详解5G三大关键技术

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想必你已听说,由中国移动牵头提出的SBA构架已被3GPP确认为5G核心网基础构架,实在令人欣喜自豪。

 

但是,相对于传统核心网,这一构架变动之大,不禁让人感叹技术创新步伐之快,有点猝不及防之感。

 

5G核心网构架主要包含三大关键技术:SBA、CUPS和网络切片,在小编看来,这是最终实现化整为零、由硬变软的彻底演进。

 

 

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什么是SBA?

 

SBA(Service Based Architecture),即基于服务的架构。它基于云原生构架设计,借鉴了IT领域的“微服务”理念。

 

众所周知,传统网元是一种紧耦合的黑盒设计,NFV(网络功能虚拟化)从黑盒设备中解耦出网络功能软件,但解耦后的软件依然是“大块头”的单体式构架,需进一步分解为细粒度化的模块化组件,并通过开放API接口来实现集成,以提升应用开发的整体敏捷性和弹性。

 

为此,业界提出了基于Cloud Native的设计原则。

 

Cloud Native的使命是改变世界如何构建软件,其主要由微服务架构、DevOps和以容器为代表的敏捷基础架构几部分组成,目标是实现交付的弹性、可重复性和可靠性。

 

 

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微服务就是指将Monolithic(这个词太难传神翻译了,本文翻译成单体式应用程序)拆分为多个粒度更小的微服务,微服务之间通过API交互,且每个微服务独立于其他服务进行部署、升级、扩展,可在不影响客户使用的情况下频繁更新正在使用的应用。

 

 

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正是基于这样的设计理念,传统网元先是转换为网络功能(NF),然后NF再被分解为多个“网络功能服务”。

 

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SBA=网络功能服务+基于服务的接口。网络功能可由多个模块化的“网络功能服务”组成,并通过“基于服务的接口”来展现其功能,因此“网络功能服务”可以被授权的NF灵活使用。

 

其中,NRF(NF Repository Function,NF贮存功能)支持网络功能服务注册登记、状态监测等,实现网络功能服务自动化管理、选择和可扩展。

 

 

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CUPS

 

CUPS(Control and User Plane Separation),即控制与用户面分离。目的是让网络用户面功能摆脱“中心化”的囚禁,使其既可灵活部署于核心网(中心数据中心),也可部署于接入网(边缘数据中心),最终实现可分布式部署。

 

事实上,核心网一直沿着控制面和用户面分离的方向演进。比如,从R7开始,通过Direct Tunnel技术将控制面和用户面分离,在3G RNC和GGSN之间建立了直连用户面隧道,用户面数据流量直接绕过SGSN在RNC和GGSN之间传输。到了 R8,出现了MME这样的纯信令节点。

 

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只是到了4.5G和5G时代,这一分离的趋势更加彻底,也更加必要。

 

其中一大原因就是,为了满足5G网络毫秒级时延的KPI。

 

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光纤传播速度为200km/ms,数据要在相距几百公里以上的终端和核心网之间来回传送,显然是无法满足5G毫秒级时延的。物理距离受限,这是硬伤。

 

因此,需将内容下沉和分布式的部署于接入网侧(边缘数据中心),使之更接近用户,降低时延和网络回传负荷。

 

网络切片

 

5G服务是多样化的,包括车联网、大规模物联网、工业自动化、远程医疗、VR/AR等等。

 

这些服务对网络的要求是不一样的,比如工业自动化要求低时延、高可靠但对数据速率要求不高;高清视频无需超低时延但要求超高速率;一些大规模物联网不需要切换,部分移动性管理对之而言是信令浪费等等,为此5G要像一把瑞士军刀一样,多功能满足差异化的网络服务。

 

于是,我们就要把网络切成多个虚拟且相互隔离的子网络,分别应对不同的服务。

 

当然,这么灵活的切片工作岂是传统大块头的黑盒设备能担当的,自然要虚拟化、软件化,再将网络功能进一步细粒度模块化,才能实现灵活组装业务应用。

 

因此,3GPP就确认了由中国移动牵头26家公司提出的SBA构架为5G核心网基础构架。

 

5G系统构架

 

构架如下:

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▲5G系统服务架构

 

 

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▲非漫游5G系统架构参考点

 

 

•Authentication Server Function (AUSF)

•Core Access and Mobility Management Function (AMF)

•Data network (DN), 比如运营商服务、互联网接入和三方服务

•Structured Data Storage network function (SDSF)

•Unstructured Data Storage network function (UDSF)

•Network Exposure Function (NEF)

•NF Repository Function (NRF)

•Policy Control function (PCF)

•Session Management Function (SMF)

•Unified Data Management (UDM)

•User plane Function (UPF)

•Application Function (AF)

•User Equipment (UE)

•(Radio) Access Network ((R)AN)

 

这个5G核心网基础构架正是基于云原生的微服务构架设计原则,以模块化、软件化的构建方式来构架5G核心网,以高效执行不同服务类型的网络切片。我们看到上图中网络节点名称后面都带有Function(功能),这些功能是基于软件化的,以便动态灵活调整网络。

 

遵循控制面和用户面分离的原则,在此简单介绍一下:

 

控制面

 

控制面被分为AMF和SMF:单一的AMF负责终端的移动性和接入管理;SMF负责对话管理功能,可以配置多个。

 

基于灵活的微服务构架的AMF和SMF对应不同的网络切片...

 

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AMF和SMF是控制面的两个主要节点,配合它俩的还有UDM、AUSF、PCF,以执行用户数据管理、鉴权、策略控制等。另外还有NEF和NRF这两个平台支持功能节点,用于帮助expose和publish网络数据,以及帮助其他节点发现网络服务。

 

用户面

 

5G核心网的用户面由UPF(用户面功能)节点掌控大局,UPF也代替了原来4G中执行路由和转发功能的SGW和PGW。

 

比较一下2/3/4G核心网构架...

 

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▲简化的2G&3G网络构架

 

到了4G时代,核心网构架再次发生了变化,这一次引入了移动管理实体(MME)和分组数据网关(PGW)等网元。

 

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▲通用的LTE网络构架

 

4G核心网中的MME、SGW和PGW消失了。4G中MME的功能被分解到AMF(接入和移动管理功能)和SMF(会话管理功能)中,SGW和PGW被UPF替代。

 

 

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网络注册流程也变成了这样…

 

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从2G时代的MSC/HLR到软交换,再到4G时代引入MME和GW,总得来说,核心网一直沿着分离和软件化方向演进。

 

这一次更加彻底。传统“黑盒”硬件被解耦,网络功能软件进一步分解为微服务,以灵活构建网络功能,网络功能运行于通用COTS服务器或迁移至云,实现灵活的网络切片。总的来说,是一次化整为零、由硬变软的彻底演进。

 

传统核心网网元的物理形式从此在我们眼前消失了?

 

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▲2/3时代的核心网机房

 

2G时代,我们一走进交换机房,可以清晰的辨别出哪些设备是MSC或HLR,但是到了5G时代,它们虚拟化的存在于通用的物理/虚拟资源之中,我们或许很难通过物理特征来辨别。

 

不过,不管怎么演进,核心网的三大功能:服务管理、会话管理和移动管理始终存在。躯壳不存,灵魂犹在。

 

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