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浅谈对5G核心网演进方向的几点展望

2017/4/12    来源:微信公众号wx928579866    作者:李子姝      
关键字:5G核心网  4G  
最近读到一篇关于5G核心网的论文《Revolutionary Direction for 5G Mobile Core Network Architecture》,其中对于从4G到5G的演进提出了很多指导性的建议和展望,读完后感觉受益良多,于是整理其中很多有参考价值的观点并结合自己的一些体会写下这篇文章,希望对初学者有所帮助。理解不到位以及表述不清之处,欢迎批评指正。
    最近读到一篇关于5G核心网的论文《Revolutionary Direction for 5G Mobile Core Network Architecture》,其中对于从4G到5G的演进提出了很多指导性的建议和展望,读完后感觉受益良多,于是整理其中很多有参考价值的观点并结合自己的一些体会写下这篇文章,希望对初学者有所帮助。理解不到位以及表述不清之处,欢迎批评指正。
 
    关于4G核心网EPC的局限性,在之前的两篇文章《网络切片——5G前行的助推器》和《之于5G——浅谈SDN和NFV》中已经有了详细的阐述,此处不再赘述。毋庸置疑的是,未来5G核心网应该而且只有克服EPC的这些缺陷,才能面对越来越多样化的需求,从而实现广泛而长久的应用。
 
    为了满足各种各样新的服务需求,未来5G核心网架构的设计必须要解决以下几个现存的挑战:
 
  • 核心网接入独立:对于固定接入和各种各样的无线接入,核心网应该具有汇聚功能,从而保证接入无关。保证接入无关可以降低终端接入系统的复杂性和低效性,以及减少功能冗余。

  • 分布式架构:分布式架构可以提高网络资源利用率,避免数据转发低效率、单点失效、RTT时延长、流量超载等问题。

  • 控制平面和用户平面完全分离:核心网络应该通过开放式接口将数据平面和用户平面完全分离,这样有利于双方各自的独立演进和按需部署。

  • 轻量级的信令支持:对于IOT(Internet Of Things)等服务,核心网应该支持轻量级的信令传输,并且简化相关协议。

  • 高效的移动性管理:高效的移动性管理会带来更好的资源利用率。
 
    针对这些待解决的问题,图1所示的5G核心网架构可以被加以参考。
 
  浅谈对5G核心网演进方向的几点展望
 
    从层次概念上划分,该架构可以分为异构接入网络和统一核心网络5GC。
 
    异构接入网络包括各种各样的接入技术,比如4G接入、5G接入、WIFI接入等。
 
    统一核心网络5GC由以下实体组成:
 
  • CGW(Converged Gateway):聚合路由器,负责用户平面功能,包括接入网络数据包路由、用户平面QoS管理和移动性管理。

  • eUCE(edge Unified Control Entity):和UCE一起负责控制平面功能,包括:用户终端认证和授权、用户终端IP分配,CGW选择、用户终端会话管理、多种无线接入技术(RAT)之间的协调,以及在一个CGW下的多个接入网络的移动性管理。

  • UCE(Unified Control Entity):负责多个CGWs之间的移动性管理和数据路径的最优化。
 
    接下来讨论该架构是如何解决上面提出的亟待解决的挑战的,相信对未来5G核心网的设计会具有不错的借鉴意义。
 
    (1)控制平面和用户平面的完全解耦
 
    在图1所示架构中,控制平面功能被放置在eUCE和UCE中,用户平面功能被放置在CGW中。用户平面和控制平面之间采用开放接口来提供基本的可伸缩性和灵活性,有了开放式接口的支持,在此基础上利用虚拟化技术进行网络切片也是非常方便的。
 
    将两个平面完全解耦之后,数据转发采取IP模式,可以使用IP流模板(比如IP头部五元组)来替代传统的GTP进行数据流交付,因此,xBS和CGW可以基于接收到的IP数据包的头部五元组来进行路由和QoS控制。
 
    (2)分布式网络架构
 
    分布式架构的引进主要用来克服传统EPC下流量路径低效率和单点失败的缺陷。通过将CGWs和eUCEs放置在IP网络的边缘,5GC可以提供高效的流量路径,最小化信号时延,为移动边缘计算提供更好的支持。
 
    在传统的异构网络架构下,流量会被汇聚到一个锚点中,而在未来的5G分布式架构下,流量会被更灵活地进行分布式处理,这会将吞吐量提高至当前的数千倍!
 
    (3)接入独立网络
 
    在未来的5G中,各种装置会使用多种不同的接入方式通过多种接口同时接入网络。5G核心网应该同时满足使用5G接入、4G接入、wifi接入点接入等多种接入技术的接入,以增加用户的吞吐量,而不是针对每一种接入技术大费周章建立一个独立的核心网络,这就是5G接入独立/接入无关的含义。
 
    5G接入无关的实现必须仰仗于非接入层(Non-Access Stratum,NAS)信令的设计,即应该保证这些基本的NAS信令能统一应用于各种接入技术。同时,信令的产生应该本着轻量级的设计原则按需产生,所谓的需求包括认证和授权(AAA)、移动性管理(MM)、IP地址分配(Address)、会话管理(SM)等等。这些信令由UE端产生,通过用户或者5G核心网选择的接入网络传输到eUCE端。图3给出了一个按需产生的非接入层信令框架。
 
    浅谈对5G核心网演进方向的几点展望
 
    在论文《Access independent mobile core》中介绍了接入无关的具体实现,有兴趣的读着可以阅读参考,如果有机会我也会对这部分做进一步调研和总结。
 
    (4) 按需NAS
 
    在LTE中先建立承载通道再进行数据传输的这种基于连接的方式将不再适用于处理未来越来越多的服务场景。为了应对各种各样新出现的使用场景,5G核心网的信令机制应该基于按需NAS的概念进行扩展。每当用户发起一个会话,就会自动根据用户需要使用的服务来产生一个合适的处理程序(合适的非接入层信令)(参照图3上部的按需求组合产生的三种不同的信令)。
 
    这种机制可以增强网络的灵活性,降低网络的信令开销,同时支持低时延服务。但是其实这种机制存在一种问题,我们现在只是能够概括出现阶段可以想象出的使用场景和服务类型,随着未来的发展,会出现更多我们没有预知的使用场景,这对于这种已知服务类型构造NAS信息的机制是一个很大的挑战。
 
    (5) 动态锚机制
 
    浅谈对5G核心网演进方向的几点展望
 
    EPC下移动性管理采取的是静态锚机制,所有的移动终端都是通过一定数量的PGW与运营商网络相连的,当用户移动到较远距离的位置时,这些处于服务状态的PGW状态在短时间内并不会发生改变,这种机制会造成流量路径效率低下的问题。在5G中应该基于分布式移动性管理引进动态锚机制。如图4,用户在CGW1上建立了一个会话session1,eUCE会为其分配一个IP地址,如果用户移动到CGW2的范围之内,UE将会为CGW1保留这个IP地址以防用户重新返回到session1中。但是如果用户已经开始在CGW2 上发起一个新的会话session2,UE将会被分配一个新的IP地址来改变其本地地址。
 
    5GC中eUCE负责网关内交付,UCE负责网关间交付,eUCE会动态地将流量路径信息发送给BS和CGW。总之,从EPC向5GC的演进,必然要完成从静态管理到动态管理的演进!
 
    浅谈对5G核心网演进方向的几点展望
 
    以上介绍的几个方面都是4G向5G演进中需要考虑的问题,表1对其进行了简要的归纳和整理。本文介绍的几个方面也仅仅是宏观的一些研究方向,具体的实现方式尚待进一步的研究和行业规范的制定。
 
责任编辑:李欢
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