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(duì)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(duì)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(píng)指正。
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(lái)5G核心網(wǎng)應(yīng)該而且只有克服EPC的這些缺陷，才能面對(duì)越來(lái)越多樣化的需求，從而實(shí)現(xiàn)廣泛而長(zhǎng)久的應(yīng)用。
為了滿足各種各樣新的服務(wù)需求，未來(lái)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(duì)于固定接入和各種各樣的無(wú)線接入，核心網(wǎng)應(yīng)該具有匯聚功能，從而保證接入無(wú)關(guān)。保證接入無(wú)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(zhǎng)、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(duì)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(jiǎn)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(lái)更好的資源利用率。
針對(duì)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(wú)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)路徑的最優(yōu)化。
接下來(lái)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(duì)未來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(duì)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(wú)關(guān)的含義。
5G接入無(wú)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(wú)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(duì)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(lái)越來(lái)越多的服務(wù)場(chǎng)景。為了應(yīng)對(duì)各種各樣新出現(xiàn)的使用場(chǎng)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(lái)產(chǎn)生一個(gè)合適的處理程序(合適的非接入層信令)(參照?qǐng)D3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(chǎng)景和服務(wù)類型，隨著未來(lái)的發(fā)展，會(huì)出現(xiàn)更多我們沒有預(yù)知的使用場(chǎng)景，這對(duì)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(yíng)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(lái)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�？傊�，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)！
以上介紹的幾個(gè)方面都是4G向5G演進(jìn)中需要考慮的問題，表1對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)要的歸納和整理。本文介紹的幾個(gè)方面也僅僅是宏觀的一些研究方向，具體的實(shí)現(xiàn)方式尚待進(jìn)一步的研究和行業(yè)規(guī)范的制定。
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本文標(biāo)題：淺談對(duì)5G核心網(wǎng)演進(jìn)方向的幾點(diǎn)展望
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