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  • 关键核心技术的重要性
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    2020-12-20 23:18:01

    5G核心网关键技术分析

    陈莉

    辽宁邮电规划设计院有限公司,辽宁 沈阳 110179

    摘要:5G核心网相对于4G网络在架构、功能、业务能力提供方面有较大的革新,引入了新的关键技术如SBA、支持边缘计算、支持网络切片等,本文重点研究5G核心网与传统移动网络不同的全新架构和技术特征,对这些关键技术的应用场景和发展进行分析展望。

    关键词:5G核心网、SBA、虚拟化、切片、NFV

    引言

    移动核心网从4GEPC演进到5GC,在网元形态、网络架构、信令协议、业务能力等方面发生了较大的变化。5G核心网基于NFV的核心架构,控制平面借鉴了IT系统中服务化架构,支持网络切片和边缘计算,本文首先介绍了5G核心网的架构及特点,接着重点研究分析5G核心网的关键技术和应用分析,最后对5G核心网未来进行展望。

    1 5G核心网架构

    与4G网络相比,5G网络变革主要包括SBA(service-basedarchitecture)架构、CP/UP(控制平面与用户平面)分离、网络切片、支持边缘计算等多个方面。3GPP标准5G网络SBA架构如图所示

    图15G核心网架构示意图

    2 5G核心网关键技术

    2.1 NFV技术

    NFV的本质是实现软硬件资源的解耦及软件功能的抽象,依托于标准化的服务器、存储及网络设备等通用基础设施资源,利用虚拟化技术实现各种网络功能,来替代通信网络中的专用、封闭的网元。NFV体系通过分层解耦的模式将5G网络中服务化模型的各个网元功能,以APP的模式在统一的云化基础设施上运行,借助MANO还可以快速实现5G网络切片的功能,通过与传统网管的融合,提供集约运维和智能管理手段。

    2.2服务化架构

    5G核心网采用服务化架构(SBA,ServiceBasedArchitecture)进行设计,实现了网络功能的灵活组合、业务的敏捷提供。5G核心网借鉴了软件架构基于微服务进行组织的理念,通过模块化实现网络功能间的解耦和整合,解耦后的网络功能(服务)可以独立扩容、独立演进、按需部署;各种服务采用服务注册、发现机制,实现了各自网络功能在5G核心网中的即插即用、自动化组网;同一服务可以被多种NF调用,提升服务的重用性,简化业务流程设计。

    目前5G核心网服务化架构的接口协议栈与传统移动核心网的协议相比,变得更加复杂。用同样的硬件来实现的话,其性能相对传统协议是下降的,因此需要通过高性能的云资源来抵消接口性能的损失。对于服务化架构的自动化组网能力,还有待进一步完善,在实际网络部署和运营中仍需要注意

    2.3控制和转发分离

    目前4GEPC核心网的网关采用S-GW与P-GW合设的设备,S-GW/P-GW一般集中部署在省会不同局址的机房,形成ServingArea覆盖全省的业务。用户终端发起移动互联网业务后,通过eNodeB接入到运营商的IP承载网,业务流量在省会汇聚后接入到S-GW/P-GW中,再由其转出移动网,实现用户访问互联网业务。而5G核心网采用控制平面与用户平面完全分离的架构,这种架构的优势是控制平面功能模块可以集中部署在省会或区域中心的云平台上,对转发平面的资源进行调度,用户平面网络功能模块则可以根据需要采用集中方式或者分布式方式灵活进行部署。当用户平面功能下沉到边缘数据中心(边缘DC)时,可实现本地流量分流,并降低端到端时延。

    现有移动核心网网关设备既包含流量转发功能,也包括部分控制功能(信令处理和业务处理),控制功能和转发功能之间是紧耦合关系。5G核心网实现了控制与转发的彻底分离,网络向控制功能集中化和转发功能分布化的趋势演进,控制和转发功能分离后,控制面采用逻辑集中的方式实现统一的策略控制,保证灵活的移动流量调度和连接管理,同时减少了北向接口,增强了南向接口可扩展性。转发面将专注于业务数据的路由转发,具有简单、稳定和高性能等特性,便于灵活部署以支持未来高带宽、低时延业务场景需求。

    2.4网络切片

    5G网络需同时支持eMBB、uRLLC、mMTC等完全不同的业务场景,网络切片是5G网络的重要使能技术,使得5G网络实现了基于不同的业务类型、业务场景按需来定制网络,以满足不同的业务场景的需求。5G核心网采用NFV/SDN技术,使得5G核心网的网络功能与硬件平台解耦,使得网络进一步微服务化,形成不同的网络功能模块,将这些网络功能模块进行组合可形成面向不同业务场景和需求的特定的网络切片。网络切片包括接入网络、IP承载网和核心网络(控制平面和用户平面),网络切片之间可以做到共享资源或者是相互隔离。网络切片的核心网控制平面采用服务化的架构,用户平面则可以根据业务对转发性能的要求进行灵活部署。3GPP定义的网络切片管理功能包括通信业务管理、网络切片管理、网络切片子网管理。其中通信业务管理功能实现业务需求到网络切片需求的映射;网络切片管理功能实现切片的编排管理,并将整个切片的SLA分解为切片子网的SLA;网络切片子网管理功能实现将SLA映射为网络服务实例和配置要求,并将指令下达给MANO,通过MANO进行网络编排。

    网络切片的选择过程中,通过NSSF与NRF可以有效地增加5G网络的功能,可以满足网络切片之间的相关功能。网络切片选择协助信息(NSSAI),其属于签约性信息,可以标识特定的网络切片,通过终端携带处理,UE可以通过NSSAI实现RAN以及CN网络切片的选择。

    2.5支持边缘计算

    相比于4G核心网对边缘计算(EdgeComputing)支持能力不足而带来种种问题,5G核心网在架构中就考虑了支持边缘计算需求,在网络层面和能力开放层面都支持边缘计算。在网络层面,5G核心网支持多种灵活的本地分流机制、支持移动性、支持计费和QoS以及合法监听。在能力开放层面,5G核心网支持APP路由引导、支持对未网络及用户的信息获取和控制。对5GMEC来说,5GC(5G核心网)通过UPF(用户面功能)的灵活部署能力支撑MEC。

    结束语

    随着5G网络标准的冻结,现各个运营商都在积极开展5G网络建设,5G核心网作为5G网络的建设的关键,事关未来5G多业务的发展需求,其中网络切片以及边缘计算也是5G业务应用的关键技术,未来的应用场景会更丰富全面,也是后续需要持续研究的技术之一。

    参考文献:

    [1]、5G核心网前沿报告(2019年中国通信学会);

    [2]、聂衡,5G核心网关键技术研究,移动通信,2019年第1期

    作者简介:陈莉硕士研究生、现就职于辽宁邮电规划设计院有限公司,专业技术副总工。

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    image-20201219153551001

    本文源自对华天软件CTO梅敬成博士视频分享的总结

    一、发展历程

    三维CAD起源于高端制造业的需求,例如航天、航空和汽车。
    在这里插入图片描述

    (1)什么是参数化设计?

    无论多么复杂的几何模型,都可以分解成有限数量的构成特征,每个构成特征则又可以用有限的参数完全约束,这是参数化设计的基本前提。

    根据1994年邹定国《参数化设计》中的定义:参数设计是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法。这些重要的几何参数包括控制形体大小的尺寸和定位形体的方向矢量等。

    从技术层面来讲,三维几何建模引擎的出现让参数化设计成为可能,它使得图形的修改变得非常容易。那么,参数化设计解决了什么样需求呢。当我们的产品设计经过反复论证后,大致构造已经基本确定了,我们希望把这个产品做成一个系列,以后的产品可以直接在它的基础上迭代,提高建模效率,于是将模型设计中的定量数据变量化就成了一个有效的方式。
    参数化技术的关键点之一在于约束。约束可分为几何约束工程约束,其中几何约束包括了结构约束(平行、垂直、重合、相切、对称等)和尺寸约束(距离、半径、角度等);而工程约束是指尺寸之间的约束关系,通过定义它们在数值或逻辑上的关系来表达。
    在这里插入图片描述

    上图是实现参数化设计的方法之一,由于每个建模软件的关注点不同,参数设计方法也有所不同,但大致可以分为两类,一是人机交互法,见下图;二是直接编程法,借助软件API接口进行二次开发实现参数化。每款软件可以同时支持以下多种设计方法。例如,CATIA软件中草图的参数化是通过代数求解法来实现的,而其他参数化过程是采用基于构造过程的构造法来完成的;Revit中则支持代数求解法和辅助线法。

    (2)什么是基于特征的参数化建模?

    传统CAD系统只能表达产品几何信息,没有语义和功能信息,换句话说,就是计算机不认识你的模型,它不知道哪个是盲孔,哪个又是螺纹,因为对它来说都是一堆无意义的几何元素罢了。这样的话,模型交付到制造商那,就需要进行信息再识别,人为赋予元素特定的含义,流程上带来了很多不便。
    为了支持CAD与CAM的集成,就提出了特征建模的概念,这个概念里包含了三个策略:

    • 并行设计:充分考虑加工的要求,以“加工的思维”去设计,例如切削、铸造、装配;
    • 面向装配的设计:以装配的目标来指导零件设计;
    • 参数化设计

    这样一来,特征中既包括了几何信息,也有抽象的语义信息,如几何公差、粗糙度、装配和检验要求等。

    (3)什么是基于历史记录的实体建模?

    直观地来说,基于历史记录的实体建模的特征在于:左边有一个长历史树,右边有一个对应的参数化模型。基于历史记录的建模方法保存了所有构造过程,方便理解设计思路和部件之间的关联关系。而无历史记录的建模方法,只能得到一个模型结果,其好处在于使得设计人员专注于设计本身,且模型也更加轻量化。
    在这里插入图片描述

    image.png

    (4)什么又是直接建模?

    直接建模颠覆了传统CAD的建模方法,完全可以脱离鼠标和键盘使用移动设备进行设计,且有着简约的交互方式,深入贯彻了“最好的界面是没有界面”的理念,正如以下Shapr3D软件的操作过程。
    直接建模视频链接

    (5)什么是CSG和B-Rep表示法

    计算机中表示三维形体的模型,按照几何特点进行分类,大体上可以分为三种:线框模型、表面模型和实体模型。
    image.png

    如果按照表示物体的方法进行分类,实体模型基本上可以分为分解表示、构造表示CSG(Constructive Solid Geometry)和边界表示B-Rep(Boundary Representation)三大类。
    CSG建模法,一个物体被表示为一系列简单的基本物体(如立方体、圆柱体、圆锥体等)的布尔操作的结果,数据结构为树状结构。而B-Rep的一个物体被表示为许多曲面(例如面片,三角形,样条)粘合起来形成封闭的空间区域,按照体-面-环-边-点的层次,详细记录了构成形体的所有几何元素的几何信息及其相互连接的拓扑关系。
    image.png

    类别优点缺点
    CSG造型简单,易实现,可转换成其他表示方法,便于用户输入形体不能直接获取形体几何元素的信息
    B-Rep记录了实体所有几何和拓扑信息缺乏实体生成过程信息,数据存储量大

    二、核心技术及难点

    (1)三维几何建模引擎

    • 几何要素多
    • 功能多:拉伸、旋转、扫掠、放样、填充、桥接、布尔等
    • 鲁棒、精确且高效
    • 对参数化的支持:特征建模、拓朴命名
    • 兼容性、可扩展性

    (2)几何约束求解器

    包括草图中的2D几何约束求解器,装配中的3D几何约束求解器。

    • 几何欠约束系统的优化匹配
    • 几何约束冗余性判定
    • 大规模约束方程组求解

    (3)参数化机制

    • 实现草图、零件、工程图、三维标注等功能的联动
    • 应用层机制:拓朴命名、undo/redo、数据管理
    • 与“直接建模”融合

    (4)显示和渲染

    • 操作性、流畅度
    • 拾取:捕捉、导航
    • 显示技术:OpenGL、Shader
    • 系统依赖:MFC、.NET、QT

    三、发展趋势

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    原标题:5G核心网关键技术研究

    5G核心网关键技术研究

    聂衡1,赵慧玲2,毛聪杰1

    (1.中国电信股份有限北京研究院,北京102209;

    2.工业和信息化部通信科学技术委员会,北京100804)

    【摘要】下一代5G网络的核心网已经基本完成R15的规范制定,基于发布的标准对5G核心网的组网方式,一些关键技术包括服务化架构、支持边缘计算、网络切片等进行了研究,总结了5G核心网与传统移动网络不同的全新架构和技术的主要特征,分析了这些技术的应用场景以及还存在的问题,提出了相关的技术应用和研究发展建议。

    【关键词】5G核心网;服务化架构;边缘计算;网络切片

    doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.001

    文章编号:1006-1010(2019)01-0002-05

    引用格式:聂衡,赵慧玲,毛聪杰. 5G核心网关键技术研究[J]. 移动通信, 2019,43(1): 2-6.

    1引言

    目前国际标准组织已经基本完成5G核心网标准(3GPP R15)的制定,标准已经覆盖了5G核心网的基本特性,可以满足5G三大基础场景之一的eMBB(enhanced Mobile Broadband,增强的移动宽带)场景[1]。R15的5G核心网涉及到的标准化包括:网络切片、服务化架构、支持能力开放、支持边缘计算、接入和移动性管理、会话管理、用户面管理、会话与业务连续性、QoS模型、策略框架、支持不可信的非3GPP接入、支持IMS、SMS over NAS服务、4G/5G互操作与演进、认证框架、计费等。5G核心网采用了与传统移动网络不同的全新架构和技术,开启了传统电信网络向IT技术全面重构的第一步,并且与行业深度融合,满足垂直行业终端互联的多样化需求。

    本文研究和分析了5G核心网的关键技术,提出了相关的技术和网络发展建议,可以为未来部署5G通信网络来发展各种业务提供技术支撑。

    25G核心网的整体架构

    5G核心网架构为用户提供数据连接和数据业务服务,基于NFV和SDN等新技术,其控制面网元之间使用服务化的接口进行交互。5G核心网系统架构主要特征如下:

    (1)承载和控制分离:承载和控制可独立扩展和演进,可集中式或分布式灵活部署;

    (2)模块化功能设计:可以灵活和高效地进行网络切片;

    (3)网元交互流程服务化:按需调用,并服务可重复使用;

    (4)每个网元可以与其他网元直接交互,也可通过中间网元辅助进行控制面的消息路由;

    (5)无线接入和核心网之间弱关联:5G核心网是与接入无关并起到收敛作用的架构,3GPP和非3GPP均通过通用的接口接入5G核心网;

    (6)支持统一的鉴权框架;

    (7)支持无状态的网络功能,即计算资源与存储资源解耦部署;

    (8)基于流的QoS:简化了QoS架构,提升了网络处理能力;

    (9)支持本地集中部署的业务的大量并发接入,用户面功能可部署在靠近接入网络的位置,以支持低时延业务、本地业务网络接入。

    图1为非漫游情况下的5G核心网的架构(服务化方式)[2]:

    其中5G核心网涉及到的主要网元和功能如下:

    (1)AMF(接入和移动性管理功能):负责用户的接入和移动性管理;

    (2)SMF(会话管理功能):负责用户的会话管理;

    (3)UPF(用户面功能):负责用户面处理;

    (4)AUSF(认证服务器功能):负责对用户的3GPP和非3GPP接入进行认证;

    (5)PCF(策略控制控制):负责用户的策略控制,包括会话的策略、移动性策略等;

    (6)UDM(统一数据管理):负责用户的签约数据管理;

    (7)NSSF(网络切片选择功能):负责选择用户业务采用的网络切片;

    (8)NRF(网络功能注册功能):负责网络功能的注册、发现和选择;

    (9)NEF(网络能力开放功能):负责将5G网络的能力开放给外部系统;

    (10)AF(应用功能):与核心网互通来为用户提供业务。

    UPF属于用户面,除了UPF之外的5G核心网网元都属于控制面。控制面网元全部都采用了服务化架构设计,彼此之间通信采用服务化接口;用户面继续采用传统架构和接口。控制面和用户面之间的接口(N4)目前还是传统接口,控制面和无线网以及控制面与终端之间也是传统接口(N2和N1)。

    将5G核心网与4G核心网EPC进行比较,可以看出5G相比4G在基本功能如认证、移动性管理、连接、路由等方面不变,但是方式和技术手段发生了变化,更加灵活。主要体现在:移动性管理(AMF)和会话管理(SMF)分离,AMF和SMF的部署可层级分开;承载与控制分离,UPF和SMF的部署层级也可以分开;AMF和UPF根据业务需求、信令和话务流量以及传输资源灵活部署;采用服务化架构设计,网元功能进行了模块化解耦,接口进行了简化。总体上看,5C核心网的组网更加灵活,但部署灵活性也对传输、以及网络规划、网络运营管理等能力提出更高的要求。

    从无线网与核心网的关系角度看,主要的方式有两大类:SA(Standalone,独立组网)和NSA(Non-Standalone,非独立组网)。这两大类又有多种具体的无线网与核心网的组合选择(option)。对于国内运营商近期的组网选择,主要有两种:采用option2的SA,此时5G无线网(NR)与5G核心网(5GC)直接连接;采用option3的NSA,此时NR与4G核心网(EPC)连接,不需要5G核心网,终端与NR和4G无线网(eNB)采用双连接机制。如图2所示:

    option3的NSA方式核心网继续采用EPC而没有采用5GC,是5GC还没有成熟阶段的过渡方案,立足于尽快部署5G无线网络。NSA方式需要终端支持在4G和5G无线之间的双连接,这对终端也有较高的要求,并且4G和5G无线网需要同厂家部署。由于没有5GC,NSA方式在业务方面只是继承了传统的移动宽带业务。option2的SA方式采用了5GC,可以利用5GC新型的网络和业务能力,例如切片、支持边缘计算等,是5GC产业成熟阶段的目标方案。目前不同运营商对于5G商用初期采用option2的SA还是option3的NSA有各自不同的考虑,取决于5G商用的时间点、5GC的成熟度、对5G网络的业务诉求等综合因素。

    当前业界部署的EPC主要是传统设备,并不具备向云化的5GC升级的能力。从EPC向5GC演进,主要有两种方案。一种是直接在云资源池部署5GC,传统EPC随着4G用户逐步迁移到5G而退网。另一种是先在云资源池部署vEPC,满足近期4G业务发展需求,并积累云化运营经验,然后适时将vEPC升级为5GC。采用哪种方案取决于运营商自身的业务和网络发展规划,并且都需要考虑EPC与5GC/vEPC如何协同组网。

    3 5G核心网的关键技术

    3.1 服务化架构

    5G核心网的控制面采用服务化架构(SBA,Service Based Architecture)设计,借鉴IT系统服务化的理念,通过模块化实现网络功能间的解耦和整合,各解耦后的网络功能(服务)可以独立扩容、独立演进、按需部署;各种服务采用服务注册、发现机制,实现了各自网络功能在5G核心网中的即插即用、自动化组网;同一服务可以被多种NF调用,提升服务的重用性,简化业务流程设计。关键技术点如下:

    (1)服务的提供通过生产者(Producer)与消费者(Consumer)之间的消息交互来达成。交互模式简化为两种:Request-Response、Subscribe- Notify,从而支持NF之间按照服务化接口交互,如图3和4所示。

    1)Request-Response模式下,NF_A(网络功能服务消费者)向NF_B(网络功能服务生产者)请求特定的网络功能服务,服务内容可能是进行某种操作或提供一些信息;NF_B根据NF_A发送的请求内容,返回相应的服务结果。

    2)Subscribe-Notify模式下,NF_A(网络功能服务消费者)向NF_B(网络功能服务生产者)订阅网络功能服务。NF_B对所有订阅了该服务的NF发送通知并返回结果。消费者订阅的信息可以是按时间周期更新的信息,或特定事件触发的通知(例如请求的信息发生更改、达到了阈值等)。

    (2)实现了服务的自动化注册和发现。NF通过服务化接口,将自身的能力作为一种服务暴露到网络中,并被其他NF复用;NF通过服务化接口的发现流程,获取拥有所需NF服务的其它NF实例。这种注册和发现是通过5G核心网引入的新型网络功能NRF来实现的:NRF接收其它NF发来的服务注册信息,维护NF实例的相关信息和支持的服务信息;NRF接收其它NF发来的NF发现请求,返回对应的NF示例信息。

    (3)采用统一服务化接口协议。R15阶段在设计接口协议时,考虑了适应IT化、虚拟化、微服务化的需求,目前定义的接口协议栈从下往上在传输层采用了TCP,在应用层采用HTTP/2.0[3],在序列化协议方面采用了JSON,接口描述语言采用OpenAPI3.0,API的设计方式采用RESTFul。

    可以看出,目前5G核心网采用服务化架构的接口协议栈与传统移动核心网的协议相比,变得更加复杂。用同样的硬件来实现的话,其性能相对传统协议是下降的,因此需要通过高性能的云资源来抵消接口性能的损失。对于服务化架构的自动化组网,目前能力也还不完善,例如在容灾和过载控制方面和在多NRF级联方面。这都需要在标准组织进行进一步的推动和研究,在实际网络部署和运营中也需要加以注意。

    3.2 支持边缘计算

    相比于4G核心网对边缘计算(Edge Computing)支持能力不足而带来种种问题,5G核心网在架构中就考虑了支持边缘计算需求,在网络层面和能力开放层面都支持边缘计算。在网络层面,5G核心网支持多种灵活的本地分流机制、支持移动性、支持计费和QoS以及合法监听。在能力开放层面,5G核心网支持APP路由引导、支持对未网络及用户的信息获取和控制。对于本地分流机制,5G核心网支持如下几种:

    (1)上行分类器UL-CL(Uplink Classifier):可以基于目的地址进行本地分流UL-CL的机制如图5所示。

    根据边缘计算业务需求,当UE移动到某个位置时SMF插入本地的UPF进行分流,UPF根据SMF下发的分流规则(Uplink Classifier)过滤上行数据包IP地址,将符合规则的数据包分流到本地DN。UL-CL机制下UE只有一个IP地址,不感知数据分流,对UE没有特别要求。

    (2)IPv6多归属(IPv6 Multi-homing):基于源地址进行本地分流IPv6 Multi-homing的机制如图6所示:

    此机制利用了IPv6多归属的特性,将UE的一个IPv6地址用于边缘计算业务。SMF根据UE位置选择本地的共同UPF(Branching Point)进行分流,不同的IP锚点通过这个Branching Point UPF实现用户面路径的分离。Branching Point UPF根据SMF下发的分流规则过滤上行数据包源IP地址,符合规则的数据包分流到本地DN。IPv6 Multi-homing机制下UE需要支持IPv6 Multi-homing,一个PDU会话分配两个IPv6前缀,并且UE能感知并控制数据分流。

    (3)本地区域数据网(LADN,Local Area Data Network):基于特定的DNN进行本地分流

    LADN机制与前面两种不同,需要UE建立新的PDU会话接入本地DN来用于边缘计算业务。UE在5G核心网注册成功后,AMF告知UE其LADN信息(服务区域、LADN DNN)。UE移动到LADN服务区域内时发起PDU会话,SMF根据UE的位置选择本地UPF,将会话路由到LADN。UE离开区域后SMF发起会话释放。LADN机制下UE需要支持LADN,并且能感知并控制数据分流。

    5G核心网支持边缘计算的分流机制提供了多种灵活的方式,每种方式有其特点和对网络和终端的能力要求。在提供5G网络的边缘计算服务时,需要根据技术的成熟度、终端的能力、对网络的影响、运营成本等多方面综合考虑来选择合适的方案。另外,由于边缘计算需要将5G核心网的UPF尽量下沉以满足业务时延、服务覆盖范围等要求,运营商部署边缘计算能力时需要结合自身网络设施的DC化改造进程,选择具备能力的相应层级的数据中心。

    3.3 网络切片

    网络切片是5G网络的重要使能技术,实现了基于业务场景按需来定制网络,不同的网络切片之间可共享资源也可以相互隔离。网络切片是端到端的逻辑子网,涉及核心网络(控制平面和用户平面)、无线接入网、IP承载网和传送网,需要多领域的协同配合。目前来看,核心网切片的标准相对进展更快,5G核心网网络和终端支持切片的功能、流程基本完成,但是切片管理还不完善。无线网切片由于具有一定的技术难度,业界还在进行技术和方案研究。承载网切片目前相对独立发展,缺乏与移动网跨专业间的联动/打通。

    5G切片的定制和自动化部署是通过切片管理来完成的[4],网络切片管理架构如图7所示:

    网络切片管理架构包括通信业务管理、网络切片管理、网络切片子网管理。其中通信业务管理功能(CSMF)实现业务需求到网络切片需求的映射;网络切片管理功能(NSMF)实现切片的编排管理,并将整个网络切片的SLA分解为不同切片子网(如核心网切片子网、无线网切片子网和承载网切片子网)的SLA;网络切片子网管理功能(NSSMF)实现将SLA映射为网络服务实例和配置要求,并将指令下达给MANO,通过MANO进行网络资源编排。对于承载网络的资源调度,将通过与承载网络管理系统的协同来实现。

    可以看出,切片是在NFV/SDN之上的一种业务,其运维难易程度与NFV/SDN技术的成熟度是相关的,因此需要尽快促进NFV/SDN技术的落地和运营。鉴于5G网络端到端的切片还不成熟,当前需要加强网络切片的设计、编排以及管理方面的研究,例如网络切片管理/网络切片子网管理与MANO的相互协同[5]、切片管理与OSS/BSS的融合、切片的跨专业(核心网、无线、承载)协同。由于任何UE都需要在网络切片框架下使用5G网络,在初期可以先提供简单的eMBB核心网切片,掌握5G网络的基本运营能力,然后再逐步细分切片,面向垂直市场打造行业切片,提供差异化的网络服务,充分挖掘切片的商业价值。

    4结束语

    下一代5G通信网络的核心网标准已经基本完成,本文基于发布的标准研究了5G核心网的几大关键技术和其特征,包括:服务化架构、支持边缘计算、网络切片,对SA和NSA进行了比较,分析了5G核心网关键技术特点和应用场景,并且研究了还存在的问题和限制,提出了相关的技术研究和网络发展建议,可为5G核心网技术的后续发展和完善发展、部署和运营提供参考。

    doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.001

    文章编号:1006-1010(2019)01-0002-05

    引用格式:聂衡,赵慧玲,毛聪杰. 5G核心网关键技术研究[J]. 移动通信, 2019,43(1): 2-6.

    作者简介

    聂 衡:高级工程师,硕士毕业于北京交通大学,现任职于中国电信股份有限公司北京研究院,研究方向为移动通信。

    赵慧玲:现任工业和信息化部通信科学技术委员会专职常委,信息通信网络专家组组长,中国通信学会信息通信网络技术专业委员会主任委员,中国通信标准协会网络与业务能力技术工作委员会主席,中国电信科技委常委兼核心网组负责人,国际标准组织MEF顾问董事,SDN、NFV产业联盟技术委员会副主任。

    毛聪杰:硕士毕业于北京邮电大学,现任中国电信股份有限公司北京研究院团队负责人,研究方向为移动通信。

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  • 5G的五项核心技术和5.5G相关的技术

    千次阅读 2020-12-05 15:34:50
    5G的五项核心技术 这几个领军技术包括毫米波(millimeter waves)、大规模MIMO(massive MIMO)、小基站(small cells)、全双工模式(full duplex)、波束形成(beamforming)这五个技术。5G不再单纯地强调峰值...

    5G的五项核心技术

    这几个领军技术包括毫米波(millimeter waves)、大规模MIMO(massive MIMO)、小基站(small cells)、全双工模式(full duplex)、波束形成(beamforming)这五个技术。5G不再单纯地强调峰值速率,而是综合考虑8个技术指标:峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、连接数密度、网络能量效率和流量密度。

    5G术语

    NR (New Radio)

    MIMO    Multiple-Input Multiple-Output    多输入多输出
    MUSA    Multi-User Shared Access    多用户共享接入
    NOMA    Non-Orthogonal Multiple Access    非正交多址
    OFDM    Orthogonal Frequency Division Multiplexing    正交频分复用
    OFDMA    Orthogonal Frequency Division Multiple Access    正交频分多址
    AMF(Access and Mobility Management Function)
    UPF(User Plane Function)

     

    5G定义的3大场景

    eMBB(Enhance Mobile Broadband增强型移动带宽)

    uRLLC(ultra Reliable LowLatency communication超高可靠与超低时延通信)

    mMTC(Massive MachineType communicat海量物联网通信-大规模机器通信)

    总体架构

    NG-RAN节点包含两种类型:  

    1. gNB:提供NR用户平面和控制平面协议和功能  
    2. ng-eNB:提供E-UTRA用户平面和控制平面协议和功能  

    gNB(NR节点)与ng-eNB之间通过Xn接口连接,gNB/ng-eNB通过NG-C接口与AMF(Access and Mobility Management Function)连接,通过NG-U接口与UPF(User Plane Function)连接。  

    5G总体架构如下图所示,NG-RAN表示无线接入网,5GC表示核心网。

     

     

    5G技术重要的发明

    我已经在Qualcomm工作15年以上,大部分时间从事无线工作,目睹无线技术领域的许多变化和令人惊叹的创新,但没有什么能够和5G移动网络出现的根本性转变相提并论。过去几年,我一直领导Qualcomm Research项目,致力于设计让5G愿景变成现实的新无线空口以及新的5G网络架构。目前,3GPP 5G标准化工作正有序地推进,这项工作将制定名为5G新空口(5G NR)的全球规范,我们正积极致力于5G设计,以促进并加快其发展。让5G NR变成现实非常复杂。5G NR必须满足一系列不断扩展、多种多样的连接需求,它不仅将连接人,还要在广泛的行业和服务中连接并控制机器、物体和终端。统一空口要灵活且敏捷地应用合适的技术、频谱和带宽,以此满足每个应用的需求并支持面向未来服务与终端类型的高效复用。5G NR还需要充分利用大量可用频谱监管范式和频段中的每一点频谱 — 从1 GHz以下低频带到1 GHz至6 GHz中频带和称为毫米波的高频带。这要求在我们开创3G、4G和Wi-Fi时创建的基础上进行新技术创新。这里没有定义5G的单一技术组件。相反地,5G将从诸多截然不同的技术创新中被构建。Qualcomm是发明公司。多年来我们一直在开发这些5G构建模块 — 发明正突破并且会重新定义无线边界的5G新技术。我们已开发先进的5G NR原型系统,用于测试、演示和试验5G发明。现在,我们即将迎来5G移动网络,我们的无线发明正促进3GPP全球5G NR标准的制定,这将支持从2019年开始,基于符合标准的基础设施与终端来进行大规模5G部署。我在Qualcomm Research的工作最有成就感的一个方面是,看到我们的先进系统设计和无线技术从理论开始,一直到设计、标准化、实现和最终商用。下面我们快速浏览一下正让5G NR和我们的5G愿景变成现实的五大关键无线发明。

    发明1:实现2n子载波间隔扩展的可扩展OFDM参数配置

    5G NR设计中最重要的决定之一是选择无线电波形和多址接入技术。在已经评估并且将继续评估多种方式的同时,我们通过广泛研究(一年前在Qualcomm Research报告中发布)发现,正交频分复用(OFDM)体系 — 具体来说包括循环前缀正交频分复用(CP-OFDM)1 和离散傅里叶变换扩频正交频分复用(DFT-S OFDM)2 — 是面向5G增强型移动宽带(eMBB)和更多其他场景的正确选择。由于LTE在下行链路中使用OFDM并且在上行链路中使用DFT-S OFDM,我们的研究表明,上行链路支持DFT-S-OFDM和CP OFDM具有优势,基于场景自适应切换对于DFT-S OFDM的链路预算和MIMO空间复用都有好处。最近3GPP NR第14版研究项目同意在eMBB下行链路中支持CP-OFDM并且针对eMBB上行链路DFT-S-OFDM与CP-OFDM形成互补。既然今天已经在使用OFDM,那你或许会问“进一步创新路在何方?”答案是可扩展的OFDM复频参数配置(图1)。今天,通过OFDM音调(通常称为子载波)之间的15 kHz间隔——这几乎是固定的OFDM参数配置,LTE支持最多20 MHz的载波带宽。借助5G NR,我们已推出可扩展的OFDM参数配置,它能支持多种频谱频段/类型和部署模式。例如,5G NR必须能够在有更大信道宽度(例如数百MHz)的毫米波频段上工作。我们的设计引入能够随着信道宽度而扩展的OFDM子载波间隔,当FFT为更大带宽扩展尺寸的时候,也不会增加处理的复杂性。最近3GPP已在5G NR第14版研究项目中,选定了实现子载波间隔2n扩展的可扩展OFDM参数配置。

    发明2:灵活、动态、自给式TDD子帧设计

    5G NR设计的另一个关键组件是将支持网络运营商在相同频率上高效复用构想的(和无法预料的)5G服务的灵活框架。我们针对该5G NR框架设计的关键组件是自给式集成子帧。如图2所示,通过在相同子帧(例如,以TDD下行链路为中心的子帧)内包含数据传输和后解码确认来实现更低延迟。有了5G NR自给式集成子帧,每个传输都是在一个时期内完成的模块化事物(例如,下行授权 > 下行数据 > 保护时间 > 上行确认)。除更低延迟之外,该模块化子帧设计支持前向兼容性、自适应UL/DL配置、先进互易天线技术(例如,基于快速上行探测的下行大规模MIMO导向)以及通过增加子帧头(例如,免授权频谱的竞争解决头)支持的其他使用场景 — 让该项发明成为满足许多5G NR需求的关键技术。自给式集成子帧设计(例如,TDD下行链路)

    发明#3:先进、灵活的LDPC信道编码

    连同可扩展参数配置和灵活的5G NR服务框架,物理层设计应包括可提供稳健性能和灵活性的高效信道编码方案。尽管Turbo码一直非常适合3G和4G,但Qualcomm Research已证明,从复杂性和实现角度来看,当扩展到极高吞吐量和更大块长度时,低密度奇偶校验码(LDPC)具有优势,如图3所示。此外,LDPC编码已被证明,对于需要一个高效混合ARQ体系的无线衰落信道来说,它是理想的解决方案。因此,最近3GPP选定先进的LDPC作为eMBB数据信道编码方案。

    发明4:先进大规模MIMO天线技术

    我们的5G设计还促进MIMO天线技术发展。通过智能地使用更多天线,我们可以提升网络容量和覆盖面。即,更多空间数据流可以显著提高频谱效率(例如,借助多用户大规模MIMO),支持每赫兹传输更多比特,并且智能波束成形和波束跟踪可以通过在特定方向聚焦射频能量来扩展基站范围。我们已展示5G NR大规模MIMO技术将如何在具有3D波束成形能力的基站,利用2D天线阵列开启6 GHz以下频谱的更高频段。借助快速互易TDD大规模MIMO,我们的测试结果显示,面向在3 GHz至5GHz频段工作的5G NR新部署重用现有宏蜂窝基站是可行的。全新多用户大规模MIMO设计的这些测试结果显示,容量和小区边缘用户吞吐量显著提升,这对提供更统一的5G移动宽带用户体验很关键。我们的5G设计不仅面向宏/小型基站部署支持使用3至6 GHz频段的更高频率,而且将面向移动宽带开辟24 GHz以上频段毫米波新机会。在这些高频上可用的充裕频谱能够提供将重塑数据体验的极致数据速度和容量。但是,动用毫米波伴随着一系列自身挑战。在这些更高频段上传输,遭遇高得多的路径损失并且容易受阻挡。但正如我们通过广泛测试Qualcomm Research 5G毫米波原型系统所证明的那样,参阅图4,动用毫米波频段的创想不再遥不可及。我们正利用基站和终端中的大量天线单元以及智能波束成形和波束跟踪算法展示持续宽带通信,甚至包括非视距通信和终端移动。我们在该领域的早期研发已带来首款5G调制解调器 — 将支持早期5G毫米波试验和部署的高通骁龙X50 5G调制解调器。图4:Qualcomm Research 5G毫米波原型系统在28 GHz工作。

    发明5:先进频谱共享技术

    频谱是移动通信最重要的资源,获得更多频谱意味着网络可以提供更高用户吞吐量和容量。但是频谱稀缺,我们必须寻找充分利用现有资源的创新方式。今天,我们正开创频谱共享技术,例如LTE-U/LAA、LWA、LSA、CBRS和MulteFire。5G NR设计为原生支持全部频谱类型,灵活地利用潜在频谱共享新范式,因帧结构的设计具有前向兼容性。这创造在5G中将频谱共享提升到新水平的创新机会。这些创新将提供更多可用频谱,但也通过支持可动态适应载荷工况的协作式分层共享机制提高总体利用率。为了让其变成现实,最近我们发布5G NR频谱共享原型系统(图5),推动3GPP标准化并支持影响深远的试验。图5:5G NR频谱共享支持充分利用全部频谱类型。

     

    5.5G技术

    5G定义的三大场景已经无法支撑更多样性的物联场景需求。比如工业物联的应用,既需要海量连接,又需要上行大带宽,华为提出在eMBB和mMTC之间增加一个场景,命名为UCBC,聚焦上行能力的构建;还有一类应用,既需要超宽带,也需要低时延和高可靠,华为提出在eMBB和URLLC之间增加一个场景,命名为RTBC,聚焦宽带实时交互的能力构建;最后一类场景是泛能力集,比如车联网中的车路协同,既需要通信能力,又需要感知能力,华为提出新增HCS场景,聚焦通信和感知融合的能力构建。

    这次5.5G概念的推出,目的就是进一步推动5G的发展。让原本的三大应用场景拓展成六大场景。三个新场景分别是上行能力的构建、宽带实时交互能力的构建以及通信和感知融合能力的构建。

    HCS

    HCS融合感知通信,助力自动驾驶发展

    HCS主要使能的是车联网和无人机两大场景,支撑自动驾驶是关键需求。这两大场景对无线蜂窝网络都提出,既要提供通信能力,又要提供感知能力。通过将蜂窝网络MassiveMIMO的波束扫描技术应用于感知领域,使得HCS场景下既能够提供通信,又能够提供感知;如果延展到室内场景,还可提供定位服务。

    UCBC

    UCBC上行超宽带,加速千行百业智能化升级

    UCBC场景支持上行超宽带体验,在5G能力基线,实现上行带宽能力10倍提升,满足企业生产制造等场景下,机器视觉、海量宽带物联等上传需求,加速千行百业智能化升级。同时,UCBC也能大幅提升手机在室内深度覆盖的用户体验,通过多频上行聚合以及上行超大天线阵列技术,可大幅提升上行容量和深度覆盖的用户体验。

     

    RTBC

    RTBC宽带实时交互,打造“身临其境”的沉浸式体验

    RTBC场景支持大带宽和低交互时延,能力目标是在给定时延下的带宽提升10倍,打造人与虚拟世界交互时的沉浸式体验,比如XR Pro和全息应用等。通过广义载波快速扩大管道能力,和E2E跨层的XR体验保证机制,可以有效提供大带宽实时交互的能力。

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