5G技术与标准介绍----第3部分：5G网络技术之核心网介绍

2 主要内容 一 5G网络架构设计概要 二 5G网络架构的总体设计 三 5G核心网关键技术 3 5G网络变革的驱动力 新型业务场景 垂直行业 典型场景指标 垂直行业 网络需求差异化 功能定制化 典型场景 基础指标极致化 高速移动性 高可靠 超低功耗 超低时延 大吞吐量 海量连接 仅靠优化部署无法满足5G的应用场景及指标要求 引入新技术成为必然 典型场景指标 体验速率 100Mbps 体验速率 10Gbps 超低功耗 低时延 端到端ms级 高可靠传送 100 高移动性 500km h 优化部署优化部署 1 增加基站数量 2 优化基站部署位置 3 使用低频段 4 网关下沉靠近用户 2 b b 4 a a d d e e b b c c b b c c 四大典型场景 连续广域覆盖 热点高容量 低时延高可靠 低功耗大连接 流量密度 Tbps km2 连接数密度百万 km2 1 4 a a c c e e 1 2 3 c c 1 4 a a c c e e b b c c 新技术引入新技术引入 a a 控制转发分离 b b 信令 连接的优化及增强 c c 新空口技术 d d 用户面简化及灵活部署 e e 本地卸载 Cache CDN 加入 知识星球 行业与管理资源 库 每日免费获取报告 1 每月分享1000 份最新行业报告 涵盖科技 金融 教 育 互联网 房地产 生物制药 医疗健康等最新行业 2 每月分享500 企业咨询管理文件 涵盖国内外著名咨询公 司相关管理方案 企业运营制度等 3 每月分享500 科技类论文或者大师课件 笔记 4 与高端人士交流企业管理思想与方法 微信扫码二维码 免费报告轻松领 微信扫码加入 知识星球 行业与管理资源 获取更多行业报告 管理文案 大师笔记 加入微信群 每日获取免费3 份报告 1 扫一扫二维码 或者添加微信 微信号 Teamkon 2 加入报告分享群 备注 姓名 单位 职务 4 5G网络变革的驱动力 网络自身发展的驱动 4G网络局限性 网关数据吞吐量几十到一百G 单个MME支持两千万上下文数 支持三万并发数 eNB到PGW时延几十毫秒 功能耦合度高 新业务升级难 5G网络需求 热点地区单用户1Gbps 流量密度Tbps km2 支持超低功耗 连接数密度百万 km2 端到端时延几毫秒 5G5G网络的需求驱动 网络的需求驱动 现有网络不能满足新场景 新业务需求 继续打补丁 网络臃肿 不利于产业发展 移动网络需要革新设计 垂直行业网络需求差异化 突出的问题 当前物理设备及组网方式 在连接数量支持 吞吐量 时延等 方面存在一个甚至两个数量级的差距 QoS分布在6个网元 协同困难 QoS的差异化要求 5 3GPP国际标准总体规划 3GPP Phase 1 标准项目名称 5G System Phase 1 2016年12月在全会正 式通过 共67家公司共签 将在2017年底完成两个标准 TS 23 501 System Architecture for 5G System TS 23 502 Procedures for 5G System 3GPP Phase 2 研究项目将在SA2立项 2017 年3月到12月 标准化工作将在 2018年开始 3GPP R16 mIOT等技术需要在研究项目中 布局 ITU 5G Focus Group完成研究 后续工作转至ITU SG13 将成 立一个WP Working Party 将包括 架构 切片 FMC 能力开放等工作组 基于研究报告的基础结论 逐一明确功能和业务 流程细节 完成基于服务的新型架构和接口设计 以及其他 标准内容 RAN2 连接 移动性管理 QoS 选网 RAN3 连接 移动性管理 RAN CN接口 网络切片 QoS 演进和互通 SA3 安全性架构 认证和鉴权的一致性 服务化接口 和开放能力的安全性 SA5 切片的管理 虚拟化的支持 计费 CT3 CT4 协议选择 消息内容 接口API BBF在德电 法电等欧洲运营商积极推动下 希望与SA2 就FMC展开合作 2017年2月召开联合会 ITU T也明确了要和3GPP就网络架构等合作 我国IMT 2020推进组就5G架构与平台在标准化技术点和 时间上提出建议 ETSI NFV ISG讨论了NFV 2020网络架构工作 后续可能 有联络函发出来 5G网络研究项目 TR 23 799 TS 23 501 架构与功能 TS 23 502 业务流程 接口 网元功能 业务流程 服务能力 与其他工作组沟通协调 与其他标准组织协同 3GPP R15标准标准 系统架构组 SA2 的工作影响3GPP多个工作组5G的 标准化 需要在多个技术点上进行跨组沟通和协调 6 NextGen项目总体情况 3GPP 5G系统架构研究项目 NextGen 八大热点技术方向 网络切片 QoS 移动性管理 会话管理 用户面和会话连续性 新型接口 互通和演进 融合接入 非3GPP接入 3GPP TR 23 799 1 基于服务的 网络架构 2 CU分离 控 制面功能重构 3 CU分离 转 发面分布化 7 5G网络从8大技术入手 解决5G网络需求 5G需求 1 热点 高容量 2 低时延 高可靠 3 低功耗 大连接 4 高移 动性 6 业务场景多 功能灵活配置 设计思路 集中控制 灵活的路 由优化 用户面功能下移 简化及快速转发 简化信令 和会话 灵活的用户面 选择和管理 灵活 动 态的组网 5 连续 广覆盖 接入无关 接入协同 技 术 驱 动 业务下移 NFV 软件化 可编排 SDN 集中控制 转发灵活 5G网络架构的关键技术 控 制 与 转 发 分 离 功能 重构 与 接口 新型 移动 性和 连接 管理 网络 切片 平 台 及 管 理 编 排 移 动 边 缘 计 算 新 型 的 统 一 QoS 框 架 能力开放 1 2 3 4 5 6 7 8 8 主要内容 一 5G网络架构设计概要 二 5G网络架构的总体设计 三 5G核心网关键技术 9 4G网络架构回顾 4G网络架构 扁平的接入网 集中的核心网 4G网络架构 网络功能之间采用固定的点到点通信 网络用户面设备承担较多控制功能 控制面设备单一 SGi S1 MME PCRF Gx S6a HSS Operator s IP Services e g IMS PSS etc Rx UE LTE Uu E UTRAN MME S11 S5 S1 U SCEF Serving Gateway PDN Gateway MME 10 5G系统架构 UE R AN DU AF AMF PCFUDM DNN6 NG CP NRFNEF N3 N2 N4 AUSF Nausf NamfNsmf Npcf NnrfNnef Nudm Naf R AN CU SMF UPF 5G网络架构 5G网络引入服务化功能设计 实现网络功能的灵活定制和组合 核心网通过控制和转发理念 降低 简化用户面 实现高效转发 接入网通过CU DU分离 实现无线资源的集中控制和协作 统一数据库 Unified Data Management UDM 认证服务器功能 Authentication Server Function AUSF 策略控制功能 Policy Control function PCF 接入及移动性管理 Core Access and Mobility Management Function AMF 会话管理Session Management Function SMF 用户面功能User plane Function UPF 能力开放 Network Exposure Function NEF 功能注册 NF Repository Function NRF 4G vs 5G 端到端总体架构比较 SBA采用 服务 来设计通信网元及主要功能 以 服务调用 取代传统的信令 交流 借鉴IT领域的 微服务 设计理念 将网络功能定义为多个相对独立可被灵活调 用的服务模块 基于服务的基于服务的5G网络架构网络架构 UE R ANUPF AF AMFSMF PCFUDM DNN6 N1 NRFNEF N3 N2 N4 AUSF Nausf NamfNsmf Npcf NnrfNnef Nudm Naf 与4G核心区别 基于服务的架构 控制面和转发面完全分离 Ref TS 23 501 SGi S12 S3 S1 MME PCRF Gx S6a HSS Operator s IP Services e g IMS PSS etc Rx S10 UE SGSN LTE Uu E UTRAN MME S11 S5 Serving Gateway PDN Gateway S1 U S4 UTRAN GERAN 2018 06 22 12 基于服务的控制面架构 解读 核心网 基础平台的云化 功能的软件化以及逐渐被业界所认可 将软件系统架构中 微服务 的理念引入5G控制面设计 基于服务的系统架构 SBA Service based architecture 作为新事物仍然面临巨大挑战 呈现方式 和传统接口的关系 如何部署 如何发挥最大效率 核心点1 基于 微服务 的网络功能设计 4G网络基于专用硬件的传统网络设备 功能模块之间紧耦合 5G控制面重构重新定义控制面网络功能 实现网络功能去耦合 使得功能可灵活组合 并且可以 独自演进和更新 经授权的灵活调用 服务被认为是一种资源 采用Service ID 标识 符合服务设计框架 微粒度 松耦合 易操作 如Rest框架 核心点2 基于服务的新型通信接口模型 服务化接口可被多个网络功能对端复用调用 提高接口实现效率 降低开发难度 控制面网络功能间通信采用基于服务调用的接口形式 通过轻量级的通信协议实现 使用统一的调用协议 如HTTP AMPQ 可基于总线的通信方式 不需维护和请求方的通信状态 降低网络功能 NF 之间的 耦合 12 网络架构选项 NR独立组网与非独立组网 NRLTE EPC NRLTE EPC NRLTE EPC NR NG Core eLTE NR NG Core eLTE NR NG Core eLTE NR NG Core eLTENR NG Core eLTE NG Core eLTE NR NG Core NR NSA EPC Connected NR NSA NGC Connected NR SA Option 3 Option 3a Option 3x Option 7 Option 7a Option 7x Option 5 Option 4 Option 4a Option 2 MCG Split Bearer SCG bearer SCG split bearer 2018 06 22 14 主要内容 一 5G网络架构设计概要 二 5G网络架构的总体设计 三 5G核心网关键技术 15 传统的核心网 虚拟化后的核心网 软硬件紧耦合 专有设备 云原生的电信系统 服务化架构 符合云原生基本要求 支 持敏捷开发 快速升级 基于大数据和人工智能的全自动化 开发和运营协同 VNF 1 VNFs VNF 2 VNF n MANO NF Services Telecom IaaS PaaS Network Service SMF AMF NRF NEF PCF AF AUSF eMBB mIoT uRLLC 软硬件解耦 软硬件解耦 通用化硬件 单体化应用软件 基于NFV提供自动部署和弹性伸缩 开发和运营分离 5G核心网总体发展目标及技术方向 5G核心网以彻底云化的网络架构为基础 功能重构 网元微模块化 原子化 按需灵活组合上线 虚拟隔离 网络切片 各垂直行业应用的网络逻辑隔离 部署分布 C U彻底分离 C平面模块化设计灵活组合 U平面按需分 布化 利于计算边缘化 设施云化 云化的基础设施层的网络架构 总体目标 面向5G 2020年可规模商用 能力 需要高质量 标准化的系统设计 16 5G网络关键技术1 网络切片管理 1 2 关键问题1 网络切片的选择 如何灵活地引导用户接入相应的网络切片 UE在NAS RRC信令中携带切片选择协助信息 引入网络切片选择功能NSSF 实现网络切片的 灵活选择 关键问题2 不同网络切片的功能共享 哪些功能可以共享 功能共享场景下的交互或协作机制 部分CP共享是单个UE同时接入多切片的必选 移动性管理是目前认为可以共享的功能之一 以减少UE 和MM发送重复的移动性信令 网络切片选择功能NSSF执行网络切片选择 属于共享的 控制面功能 UE A 接入网 共享控 制面 核心网切片A eMBB1 核心网切片B mIoT 核心网切片C eMBB2 Subscription UE B 网络切片是端到端的逻辑功能集合和其所需的物理或虚拟资源 包括接入网 核 心网功能等 甚至需要回传网络和IP网络的协同支持 网络切片可认为是5G网络 中的虚拟化 专网 从部署而言 可采用传统的专有硬件 也可以采用NFV方式部署 端到端的网络切片是业界共识 然而切片在无线网的实现方式仍有争议 RAN是否切片 如何 切片 是厂商实现问题还是需要标准化的问题 17 5G网络关键技术1 网络切片管理 2 2 核心DC 接入DC eMBB 切片mIoT 切片URLLC 切片 承载传输网 接入网 核心网管理 承载传输网管理 接入网管理 多域管理网络切片管理 切片设计 切片配置 切片生命周期 监控 网络切片管理是5G网管系统中最重要的新功能 负责把用户业务级别的需求转化为基于NFV SDN跨域部署 文件及业务配置文件 并执行业务级别的网络切片生命周期管理 网络切片管理功能需要跨域协同 接入网 核心网 传输网 IP网 数据中心等 实现整体端到端业务的管 理和编排 资源管理由NFV SDN完成 跨域管理 跨域跨厂商的网络切片设计和业务级别生命周期管理 生成切片部署文件 完成业务需求到各领域的子网实例 资源的逐层映射 域内管理 每个域均有各自单独的管理功能 管理各自域内的子网设计 部署 保障 删除和配 置功能 对外提供单域的服务化接口 切片设计 面向场景 设计网络切片的功能及连接拓扑 生成网络切片Blueprint 翻译Blueprint生成NFV可以识别的NSD 相 关的VNF配置文件 切片配置 存储Blueprint生成的配置文件 与网络功能管理 类似OSS EMS 交互 配 置网络切片中各类网络功能 切片LCM 业务管理 监控 运营商对所有实例化的切片的生命周期管理 运营商对自有切片的管理 监控 运营商对第三方切片的管理 监控 第三方对其订购切片的管理 监控 18 5G网络关键技术2 移动性管理 会话管理 1 2 引入 新移 动性 状态 引入新的移动性状态 使得终端能快速接入网络 提升用户体验 同时降低了终端 功耗 提升了网络效率 IDLE CONNECTED 4G 两个状态 连接态和空闲态 RRC IDLE RRC INACTIVE RRC CONNEC TED CM CONNECTED CM IDLE 5G RRC 层三个状态 按需 的移 动性 管理 用户移动性模式 用户签约信息 网络策略 用户移动性统计特性 UE上报的辅助信息 优化的TA TA List分配 分区域分用户的差异化服务 不同UPF 切片的选择 不同用户采用不同的状态子集 优化的寻呼策略 推导出 按需 移 动 性 管 理 引入按需的移动性管理机制 实现按需的个性化移动性管理 满足不同移动性 不同 业务类型终端的需求 实现信令 功耗 用户体验的最优平衡 从单一移动性管理到按需的个性化移动性管理 19 5G网络关键技术2 移动性管理 会话管理 2 2 相对4G网络 5G网络采用了CU分离的网络架构 同时实现了SM和MM的 深度解耦 引入新的PDU类型 SM采用CU分离架构 控制转发解耦 便于网络灵活部署 实现独立扩缩容 同时避免控制面的 演进带来转发面频繁升级 SM和MM解耦 两者深度解耦 且MM和SM之间采用标准化的接口 用户附着时可以不 建立PDU会话 按需支持永远在线 引入新的PDU类型 IPv4 IPv6 暂不支持IPv4v6双栈 Ethernet Unstructured 可支持 非IP类型的PDU 会 话 管 理 20 5G网络关键技术3 边缘计算 业务连续性 1 2 边缘计算 是近期关注的热点 将内容业务部署靠近网络边缘 提升用户体验 如低时延业务 节省带宽资 源 实现网络能力开放 向第三方应用提供所需网络信息 优化业务体验 涉及多个技术方向 QoS 计费 会话管理 内容源的管理 5G系统设计提出了两种支持边缘计算的架构 边缘计算架构1 1个连接 引入靠近本地网络的分流节点 对上行数据包识别 分流 边缘计算架构2 2个连接 网络分别建立到 本地 及到 中心 业务网络的连接 边缘计算 优化网络架构 使内容更靠近用户 提升用户体验 结合能力开放提供 增值服务 UE AN UP function UL CL UP function anchor local Data network Data network 边缘计算架构1 21 5G网络关键技术3 边缘计算 业务连续性 2 2 5G业务连续性 定义多种会话和业务连续性模式 为应用提供按需的连续性 5G定义了三种会话和业务连续性模式 SSC Mode 一直不断 终端始终只接入一个用户面网关 不更换IP锚点 例如VoLTE业务 先拆后建 终端在一定范围内接入一个用户面网关 超出范围后 重新接入其他用户 面网关 先拆后建 例如浏览网页等Internet业务 先建后拆 终端在断开一个用户面网关连接之前 建立一个新用户面网关的连接 终 端可以将原有连接中的应用绑定到新的连接中 也可以等原有连接中的应用结束后再删 除原有连接 例如视频业务 直播业务 22 5G网络关键技术4 基于流的新型QoS机制 无承载 1 2 CP function UP function RAN UE 基于流粒度的QoS控制 控制面统一制定QoS策略 扩展1 2 3接口传递流粒度QOS Profile 1 2 3 基于数据流粒度标记下行数据 QoS处理参数 标记上行数据流QoS处理策略 基于流标签 执行数据流粒 度的QoS 基于流粒度的QoS机制 5G基于流粒度 执行业务QoS处理 网络侧控制面作为QoS策略的决策点 通知转发面 RAN UE业务流的QoS策略 转发面 RAN UE提供相应 的数据转发质量 In Band QoS控制机制 5G 采用数据流In band QoS标记机制 基于业务的QoS需 求 网关或APP Server对数据流标记相应的QoS处理标签 网络侧基于QoS标签 执行数据包转发 QoS标签可基于业务数据流的需求实时变化 实时满足业 务需求 1 4G基于承载的QoS控制粒度较粗 无法满足5G业务精细的QoS控制需求 2 承载建立信令开销大 较慢无法跟踪数据流QoS需求的变化 3 LTE QoS机制更适用于运营商内部应用 如IMS 对于OTT应用适配不够灵活 4 不利于FMC 基于承载的QoS机制是蜂窝网特有的 5G网络关键技术4 基于流的新型QoS机制 4G vs 5G 2 2 UPFNBUE PDU Session RadioN3 NG RAN5GC Radio BearerNG U Tunnel QoS Flow QoS Flow Radio Bearer QoS Flow 4G 5G 特点 QoS控制的基本粒度是EPS承载承载 Bearer 需要通过建立多个专用承载专用承载为UE提供具 有不同QoS保障的业务 缺点 LTE QoS机制更适用于运营商内部应用运营商内部应用 基于承载的QoS管理机制粒度较粗 无法 实现业务流粒度的QoS控制 承载建立信令开销大 较慢无法跟踪TCP session变化 核心网取消承载概念 基于 流QoS管控更精细 RAN侧决定 流 RAN侧承 载的映射 给RAN侧更大自 由度 2018 06 22 24 5G网络关键技术5 集中化的智能策略中心 5G网络在Phase 1已经形成以PCF 为集中策略结点的策略控制架构 PCF和SMF AMF AF OCS之间均有接口 可以从第三方业务 计费 系统获取业务需求 支持面向QoS 计费 按需会话管理 按需接入及移 动性管理制定策略 PCF可从AF SM MM OCS等结点获取用户 网络状态 PCF AMF SMF UDM AF OCS 25 5G网络关键技术6 计算与数据分离 C D分离 1 2 BSC RNC NodeB SGSN GGSN 2G 3G MME 4G MME PCRF S GW P GW eNodeB 5G SGSN 四层转发变三层 SGW 控制 承载分离 GGSN PGW 5G Control 简单Forwarding 5G 新控制功能 5G 纯转发功能 进一步分离 C U分离 进一步扁平 三层变两层 模 块 1 模 块 2 移动核心网的控制和转发逐代分离 逐代扁平 26 5G网络关键技术6 计算与数据分离 C D分离 2 2 将核心网控制面内各网元内的用户上下文中 相对静态的信息 Data 如用户状态 网络给用户分配的临时ID 鉴权信息 路由信息等 从负责逻辑处理 Compute 的网元中剥离出来单独部署 供控制面各网元共享调用 计算数据分离 C D分离 有利于虚拟化环境下的系统容灾 负载均衡 NF 迁移 NF之间共享数据 减少NF解耦后数据获取导致的 信令交互 可基于集中的用户数据进行大数据分析 便于网络 故障诊断 网络优化 用户行为画像 可基于统一