（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd, Beijing 100080, China)

1 5G標準和產(chǎn)業(yè)進展

3GPP 5G標準R15版本聚焦增強移動寬帶（eMBB）業(yè)務，主要定義了5G全新網(wǎng)絡架構，包括網(wǎng)絡切片、服務化架構、邊緣計算架構、移動性管理、會話管理分離和基于流粒度的服務質量（QoS）設計等。R15定義了與網(wǎng)絡部署相關的3大網(wǎng)絡架構：基于4G核心網(wǎng)（EPC）的新空口（NR）雙連接架構——R15 NR非獨立組網(wǎng)（NSA）、基于5G核心網(wǎng)的獨立組網(wǎng)架構——R15 NR獨立組網(wǎng)（SA）以及基于5G核心網(wǎng)的NR-LTE/LTENR雙連接架構（R15 Late Drop）。R15 NR NSA和R15 NR SA的標準均已于2017年12月和2018年6月凍結；R15 Late Drop版本也已于2019年3月凍結。

3GPP 5G標準R16和R17版本聚焦垂直行業(yè)應用。R16版本標準主要包括增強超可靠低時延通信（URLLC）、增強車用無線通信技術（eV2X）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）支持和演進、5G局域網(wǎng)、5G定位和位置服務、網(wǎng)絡自動化等。R16標準預計于2020年6月凍結。5G R16標準完成后，基于R16及后續(xù)的R17的5G核心網(wǎng)才真正能夠實現(xiàn)eMBB、URLLC、海量大連接（mIoT）3大場景網(wǎng)絡能力，全面支撐5G面向垂直行業(yè)的發(fā)展。

2 5G核心網(wǎng)規(guī)劃建設面臨的挑戰(zhàn)

2.1 5G NSA和SA的選擇

目前R15 NSA和SA架構是標準及產(chǎn)業(yè)成熟度較高的兩種架構，如圖1所示。其中，NSA架構采用4G EPC增強控制5G NR，以支持終端雙連接；SA架構采用全新5G服務化核心網(wǎng)架構。2019年已商用的5G網(wǎng)絡主要采用NSA技術架構，該方案的優(yōu)勢是5G先發(fā)部署。建網(wǎng)初期，在5G覆蓋不足的情況下，采用NSA架構可充分發(fā)揮4G/5G協(xié)同優(yōu)勢，由LTE基站保證用戶流量的承載。由于采用和4G共用EPC核心網(wǎng)，對于沒有簽約的5G NSA終端，只要網(wǎng)絡歸屬簽約用戶服務器（HSS）/增強移動性管理實體（MME+）默認允許NSA接入，在5G NR覆蓋區(qū)的用戶可以建立至NR的5G承載，接入5G網(wǎng)絡體驗5G業(yè)務。

5G SA定義了5G全新網(wǎng)絡架構，包括網(wǎng)絡切片、服務化架構、邊緣計算架構、移動性管理、會話管理分離和基于流粒度的QoS設計。這些架構功能在R16標準中被進一步增強，滿足了URLLC和V2X等需求。5G SA架構的核心網(wǎng)是革命性的變革，產(chǎn)業(yè)成熟度低；因此，大多數(shù)運營商將5G SA架構作為5G網(wǎng)絡的目標架構。以中國移動為例，2019年5G開始商用，主要采用NSA架構，并基于4G EPC來部署5G NSA網(wǎng)絡；同時，面向垂直行業(yè)進行5G SA預商用，推進SA架構5G核心網(wǎng)的成熟。

2.2 5G與4G的互操作

移動通信換代時都需要滿足一個基本要求，即用戶不換號。從4G到5G的網(wǎng)絡演進也不例外。移動通信的用戶數(shù)據(jù)存儲在4G HSS中，如果4G用戶開通4G語音承載（VoLTE）業(yè)務，那么還會涉及到IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）HSS設備。現(xiàn)網(wǎng)中為實現(xiàn)用戶業(yè)務的繼承和兼容性，這些用戶數(shù)據(jù)設備以不同方式形成融合網(wǎng)元，即2G/3G/4G/VoLTE HSS/歸屬位置寄存器（HLR）。當5G采用SA架構建網(wǎng)時，5G核心網(wǎng)是一個服務化架構、全云化的網(wǎng)絡。其中，用戶數(shù)據(jù)功能統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲（UDR）/統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理（UDM）也是云化網(wǎng)元，要實現(xiàn)4G用戶不換號也能使用5G業(yè)務的目標，同樣需要融合的用戶數(shù)據(jù)網(wǎng)元。圖2給出了3GPP定義的5G用戶數(shù)據(jù)存儲架構。

3GPP R15 5G SA標準定義了4G/5G的互操作架構（如圖3所示），即4G/5G融合的UDM+HSS，以便實現(xiàn)用戶的統(tǒng)一簽約和統(tǒng)一鑒權管理：融合的策略控制功能（PCF）+策略與計費規(guī)則功能單元（PCRF），可以實現(xiàn)用戶的統(tǒng)一策略管理；融合的會話管理功能（SMF）+分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關-控制面（PGW-C），可以實現(xiàn)用戶的統(tǒng)一會話管理和統(tǒng)一錨點選擇，從而實現(xiàn)4G/5G切換的業(yè)務連續(xù)性；融合的用戶面功能（UPF）+分組數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)關-用戶面（PGW-U），實現(xiàn)統(tǒng)一的用戶面隧道錨點功能，保證4G/5G切換的業(yè)務連續(xù)性。因此，在5G網(wǎng)絡建設中不僅用戶數(shù)據(jù)網(wǎng)元UDM/UDR需要與2G/3G/4G/VoLTE融合，以上策略管理網(wǎng)元PCF/UDR、會話管理網(wǎng)元SMF、用戶面網(wǎng)關UPF均需與4G形成融合網(wǎng)元；而5G核心網(wǎng)的服務化和云化新架構與2G/3G/4G核心網(wǎng)的融合也將會為5G網(wǎng)絡的建設帶來一些重大挑戰(zhàn)。

圖1 R15新空口非獨立組網(wǎng)和獨立組網(wǎng)技術架構示意圖

圖2 3GPP定義的5G數(shù)據(jù)存儲架構圖[1]

圖3 3GPP定義的4G/5G互操作架構（無漫游）圖[1]

2.3 5G面向個人用戶和垂直行業(yè)用戶

經(jīng)濟社會發(fā)展對信息通信技術的需求越來越迫切。5G等信息技術與實體經(jīng)濟深度融合，將促進智能連接、云網(wǎng)融合等貫穿到各行各業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營各環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮對經(jīng)濟發(fā)展的放大、疊加、倍增作用，激發(fā)經(jīng)濟增長新動能；因此，5G的使命不僅是滿足個人用戶（ToC）的需求，改變生活，更重要的是滿足垂直行業(yè)（ToB）信息化和智能化需求，改變社會。

3GPP面向垂直行業(yè)應用的兩大場景（URLLC和mIoT）均未在3GPP R15版本中完成標準化。在現(xiàn)階段基于R15版本的5G網(wǎng)絡建設中，5G能夠滿足eMBB場景的需求；URLLC的場景將在R16版本的5G標準中完成，低功耗mIoT場景的優(yōu)化和演進，將在R17版本完成。因此，面向ToB市場的需求，運營商近期將繼續(xù)依靠現(xiàn)有窄帶-物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）和增強機器類通信（eMTC）技術演進。同時，5G網(wǎng)絡建設還要協(xié)同2G/4G物聯(lián)網(wǎng)的建設和演進，通過5G網(wǎng)絡切片能力，滿足部分場景ToB用戶的需求，實現(xiàn)未來2G/4G/5G物聯(lián)網(wǎng)的逐步融合發(fā)展。

2.4 5G用戶需要實現(xiàn)國際漫游

2019年，已有韓國、英國、歐洲等多個國家或地區(qū)實現(xiàn)了5G NSA架構的商用網(wǎng)絡服務。根據(jù)韓國科學技術信息通信部發(fā)布的信息，截至2020年2月28日，韓國5G NSA用戶數(shù)已達536萬。目前國際上商用5G網(wǎng)絡已發(fā)展了大量的5G NSA用戶。要實現(xiàn)國際用戶能夠漫游在中國的5G網(wǎng)絡中，那么中國也需為5G NSA用戶保留NSA網(wǎng)絡。即使中國在2020年搶先實現(xiàn)SA架構的5G網(wǎng)絡規(guī)模商用，為了保證國際用戶能夠在中國5G網(wǎng)絡漫游，依然需要保留NSA架構網(wǎng)絡和足夠的覆蓋能力。這也將是5G核心網(wǎng)建設的另一個挑戰(zhàn)。

3 5G核心網(wǎng)規(guī)劃建設策略和關鍵問題

3.1 2G/3G/4G/5G融合數(shù)據(jù)面的建設策略

要實現(xiàn)在用戶不換號的條件下，網(wǎng)絡從4G升級到5G，則需要實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的融合?，F(xiàn)網(wǎng)是2G/3G/4G的融合網(wǎng)絡，所以融合用戶數(shù)據(jù)和融合策略數(shù)據(jù)的建設策略需要涵蓋現(xiàn)網(wǎng)2G/3G/4G/VoLTE的用戶數(shù)據(jù)和現(xiàn)網(wǎng)4G的策略數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)融合的建設目標和建設策略應以終為始，實現(xiàn)云化用戶數(shù)據(jù)、策略數(shù)據(jù)的融合和現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)的遷移。

對于ToC用戶，主要用戶來源為4G換機用戶和已成為5G NSA的用戶，對于此類用戶需實現(xiàn)2G/3G/4G/5G/VoLTE的融合數(shù)據(jù)層建設和用戶數(shù)據(jù)的遷移。根據(jù)工業(yè)和信息化部公布的2020年1—2月通信業(yè)經(jīng)濟運行情況數(shù)據(jù)看，截至2月底，3家基礎電信企業(yè)的4G用戶規(guī)模為12.62億戶。從3G到4G的網(wǎng)絡升級中，4G用戶數(shù)據(jù)的遷移持續(xù)1～2年的時間；而面向5G用戶數(shù)據(jù)遷移難度更大，從設備形態(tài)到網(wǎng)絡架構都在云化轉型，使得現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)元升級不可行。建設策略[2]有以下幾種：策略1，以大區(qū)或省為單位新建云化融合用戶數(shù)據(jù)網(wǎng)元HLR/HSS/UDM/UDR來替換現(xiàn)網(wǎng)融合HSS/HLR。云化融合用戶數(shù)據(jù)網(wǎng)元的建設規(guī)模需要滿足所替換設備的全部容量。對于后端設備（BE）存儲數(shù)據(jù)庫，采用云化融合HSS/HLR/UDR替換傳統(tǒng)HSS/HLR后端數(shù)據(jù)庫；對于前端設備（FE）信令處理模塊，采用云化UDM/HSS/HLR FE設備一次性替換現(xiàn)網(wǎng)HLR-FE和HSS-FE，分別處理不同用戶的用戶數(shù)據(jù)接入信令。該策略較適用于現(xiàn)網(wǎng)設備運行年限較長、臨近退網(wǎng)或滿足折舊期限要求的情況。由于策略1采用替換方案，導致初期建設規(guī)模增大，先期的建設成本較高；但優(yōu)勢是可以一步到位達到目標架構，網(wǎng)絡架構清晰簡潔。

策略2，以大區(qū)或省為單位新建云化融合HLR/HSS/UDM/UDR設備，容量滿足本期工程預測的5G用戶規(guī)模需求，并與現(xiàn)網(wǎng)HSS/HLR混合組網(wǎng)，實現(xiàn)2G/3G/4G用戶開通5G后的逐步數(shù)據(jù)遷移。在該策略下，與新建設備配對遷移的現(xiàn)網(wǎng)HSS/HLR，需要改造支持與新建云化融合UDM/UDR間的接口。當4G用戶開通5G時，該用戶的簽約數(shù)據(jù)寫入新建融合HLR/HSS-BE/UDR數(shù)據(jù)庫中。當用戶漫游在4G網(wǎng)絡使用業(yè)務時，服務于該用戶的4G 移動性管理實體（MME）設備向現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS請求鑒權和簽約數(shù)據(jù)，現(xiàn)網(wǎng)HLR/HSS通過與新建融合UDM/UDR設備間接口獲取用戶數(shù)據(jù)。該策略較適用于現(xiàn)網(wǎng)設備版本較新、在網(wǎng)運行時間不長的場景。該策略無須提前進行用戶數(shù)據(jù)遷移，而是當用戶更換5G手機后，逐步將用戶數(shù)據(jù)遷移至新建融合UDM/UDR數(shù)據(jù)庫中。該策略可隨用戶換機規(guī)模逐步建設，先期建設成本與5G用戶發(fā)展規(guī)模相關，可以有效利舊現(xiàn)網(wǎng)設備資源，減少先期投入；但該策略由于需要新舊用戶數(shù)據(jù)設備間開放接口，接口需要進一步規(guī)范，實施上存在一定風險。

還有一些其他的非標私有定制化方案，在此不一一贅述。綜上所述，5G核心網(wǎng)ToC用戶數(shù)據(jù)層的建設應根據(jù)5G SA業(yè)務需求，統(tǒng)籌考慮數(shù)據(jù)遷移場景、投資效益等因素后再進行選擇，且針對不同區(qū)域可以選擇不同方案。對于5G面向ToB用戶，采用物聯(lián)網(wǎng)號段且均為新用戶，不涉及現(xiàn)有用戶數(shù)據(jù)遷移問題。

3.2 5G策略數(shù)據(jù)融合建設策略

在3GPP定義的數(shù)據(jù)存儲架構中，5G用戶數(shù)據(jù)、策略控制數(shù)據(jù)、能力開放數(shù)據(jù)等均存儲在統(tǒng)一的后端數(shù)據(jù)庫UDR中，如圖1所示。因此，在建設策略中不僅要考慮策略控制數(shù)據(jù)4G/5G的融合建設，還要考慮用戶數(shù)據(jù)和策略數(shù)據(jù)是否融合建設?？紤]到用戶數(shù)據(jù)和策略數(shù)據(jù)現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)元廠家分布不同，跨廠家數(shù)據(jù)遷移難度大；因此，5G SA網(wǎng)絡建設初期可以暫不考慮用戶數(shù)據(jù)和策略控制數(shù)據(jù)后端數(shù)據(jù)庫網(wǎng)元的融合設置。為實現(xiàn)4G/5G網(wǎng)絡互操作，5G策略數(shù)據(jù)網(wǎng)元PCF/UDR需實現(xiàn)與4G策略數(shù)據(jù)網(wǎng)元PCRF/簽約數(shù)據(jù)倉庫（SPR）的融合。4G的用戶策略需遷移到4G/5G融合的云化策略控制網(wǎng)元中，建設策略與3.1節(jié)用戶數(shù)據(jù)融合相似，主要有以下幾種：

策略1，以大區(qū)或省為單位，新建與4G融合的PCF/UDR，以替換現(xiàn)網(wǎng)PCRF/SPR設備。

第略2，以大區(qū)或省為單位，新建的4G/5G融合PCF/UDR與現(xiàn)網(wǎng)PCRF/SPR混合組網(wǎng)，同時須升級現(xiàn)網(wǎng)PCRF/SPR，以支持與新建融合PCF/UDR設備的接口。

無論采用以上哪種建設策略，與用戶數(shù)據(jù)融合不同的是：策略控制數(shù)據(jù)由于控制策略個性化強，現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務控制策略多，異廠家替換工作量大且周期長，風險較大；因此，無論采用策略1還是策略2，均需要考慮實施風險。

3.3 5G SA核心網(wǎng)全云化網(wǎng)絡建設策略

5G移動網(wǎng)絡是一個電信級的基礎網(wǎng)絡，它要求云化網(wǎng)絡的云計算基礎設施具備電信級高可用性和異地容災能力。5G SA核心網(wǎng)虛擬網(wǎng)絡功能（VNF）部署在NFV云計算資源池中，它面向大眾市場和垂直行業(yè)提供5G服務。5G網(wǎng)絡面向ToC和ToB用戶的多樣化需求可通過網(wǎng)絡切片技術實現(xiàn)，在5G核心網(wǎng)建設中，需要考慮5G與現(xiàn)網(wǎng)2G/3G/4G融合核心網(wǎng)以及2G/3G/4G/NB物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同發(fā)展[3]。5G SA核心網(wǎng)控制面網(wǎng)元包括接入管理功能（AMF）、SMF、網(wǎng)絡切片選擇功能（NSSF）、服務注冊管理功能（NRF）、融合計費功能（CHF）等，它們均為服務化網(wǎng)元，對外提供服務化接口，其部署策略如下[4]：

1）AMF和會話管理功能（SMF/網(wǎng)關-控制面）VNF分別服務于特定區(qū)域的基站，可以省或地市為單位集中部署于省或大區(qū)中心資源池。

2）NSSF用于網(wǎng)絡切片選擇，可以省或大區(qū)設置。

3）NRF主要完成VNF服務注冊、管理和發(fā)現(xiàn)，可以省或大區(qū)設置。當需要跨省或跨大區(qū)服務發(fā)現(xiàn)時，可采用NRF網(wǎng)狀聯(lián)接或分級部署。

4）CHF與網(wǎng)絡側接口實現(xiàn)在線和離線計費部分功能，可與SMF同區(qū)域部署。當多個CHF需要被選擇和路由時，可采用直接配置局數(shù)據(jù)的方式或采用設置NRF提供服務注冊和服務發(fā)現(xiàn)功能來實現(xiàn)CHF的發(fā)現(xiàn)和選擇。

5G SA核心網(wǎng)用戶面為4G/5G融合網(wǎng)元UPF/網(wǎng)關-用戶面（GW-U），其部署策略為：用戶面網(wǎng)元UPF/GW-U通過N3接口直接與基站相連，通過N4接口與SMF通信。UPF/GW-U可以省、地市為單位部署，當部署在地市不能滿足業(yè)務時延需求時，可向邊緣擴展。由于目前N4接口不開放，當UPF向邊緣擴展時，需與轄區(qū)SMF同廠家。

5G SA核心網(wǎng)需要與4G EPC核心網(wǎng)進行互操作，因此還需要現(xiàn)網(wǎng)4G EPC進行升級改造。

3.4 5G SA核心網(wǎng)用戶面N4接口開放策略

為實現(xiàn)5G面向垂直行業(yè)的發(fā)展和支撐，5G引入了邊緣計算能力。邊緣計算架構可實現(xiàn)5G UPF網(wǎng)關下沉到就近用戶位置，實現(xiàn)低時延和數(shù)據(jù)分流應用[5]。5G SA核心網(wǎng)形成集中化的控制面和分布式的用戶面的部署架構。用戶面UPF需要控制面SMF的會話控制，來完成會話建立和策略的執(zhí)行。它們之間的N4接口為廠家內部接口，實現(xiàn)流量的實時統(tǒng)計和上報、會話建立命令的下發(fā)和執(zhí)行等多種功能。N4接口為非開放接口，因此5G集中部署的核心網(wǎng)SMF需要與分布式部署的UPF同廠家設置，這為未來的網(wǎng)絡建設和面向垂直行業(yè)的發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)和限制。中國移動已牽頭成立OpenUPF-面向垂直行業(yè)的5G UPF及N4接口開放合作伙伴計劃，意在解耦N4接口，使得用戶面UPF面向垂直行業(yè)的邊緣節(jié)點功能更簡單，未來的部署更加靈活。

3.5 5G用戶實現(xiàn)國際漫游策略

為了保證國際用戶能夠在中國5G網(wǎng)絡條件下實現(xiàn)漫游，在2020年規(guī)模商用5G SA的情況下，中國5G NSA架構網(wǎng)絡和足夠的覆蓋能力均需要被保留，以滿足國際5G NSA用戶漫入使用5G的需求[6]。當5G NSA來訪用戶漫游至5G SA/4G EPC覆蓋的區(qū)域時，漫游互通可實現(xiàn)“EPC-EPC”模式，這時用戶只能接入4G EPC網(wǎng)絡漫游，無法使用5G SA網(wǎng)絡服務；當5G NSA來訪用戶漫游至5G NSA/4G EPC覆蓋區(qū)域時，漫游互通可實現(xiàn)“EPC+-EPC+”模式，此時用戶可以接入漫游地NSA網(wǎng)絡，使用5G NSA網(wǎng)絡服務；當5G SA用戶漫游至5G SA覆蓋區(qū)域時，漫游可實現(xiàn)“5GC-5GC”互通模式，用戶可以接入漫游地SA網(wǎng)絡，使用5G SA網(wǎng)絡服務。為了實現(xiàn)5G SA架構核心網(wǎng)國際漫游，3GPP定義了本地疏通和歸屬地疏通兩種漫游架構，具體如圖4和圖5所示。其中，圖4描述了5G本地疏通漫游架構通過控制面互通的方式，圖5描述了5G歸屬地疏通漫游架構通過控制面互通的方式。

在本地疏通架構中，除歸屬地用戶數(shù)據(jù)查詢和鑒權外，拜訪地PCF可以根據(jù)運營商間漫游協(xié)議使用本地配置策略為漫游用戶生成業(yè)務疏通規(guī)則并進行業(yè)務的本地疏通，或對歸屬地PCF進行策略查詢后生成業(yè)務疏通規(guī)則并進行業(yè)務的本地疏通。在歸屬地疏通架構中，除歸屬地用戶數(shù)據(jù)查詢、鑒權、策略數(shù)據(jù)查詢和生成外，還涉及跨兩地會話連接的建立，以便建立從拜訪地到歸屬地的用戶面隧道連接。以上跨運營商核心網(wǎng)的控制面交互均通過3GPP定義的安全邊界代理功能（SEPP）實現(xiàn)。SEPP實現(xiàn)消息過濾和拓撲隱藏功能，因此5G SA核心網(wǎng)國際漫游互通雙方均須部署自己的SEPP，所有控制面互通的消息均通過SEPP進行中繼轉發(fā)。不同運營商間SEPP的互通通過IPX網(wǎng)絡完成互通，如圖6所示。

圖4 5G本地疏通控制面互通的漫游架構示意圖[1]

圖5 5G歸屬地疏通控制面互通的漫游架構示意圖[1]

圖6 跨運營商5G獨立組網(wǎng)信令互通示意圖[7]

4 結束語

2020年是5G SA核心網(wǎng)規(guī)模商用的第1年，產(chǎn)業(yè)界主要負責提供滿足5G R15階段的5G核心網(wǎng)設備。一方面伴隨5G核心網(wǎng)的網(wǎng)絡云化轉型以及5G網(wǎng)絡切片和邊緣計算的引入，移動網(wǎng)絡的架構發(fā)生了巨大變化；另一方面移動網(wǎng)絡需同時服務于ToC和ToB多樣化需求的市場，這使得5G核心網(wǎng)的引入和部署策略受到諸多條件的制約，策略選擇也非常多樣。文中，我們僅結合移動用戶和網(wǎng)絡需求進行了5G SA核心網(wǎng)初期引入的相關策略分析和探討。隨著5G R16標準的進一步完善以及產(chǎn)業(yè)的逐步成熟，5G增強核心網(wǎng)將能滿足更多場景，提供更高服務質量要求。未來，5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)劃建設策略也將面臨更多問題，需要研究者們進一步探討。