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。