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5G网络面向万物互联、致力于打造智能社会,各种可预见及不可预见的业务将层出不穷。为了适应这一需求,3GPP在设计5G核心网时,借鉴了云原生的架构,采用了微服务、网络功能虚拟化、控制面与用户面分离、网络切片、边缘计算、网络能力开放等技术,使得5G核心网呈现给我们一个崭新的面孔。

2017年6月,3GPP正式确认5G核心网采用SBA架构(Service-based Architecture),这一架构与传统的移动核心网有很大的不同。我们来看一张全景图。

全新的架构——5G核心网解析_核心网

图1 5G核心网架构

首先我们来谈谈硬件。

以往的移动网网元是一种软硬件紧耦合的黑盒设计,硬件是专门为实现移动网中的某类功能而特别设计的。但是,在SBA架构中,核心网的硬件使用的是通用服务器,传统的专用网元硬件消失了。

这就是所谓的网络功能虚拟化(NFV)。我们无法再指着一个机柜说:“这是负责交换的。”指着另一个机柜说:“这是负责移动管理的。”软件自由地翱翔于通用硬件平台,它的升级、更新、增删不再受限于专用的硬件网元。NFV也使得网络切片技术得以成为可能。

我们再来看看软件。

移动核心网有三大功能,即:移动管理、会话管理和数据传输。但是,我们从图1中看到的NF(网络功能)竟然有10个(NSSF、NEF、NRF、PCF、UDM、AUSF、AMF、SMF、UPF、AF)。这是微服务思想的体现。

微服务是一种新的软件架构,它把一个大型的服务分解为若干个小型的独立的服务,每个服务可独立运行、扩展、开发和演化。微服务架构的采用为5G核心网的维护和扩展提供了极大的便利性,也利于切片技术的实现。

现在我们来具体地介绍一下图1中各NF的作用。

NSSF(网络切片选择功能):NSSF用以实现网络切片功能。不同种类的业务对网络性能的要求是不同的,例如自动驾驶要求低时延、高可靠,但对数据速率要求不高;高清视频要求高速率,但对时延和可靠性的要求相对较低。网络切片技术可以把网络切成多个虚拟的子网,以满足不同业务的个性化需求。

全新的架构——5G核心网解析_微服务_02

图2:网络切片技术

NEF(网络开放功能):NEF提供对外开放网络数据的功能,使得非3GPP网络能够接入5G核心网。

NRF(网络功能存储功能):NRF用于网络功能(NF)的注册、存储和管理。网络中的每个NF都必须到NRF中注册。某个NF如果要调用其它的NF,需要先去NRF中进行“服务发现”,获取该NF的相关数据,然后才能向该NF提出服务请求。如图3所示。

全新的架构——5G核心网解析_微服务_03

图3:NF的注册与使用

以上3项是5G核心网新增的功能,是以往的移动核心网中所没有的。

AMF(接入及移动性管理功能):AMF是处理控制面消息的主要模块,其作用大体上类似于4G核心网中MME(移动性管理实体)的接入和移动性管理功能。

5G的移动性管理具有灵活化、智能化的特点,可针对不同业务、不同终端的差异化移动性需求,进行按需的移动性管理,以达到信令和功耗的优化,保证网络效率和用户体验。

SMF(会话管理功能):SMF用以实现会话管理,其作用相当于4G核心网中MME、SGW和PGW的会话管理功能。它支持会话的建立、修改和释放,UE IP地址的分配和管理等。

5G网络允许UE与同一或不同数据网络同时建立多个PDU(协议数据单元)。

PCF(策略控制功能):PCF相当于4G网络PCRF(策略与计费规则单元)中的策略控制部分。它支持管控网络行为的统一策略框架,提供策略规则给控制面执行,访问UDR中与策略制定相关的订阅信息。

UDM(统一数据管理):UDM用于管理用户数据,相当于4G核心网HSS(归属用户服务器)中的用户数据管理功能。

AUSF(鉴权服务功能):AUSF用于实现用户鉴权,相当于4G核心网中MME和HSS的用户鉴权功能。AUSF的鉴权对象包括3GPP网络的用户以及非3GPP接入网的用户。

以上8项构成5G核心网控制面功能。

UPF(用户面功能):5G核心网中所有的用户面功能都由UPF完成,包括:分组路由和转发,外部PDU与数据网络互连的会话点,RAT内/RAT间移动性的锚点等。UPF相当于4G核心网SGW和PGW中的用户面功能。

5G核心网中的控制面和用户面是完全分开的,这一结构称为CUPS(Control and User Plane Separation)。其优点是业务变更灵活,网络扩展、升级方便,并且可使用户面脱离“中心化”的位置,使其既可以部署在核心网,也可以下沉至接入网,满足5G网络关于低时延的要求。

AF(应用功能):AF与核心网交互以提供服务,其功能包括:访问网络开放功能,与策略框架交互进行策略管控等。受信AF可以直接访问5G核心网内部网元功能。

以上就是5G核心网中各软件模块功能的概要。

另外,我们在图1中发现,各软件模块之间的通信方式不再是传统的点对点方式,而是SBI串行总线接口的通信方式。其传输层采用HTTP/2协议,应用层携带不同的服务消息(参见图4)。图1中的Nnssf、Nnsf等即为各NF的通信接口(服务化接口)。各NF通过各自的服务化接口对外提供服务,并允许其它获得授权的NF访问或调用自身的服务(参见图3)。它们之间通过订阅和通知的方式进行消息的交互。

全新的架构——5G核心网解析_微服务_04

图4 SBI串行总线接口协议

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