淺談對5G核心網(wǎng)演進(jìn)方向的幾點(diǎn)展望

作者：李子姝 2017-04-05 15:04:32

最近讀到一篇關(guān)于5G核心網(wǎng)的論文《Revolutionary Direction for 5G Mobile Core Network Architecture》，其中對于從4G到5G的演進(jìn)提出了很多指導(dǎo)性的建議和展望，讀完后感覺受益良多，于是整理其中很多有參考價(jià)值的觀點(diǎn)并結(jié)合自己的一些體會(huì)寫下這篇文章，希望對初學(xué)者有所幫助。理解不到位以及表述不清之處，歡迎批評指正。

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關(guān)于4G核心網(wǎng)EPC的局限性，在之前的兩篇文章《網(wǎng)絡(luò)切片——5G前行的助推器》和《之于5G——淺談SDN和NFV》中已經(jīng)有了詳細(xì)的闡述，此處不再贅述。毋庸置疑的是，未來5G核心網(wǎng)應(yīng)該而且只有克服EPC的這些缺陷，才能面對越來越多樣化的需求，從而實(shí)現(xiàn)廣泛而長久的應(yīng)用。

為了滿足各種各樣新的服務(wù)需求，未來5G核心網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)必須要解決以下幾個(gè)現(xiàn)存的挑戰(zhàn)：

核心網(wǎng)接入獨(dú)立：對于固定接入和各種各樣的無線接入，核心網(wǎng)應(yīng)該具有匯聚功能，從而保證接入無關(guān)。保證接入無關(guān)可以降低終端接入系統(tǒng)的復(fù)雜性和低效性，以及減少功能冗余。
分布式架構(gòu)：分布式架構(gòu)可以提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，避免數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)低效率、單點(diǎn)失效、RTT時(shí)延長、流量超載等問題。
控制平面和用戶平面完全分離：核心網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該通過開放式接口將數(shù)據(jù)平面和用戶平面完全分離，這樣有利于雙方各自的獨(dú)立演進(jìn)和按需部署。
輕量級(jí)的信令支持：對于IOT(Internet Of Things)等服務(wù)，核心網(wǎng)應(yīng)該支持輕量級(jí)的信令傳輸，并且簡化相關(guān)協(xié)議。
高效的移動(dòng)性管理：高效的移動(dòng)性管理會(huì)帶來更好的資源利用率。

針對這些待解決的問題，圖1所示的5G核心網(wǎng)架構(gòu)可以被加以參考。

從層次概念上劃分，該架構(gòu)可以分為異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)一核心網(wǎng)絡(luò)5GC。

異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)包括各種各樣的接入技術(shù)，比如4G接入、5G接入、WIFI接入等。

統(tǒng)一核心網(wǎng)絡(luò)5GC由以下實(shí)體組成：

CGW(Converged Gateway)：聚合路由器，負(fù)責(zé)用戶平面功能，包括接入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包路由、用戶平面QoS管理和移動(dòng)性管理。
eUCE(edge Unified Control Entity)：和UCE一起負(fù)責(zé)控制平面功能，包括：用戶終端認(rèn)證和授權(quán)、用戶終端IP分配，CGW選擇、用戶終端會(huì)話管理、多種無線接入技術(shù)(RAT)之間的協(xié)調(diào)，以及在一個(gè)CGW下的多個(gè)接入網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理。
UCE(Unified Control Entity)：負(fù)責(zé)多個(gè)CGWs之間的移動(dòng)性管理和數(shù)據(jù)路徑的***化。

接下來討論該架構(gòu)是如何解決上面提出的亟待解決的挑戰(zhàn)的，相信對未來5G核心網(wǎng)的設(shè)計(jì)會(huì)具有不錯(cuò)的借鑒意義。

(1)控制平面和用戶平面的完全解耦

在圖1所示架構(gòu)中，控制平面功能被放置在eUCE和UCE中，用戶平面功能被放置在CGW中。用戶平面和控制平面之間采用開放接口來提供基本的可伸縮性和靈活性，有了開放式接口的支持，在此基礎(chǔ)上利用虛擬化技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切片也是非常方便的。

將兩個(gè)平面完全解耦之后，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)采取IP模式，可以使用IP流模板(比如IP頭部五元組)來替代傳統(tǒng)的GTP進(jìn)行數(shù)據(jù)流交付，因此，xBS和CGW可以基于接收到的IP數(shù)據(jù)包的頭部五元組來進(jìn)行路由和QoS控制。

(2)分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

分布式架構(gòu)的引進(jìn)主要用來克服傳統(tǒng)EPC下流量路徑低效率和單點(diǎn)失敗的缺陷。通過將CGWs和eUCEs放置在IP網(wǎng)絡(luò)的邊緣，5GC可以提供高效的流量路徑，最小化信號(hào)時(shí)延，為移動(dòng)邊緣計(jì)算提供更好的支持。

在傳統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，流量會(huì)被匯聚到一個(gè)錨點(diǎn)中，而在未來的5G分布式架構(gòu)下，流量會(huì)被更靈活地進(jìn)行分布式處理，這會(huì)將吞吐量提高至當(dāng)前的數(shù)千倍!

(3)接入獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)

在未來的5G中，各種裝置會(huì)使用多種不同的接入方式通過多種接口同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)。5G核心網(wǎng)應(yīng)該同時(shí)滿足使用5G接入、4G接入、wifi接入點(diǎn)接入等多種接入技術(shù)的接入，以增加用戶的吞吐量，而不是針對每一種接入技術(shù)大費(fèi)周章建立一個(gè)獨(dú)立的核心網(wǎng)絡(luò)，這就是5G接入獨(dú)立/接入無關(guān)的含義。

5G接入無關(guān)的實(shí)現(xiàn)必須仰仗于非接入層(Non-Access Stratum，NAS)信令的設(shè)計(jì)，即應(yīng)該保證這些基本的NAS信令能統(tǒng)一應(yīng)用于各種接入技術(shù)。同時(shí)，信令的產(chǎn)生應(yīng)該本著輕量級(jí)的設(shè)計(jì)原則按需產(chǎn)生，所謂的需求包括認(rèn)證和授權(quán)(AAA)、移動(dòng)性管理(MM)、IP地址分配(Address)、會(huì)話管理(SM)等等。這些信令由UE端產(chǎn)生，通過用戶或者5G核心網(wǎng)選擇的接入網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絜UCE端。圖3給出了一個(gè)按需產(chǎn)生的非接入層信令框架。

在論文《Access independent mobile core》中介紹了接入無關(guān)的具體實(shí)現(xiàn)，有興趣的讀著可以閱讀參考，如果有機(jī)會(huì)我也會(huì)對這部分做進(jìn)一步調(diào)研和總結(jié)。

(4) 按需NAS

在LTE中先建立承載通道再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪@種基于連接的方式將不再適用于處理未來越來越多的服務(wù)場景。為了應(yīng)對各種各樣新出現(xiàn)的使用場景，5G核心網(wǎng)的信令機(jī)制應(yīng)該基于按需NAS的概念進(jìn)行擴(kuò)展。每當(dāng)用戶發(fā)起一個(gè)會(huì)話，就會(huì)自動(dòng)根據(jù)用戶需要使用的服務(wù)來產(chǎn)生一個(gè)合適的處理程序(合適的非接入層信令)(參照圖3上部的按需求組合產(chǎn)生的三種不同的信令)。

這種機(jī)制可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性，降低網(wǎng)絡(luò)的信令開銷，同時(shí)支持低時(shí)延服務(wù)。但是其實(shí)這種機(jī)制存在一種問題，我們現(xiàn)在只是能夠概括出現(xiàn)階段可以想象出的使用場景和服務(wù)類型，隨著未來的發(fā)展，會(huì)出現(xiàn)更多我們沒有預(yù)知的使用場景，這對于這種已知服務(wù)類型構(gòu)造NAS信息的機(jī)制是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

(5) 動(dòng)態(tài)錨機(jī)制

EPC下移動(dòng)性管理采取的是靜態(tài)錨機(jī)制，所有的移動(dòng)終端都是通過一定數(shù)量的PGW與運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)相連的，當(dāng)用戶移動(dòng)到較遠(yuǎn)距離的位置時(shí)，這些處于服務(wù)狀態(tài)的PGW狀態(tài)在短時(shí)間內(nèi)并不會(huì)發(fā)生改變，這種機(jī)制會(huì)造成流量路徑效率低下的問題。在5G中應(yīng)該基于分布式移動(dòng)性管理引進(jìn)動(dòng)態(tài)錨機(jī)制。如圖4，用戶在CGW1上建立了一個(gè)會(huì)話session1，eUCE會(huì)為其分配一個(gè)IP地址，如果用戶移動(dòng)到CGW2的范圍之內(nèi)，UE將會(huì)為CGW1保留這個(gè)IP地址以防用戶重新返回到session1中。但是如果用戶已經(jīng)開始在CGW2 上發(fā)起一個(gè)新的會(huì)話session2，UE將會(huì)被分配一個(gè)新的IP地址來改變其本地地址。

5GC中eUCE負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)內(nèi)交付，UCE負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)間交付，eUCE會(huì)動(dòng)態(tài)地將流量路徑信息發(fā)送給BS和CGW。總之，從EPC向5GC的演進(jìn)，必然要完成從靜態(tài)管理到動(dòng)態(tài)管理的演進(jìn)!