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深度技术剖析长文:5G核心网与接入网的演进

2019-07-26 14:24
来源: 中移物联

二、5G接入网

图4  5G接入网无线协议栈结构示意图

移动的云引擎是无线接入网一系列RAN功能的云化组合,其中的关键是软硬件解耦,各功能网元可部署在通用的COTS上,从而实现NFV架构,达到资源池化、弹性、可伸缩性等云化特征。简单的来说就是将各网元以软件包的形式安装到一在云服务器上。

为了进一步提高5G移动通信系统的灵活性,接入网不再是由BBU、RRU、天馈系统组成了,而是被重构为3个功能实体——CU、DU、AAU:

o CU(CentralizedUnit,集中单元):原BBU的非实时部分将分割出来,重新定义为CU,负责处理非实时协议和服务;

o DU(DistributeUnit,分布单元):BBU的剩余功能重新定义为DU,负责处理物理层协议和实时服务;

o AAU(Active AntennaUnit,有源天线单元):BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为AAU。

AN有两种:

o gNB,为UE提供NR用户面和控制面协议终结点;

o ng-eNB,为UE提供E-UTRA的用户面和控制面协议的终结点。

一般来说一个gNB-DU只连接一个gNB-CU。但是为了实现的灵活性,每个gNB-DU也可能连接到多个gNB-CU。gNB CU中的控制面和用户面是分离的,一般只有一个CP,但是允许有多个UP。需要注意的是,gNB-CU及连接的若干gNB-DU是作为一个整体逻辑gNB对外呈现的,且只对其他的gNB和所相连的5GC可见。

图5  4G向5G网络演进接入网结构变化图

DU和CU共同组成gNB,每个CU可以连接1个或多个DU。CU和DU之间存在多种功能分割方案,可以适配不同的通信场景和不同的通信需求,由此带来的好处如下:

o 对现有RAN架构进行分离可以有效降低前传带宽的需求;

o RANCU内部的移动性不可见,从而降低CN的信令开销和复杂度;

o 采用CU将控制协议和安全协议集中化后,CU的出现更加适应NFV的架构实现Cloud RAN,增加了RAN侧的功能扩展性。

三、5G核心网

△5G系统服务架构△

△非漫游5G系统架构参考点△

图6  5G核心网网络架构

表1 5G核心网网络功能

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

SBA

SBA(ServiceBased 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,将设备功能“打散”。

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。

核心网功能模块化,包括控制面及用户面,以库的方式调用,控制面功能模块包括移动性管理、策略控制、用户数据、会话控制等等,用户面功能模块包括话单、转发、业务感知、数据优化等等,这些功能模块就是被“打散”后库的内容,网络根据不同的需求做功能的裁剪和选择。简单的来说,微服务就是指将Monolithic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。

基于这样的设计理念,传统网元先转换为网络功能(NF),然后NF再被分集为多个“网络功能服务”。

那么,SBA其实也就是网络功能服务和基于服务的接口的组合体。

CUPS

CUPS(Controland 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DirectTunnel技术将控制面和用户面分离,在3GRNC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,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。

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,由于物理距离受限,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。

图7  数控分离演进路线

       网络切片

5G服务是多样化的,包括车联网物联网、远程医疗、VR/AR等,网络能力面临众口难调的局面,因此需要把网络切成多个虚拟且相互隔离的子网络,分别服务于不同的业务。

因为需求多样化,所以要网络多样化;因为网络多样化,所以要切片;因为要切片,所以网元要能灵活移动;因为网元灵活移动,所以网元之间的连接也要灵活变化。

图8  5G网络切片应用示意图

所以,把网络拆开、细化,就是为了更灵活地应对场景需求。切片,简单来说,就是把一张物理上的网络,按应用场景划分为N张逻辑网络。不同的逻辑网络,服务于不同场景。不同的切片,用于不同的场景,网络切片,可以优化网络资源分配,实现最大成本效率,满足多元化要求。

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