(guī)劃通過SM NSSAI關聯(lián)一個應用 。默認規(guī)則也可以匹配所有應用并包含默認 SM NSSAI。UE 通過 NSSP 服務關聯(lián)應用的 SM NSSAI參數(shù)。漫游場景下，切片選擇功能基于 SM-NSSAI 完成。當使用標準的 SM NSSAI時，各PLMN基于標準 SM NSSAI選擇切片；當使用非標準 SM-NSSAI時，VPLMN根據(jù)漫游協(xié)議 映射UE的SM NSSAI 到 VPLMN 進行切片選擇。

[1] http：//www.3gpp.org/ftp/Information/presentations/presentations_ 2016/BBWF_2016_Day2_SCRASE.pdf.

[2] http：//www.3gpp.org/news-events/partners-news/1802-5gia_ conference.

[3] 3GPP TR 22.891 V14.1.0， Feasibility Study on New Services and Markets Technology Enablers；Stage 1(Release 14).

[4] 3GPP TR 23.799 V14.0.0Study on Architecture for Next Generation System (Release 14).

5G core network standards overview

XIAO Zi-yu
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

The articleintroduced standardization schedule of 3GPP working group for 5G.In 5G progress, it focused on the 5G core network architecture developments.

5G; NextGen; core network

TN929.5

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1008-5599（2017）01-0032-06

2017-01-03