5G 逻辑架构的重构 | 带你读《5G时代的承载网》之十一-阿里云开发者社区

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5G 逻辑架构的重构 | 带你读《5G时代的承载网》之十一

简介: 5G 的架构设计主要需要满足关键性能需求和网络运营需求,为便于理解 5G 架构设计的革新,本节将以现有 4G 的网络架构为基础,逐一分析现有架 构的局限性,对比 5G 新的性能需求和运营需求,对现有架构进行分解、重构, 逐步靠近 3GPP 确定的 5G 新架构。

第 3 章 5G 网络架构

| 3.1 移动网络架构演变 |

| 3.2 5G 逻辑架构的重构 |

3.2.1 5G 架构设计需求分析

5G 的架构设计主要需要满足关键性能需求和网络运营需求,为便于理解 5G 架构设计的革新,本节将以现有 4G 的网络架构为基础,逐一分析现有架 构的局限性,对比 5G 新的性能需求和运营需求,对现有架构进行分解、重构, 逐步靠近 3GPP 确定的 5G 新架构。
1.关键性能需求
如前所述,3GPP 定义了 5G 应用的三大场景:eMBB、mMTC 和 uRLLC。
对于 eMBB 场景,又可进一步细分为连续广覆盖场景和热点高容量场景。 在连续广覆盖场景下,要随时随地提供 100Mbit/s ~ 1Gbit/s 的高体验速率, 并支持在高速移动如 500km/h 过程中的基本服务能力和业务的连续性。而在 现有的网络架构中,基站间虽然可以通过 X2 接口实现南北向数据交互,但仍 无法通过基站间通信实现高效的无线资源调度、移动性管理和干扰协同等功能,基站站间协同能力有待提高。另外,4G 主要是通过核心网实现多种无线接入的 统一控制,不同的接入技术在无线网侧有各自独立的控制面,难以提供一致的 用户体验,同时,差异化的信令流程将导致终端切换与互操作过程复杂,网络 协同控制的能力不足。在热点高容量场景下,核心网网关部署的实际位置较高, 且数据转发模式单一,导致业务数据流量向网络中心汇聚,容易对移动回传网 络造成较大的容量压力。
对于 mMTC 场景,当海量的 5G 差异化的物联网终端接入时,由于现网采 用的是与移动互联网场景相同的单一移动性和连接管理机制,承载物联网少量 数据仍需消耗较大的基于隧道的连接管理机制报头开销,不仅效率低,还极有 可能造成信令拥堵。
对于 uRLLC 场景,现有网络架构的控制面功能逻辑上分布在多个网元中, 无法实现集中控制,同一网络控制功能可能需要多个网元通过接口协议协商完 成,端到端通信时需经历较长的传输时延,对于本地业务甚至可能出现严重的 路由迂回现象。这既无法满足 5G 高可靠性前提下的低时延要求(现网端到端 时延与 5G 的时延要求约存在两个数量级的差距),又无法满足特定业务如车联 网的安全性要求。
2.网络运营需求
运营商在部署新型网络时,需要考虑网络建设和运营的可行性与便利性, 由此也对 5G 架构设计提出要求。
第一,网元功能需要满足灵活部署需求。5G 需要根据不同的应用场景, 基于同一系统架构在网络中灵活部署相适应的网元功能,4G 控制承载合一的 eNodeB 单一网元已不能满足需求;另外,4G 时代站址资源已被极大程度地挖 掘和消耗,在 5G 超密集组网的场景下,新增站址资源将带来巨大的投资,并 且实现难度很大。因此,运营商需要通过简化网元功能降低站址部署条件要求。
第二,覆盖与容量兼顾的需求。4G 网络架构一定程度上体现了控制与转发 分离,但并不彻底,这导致网络信令复杂、处理时延高、扩容时灵活性不足。 以 eMBB 为例,连续广覆盖场景倾向于采用低频高功率宏基站组网,利用低频 通信无线衰落小的传播特性以及宏蜂窝大功率的设备特性,提供广覆盖服务; 而热点高容量场景显然更强调网络容量,以满足高密度用户的需要,在具体部 署时也更倾向于采用高频低功率节点密集组网,单个节点覆盖用户少,控制面 带宽需求相对较低。如果沿用控制与转发面紧耦合的设计,在连续广覆盖场景 下,为了改善覆盖而增加的宏基站,就有相当一部分资源浪费在用户面的扩容 上,反之,在热点高容量场景下的基站扩容,就有相当一部分投资浪费在控制面。 同时,由于缺少一个整体集中的控制面管理,网络整体优化的难度也较大。
第三,精细化业务控制需求。4G 网络架构虽然引入了 PCRF 这一网元,使 运营商可以基于 QoS 机制提供用户查分服务和业务的差异化服务,但用户数据 从 P-GW 到 eNodeB 的传输仅能根据上层传递的 QoS 参数转发,难以深入分 析和挖掘用户业务特征,导致难以实施更为灵活和精确的路由控制。
第四,网络开发能力问题。可以预见,在 5G 时代,随着业务流量和终端密 度的双重提升,运营商在不断降低网络建设和运营成本的同时,也将向物联网 和垂直行业延伸,以进一步拓展自身的盈利能力。而现有网络的开放能力非常 有限,网络缺乏对外开放的接口,无法实现与第三方业务需求的友好对接。
第五,跨厂商设备兼容性需求。基于运营策略和业务需求,运营商通常跨 厂商采购网络设备,而各厂商的设备基本上是基于专用设备定制开发的。这样, 不仅跨厂商互通问题只能严格依赖国际化标准手段解决,而且运营商也很难将 不同厂商的网络设备进行功能合并,网络可拓展性极其受限。
综上,5G 网络架构的设计需要实现转发分离化、部署分布化、网络虚拟化 和功能模块化,遵循灵活、高效、智能、开放的原则。灵活,指根据不同业务需 求构建以用户为中心的组网,支持多种接入技术融合;高效,指简化状态、信令, 同时使网络具有更低的传输成本,且易于拓展;智能,指网络能够实现资源的自 主分配和自动调整、组网的主自配置和自动优化;开放,指网元能够突破软硬件 紧耦合的限制,网络能力可向第三方开放,以支持新业态的打造,创新盈利点。
简而言之,对于 5G 接入网,要设计一个满足多场景的以用户为中心的多 层异构网络,以支持宏微结合,统一容纳多种接入技术,提升小区边缘协同处 理效率,提高无线和回传资源利用率。对于 5G 核心网的设计,一方面要将转 发功能进一步简化和下沉,将业务存储和计算能力从网络中心下移至网络边缘, 以支持高流量和低时延业务要求,以及灵活均衡的流量负载调度功能;另一方 面也要更高效地实现对差异化业务需求的按需编排功能。
3.2.2 5G 网络架构解析
在 5G 逻辑架构的设计上,我们遵循先继承、后创新的思路,参照现有成熟 的 LTE 网络架构,引入 SDN 和 NFV 等关键技术对网络功能进行解析和重构,以 逐步适应 5G 架构的演进需要。关于 SDN、NFV 等关键技术将在后面章节中介绍。
为了简化,我们选取的参考架构是 LTE 的非漫游网络架构。漫游网络架构 的原理与非漫游网络架构的原理基本相同,只是表述上略微复杂,这里不做论述。
我们将 LTE 非漫游网络架构从逻辑上划分为 3 个部分,如图 3-4 所示。 第 1 部分是 LTE,为了满足网络的后向兼容性所引入的,在此不做赘述。第 2部分是接入网,接入网(空口)的演进几乎是历代移动通信网络架构演进中最 为关键的部分。第 3 部分是核心网,出于对现有网络架构缺点的把握和对技术 成熟度的考虑,我们优先聚焦该部分的重构。
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第 1 步,为了解决控制与转发分离不彻底的问题,我们首先对兼具控制和 转发功能的网关进行解耦。LTE 架构中 S-GW 和 P-GW 实际上支持物理网 元功能合一的部署,在逻辑上我们可以将其视为统一的 SAE-GW,然后引入 SDN 技术进行网络功能解耦,用户面功能由新定义的网元 UPF 承载,控制面 功能则交由新网元 SMF 进行统一管理。相应地,我们将原本已是纯控制面网元 的 MME、HSS 和 PCRF 分别定义为 AMF、UDM 和 PCF,但对网元的实际功 能只做微小的变更或整合。网络重构的第 1 步如图 3-5 所示。
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第 2 步,为了满足网络资源充分灵活共享的需求,实现基于实际业务需求 的网络自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等,我们引入 NFV 对网络功能进 行虚拟化。因此,我们定义新网元 NF 以适应新的需要。考虑到 NF 面向的是 用户差异化的服务,我们将其置于网元 PCF,并定义新的接口以便 NF 能够按 需获取 PCF 的策略控制等参数。网络重构的第 2 步实现效果如图 3-6 所示。
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第 3 步,我们要将业务平台下沉到网络边缘,为用户就近提供业务计算和 数据缓存能力,实现网络从接入管道向信息化服务使能平台的关键跨越。因此, 我们增强 UDM 的功能,以承担业务平台下沉后相应的数据管理工作。同时, 引入网元 AUSF 承担数据访问的鉴权和授权工作。此外,考虑到 5G 面向的是 极端差异化的业务场景,传统的“竖井式”单一网络体系架构无法满足多种业 务的不同 QoS 保障需求,我们还需引入网元 NSSF 以实现网络切片选择的功能, 使网络本身具备弹性和灵活扩展的能力。为了便于观察和突出层次感,我们将 各个网元的摆放位置做简单的调整,但不改变其拓扑关系。第 3 步重构后的网 络架构如图 3-7 所示。
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到此,我们基本完成了核心网层面的网络重构。接下来要考虑的是第 4 步: 接入网侧的网元编排。从 1G 到 4G,无线通信系统经历了迅猛的发展,现实网 络逐步形成了包含多种无线制式、频谱利用和覆盖范围的复杂现状。在 5G 时 代,同一运营商将面临多张不同制式网络长期共存的局面。如何高效地运行和 维护多张网络、减少运维成本是需要解决的重要问题。因此,多网络融合也将 成为 5G 网络架构设计的不可规避的考虑因素。对此,我们改变原有网络单一 的 eNodeB 接入形式,对接入网侧做进一步的优化和增强。我们定义新的网元 为(R)AN,以表示接入侧不再是单一的无线接入,而是固移融合。经过第 4 步重构后,网络图示如图 3-8 所示。
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第 5 步,我们将为各个网元间的逻辑连接定义接口,如图 3-9 所示。值得 重点注意的是,终端 UE 和 AMF 实体之间的直线和新定义的 N1 接口,必然将 使低时延、高可靠、超密连接等 5G 愿景变得更加触手可及。
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经过网络重构五步走,我们得到了一张全新的 5G 非漫游网络架构图,即 3GPP 所确定的 5G 网络逻辑架构,该架构包含以下主要网元。
接入和移动性管理功能(AMF,Access and Mobility Management Function)
单元负责控制面的注册和连接管理、移动性管理、信令合法监听以及上下文安 全性管理等。相比于 MME,AMF 将漫游控制、承载管理以及网关选择等功能 剥离出去。可以说,AMF 就是“瘦身版”的 MME。
会话管理功能(SMF,Session Management Function)单元相当于是 MME 以及 SAE-GW 控制面经过业务整合后成立的多专业“子公司”,主要负 责会话管理,包括会话的建立、变更和释放,以及 AN 节点和 UPF 间的通道维 持等。SMF 同时也继承了 MME 的漫游控制功能、UPF 选择和控制功能,以 及继承了原属于 SAE-GW 的 UE-IP 地址分配等功能。
用户面功能(UPF,User Plane Function)单元保留了 SAE-GW 的数据 转发功能,包括本地移动性锚点、包路由和转发、上下行传输级包标记、包过 滤和用户面策略控制功能执行等。UPF 并无自主经营权,而是忠实地执行来自 SMF 的政策干预和统筹调度。
策略控制功能(PCF,Policy Control Function)单元支持统一的策略框 架以管理网络行为,一方面结合自定义信息做出决策并强制控制面执行,另一 方面也为前端提供了连接用户数据库以获取订阅信息的渠道。PCF 在网络中的 地位与 4G 网络中的 PCRF 几乎相同。
统一数据管理(UDM,Unified Data Management)实体包含两个部分, 即应用前端和用户数据管理器。应用前端负责凭证处理、位置管理和订阅管理 等;而用户数据管理器根据应用前端的需求,相应地进行用户订阅数据的存储, 具体包括订阅标识、安全认证、与移动性相关的订阅数据、与会话相关的订阅 数据等。其作用相当于 4G 架构中 HSS 的增强版。
认证服务器功能(AUSF,Authentication Server Function)单元最主要 的功能是认证和鉴权。作为网络准入的裁决者,AUSF 对通过 AMF 来访的 UE 进行认证,认证通过的 UE 可凭借 AUSF 授权的专用密钥实现数据访问和获取。
网络切片选择功能(NSSF,Network Slice Selection Function)单元主 要功能是根据网络配置,为合法的 UE 选择可提供特定服务的网络切片实例。 NSSF 实现网络切片选择的机制是,通过切片需求辅助信息的匹配,为 UE 选 择一个或一组特定的 AMF 提供的网络服务。
应用功能(AF,Application Function)单元通过与核心网交互对外提供 专用服务。值得注意的是,AF 是运营商自行部署的受信任的应用,可直接访问 网络的相关应用功能,无须经过其他外部接口。
如图 3-10 所示,总体来看,5G 网络架构清晰地呈现出控制面、转发面、接 入面分离的特点,这与 IMT-2020 推进组提出的“三朵云”5G 网络架构思想契合。
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如图 3-11 所示,“三朵云”5G 网络将是一个可依业务场景灵活部署的融 合网络。控制云完成全局的策略控制、会话管理、移动性管理、策略管理、信 息管理等,并支持面向业务的网络能力开放功能,实现定制网络与服务,满足 不同新业务的差异化需求,并扩展新的网络服务能力。接入云将支持用户在多 种应用场景和业务需求下的智能无线接入,并实现多种无线接入技术的高效融
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合,无线组网可基于不同部署条件要求,进行灵活组网,并提供边缘计算能 力。转发云配合接入云和控制云,实现业务汇聚转发功能,基于不同新业务的 带宽和时延等需求,转发云在控制云的路径管理与资源调度下,实现增强移动 宽带、海量连接、高可靠和低时延等不同业务数据流的高效转发与传输,保证 业务端到端质量要求。“三朵云”5G网络架构由控制云、接入云和转发云共同 组成,不可分割,协同配合,并可基于SDN/NFV技术实现。

| 3.3 无线接入网架构 |

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