纪佳琪

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

近20年来，我国通信事业实现了从2G跟随、3G突破、4G同步到5G领跑的变化。与此同时，5G核心网络功能升级展现出高效性、灵活性等特点，可以满足更多行业在逻辑层面两两互联的要求。基于此，探究5G核心网网络架构及关键技术具有非常突出的现实意义。

1 5G核心网网络架构

从宏观上来看，5G网络架构由接入网、承载网以及核心网3个部分组成，核心网由分离的网络功能（Network Function，NF）组成[1]。NF之间的连接方式为总线，每一个网络功能接口的对外呈现方式为应用程序编程接口（Application Programming Interface，API），可以满足若干网络功能调用。相较于传统的点对点接口方式（基于专用接口的网元关联模式）来说，API接口可便捷扩展，仅需将新的网络功能挂接到总线上，整体灵活度更强。具体网络功能单元连接情况以及网络拓扑结构见图1。

图1 5G核心网网络拓扑架构

如图1所示，网络开放功能（Network Exposure Function，NEF）是5G核心网服务化功能网元，负责向第三方、外部/内部应用功能、边缘计算等开放3GPP网络业务及能力。网络存储功能（NF Repository Function，NRF）是5G核心网服务化功能网元，负责业务功能发现等功能。策略控制功能（Policy Control Function，PCF）支持通过统一的策略框架对网络行为进行管理，向控制平面提供规则。统一数据管理（Unified Data Management，UDM）负责统一数据管理，执行认证和密钥协商鉴权流程、用户标识处理、接入授权、注册及移动性管理、订阅管理等功能。应用功能（Application Function，AF）是为用户提供具体业务应用的网元，负责与核心网交互提供业务，根据PCF控制策略进行策略控制。网络切片选择功能（Network Slice Selection Function，NSSF）是5G核心网的网络切片网元，执行网络切片实例选择功能。鉴权服务功能（Authentication Server Function，AUSF）在5G核心网实施鉴权功能网元，向网络功能提供用户设备（User Equipment，UE）认证服务。接入移动管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）是5G核心网的接入管理及移动性管理网元，负责移动终端注册、连接、可达性、移动性管理，提供接入鉴权、授权等功能。会话管理功能（Session Management Function，SMF）是5G核心网的会话管理网元，实现连接管理功能，包括接入结点与用户面功能（User Plane Function，UPF）之间的连接建立、修改及通道维护。服务通信代理（Service Communication Proxy，SCP）负责为间接通信、委托发现、消息转发提供支持。UPF是5G核心网的数据承载网元，负责分组路由和转发、数据包检查、用户平面部分策略规则实施等功能。

2 5G核心网关键技术

2.1 SBA技术

服务化架构（Service Based Architecture，SBA）是5G核心网控制面建构的主要内容。相较于以往节点与节点之间层级交错的拓扑网络模式而言，基于SBA技术建构的架构可以随机经接口扩展升级，确保网络功能承担体系相同，提供的网络功能服务内容一致，且任意网络功能故障管理实现智能化。SBA技术的核心主旨是以软件服务重新构建5G核心网，实现各种网络功能在5G核心网内的自动化组网、即插即用。根据3GPP规范TS 23.501中关于SBA理念的要求，构建5G核心网SBA架构[2]。在5G核心网SBA架构中，NF取代了传统网元，传统网元间接口也被服务之间操作所代替，组件化重用效率更高。利用N1、N2、N3、N4、N6、N9等功能体之间的参考点，可以灵活调用相对独立的功能模块，甚至重用微服务模块。而基于HTTP的服务化接口（Service Based Interface，SBI）也可以同时满足请求-响应、订阅-发布通信需求，并以API的形式对外展示，最终形成兼具智能化与自动化的服务管理框架。

2.2 SCP技术

SCP是2019年3月R16版本3GPP规范新出现的5G核心网网元，从服务交互的通信类型来看，服务通信代理包括直接通信和间接通信两种。其中直接通信是绕过服务通信代理路由的通信模式；而间接通信则是经过服务通信代理路由的方式，在此模式下，因服务功能、路由功能独立存在，网络功能服务需求者需以服务通信代理路由为中介进入网络功能服务生产端，而网络服务单元则致力于对应的服务功能达成。

网络功能单元之间的服务交互通信模式又可细分为A、B、C、D。其中模式A、模式B均属于直接通信，模式C、模式D则为间接通信。模式A不通过NRF或SCP，直接路由；模式B使用NRF服务进行发现；模式C使用NRF服务进行发现，选择具体实例可以委托SCP，通过SCP路由；模式D将相关选择发现任务委托给SCP，由SCP使用服务请求中的参数，通过SCP路由。

2.3 UPF技术

UPF是由控制与用户面分离（Control and User Plane Separation，CUPS）技术演进而来的一种技术。CUPS技术是基于软件定义网络控制面与数据面分离思想构建的网络构架，可以满足5G网络毫秒级低时延需求。在CUPS应用背景下，服务网关（Serving GateWay，SGW）和PDN网关（PDN Gateway，PGW）天然合一，Sxa、Sxb、N4接口共用报文转发控制协议（Paoket Forwarding Control Protocol，PFCP）协议，可以同时满足上行分流与移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）需求，并完成4G与5G的平滑切换。同时UPF技术弥补了CUPS技术的缺陷，可以突破CUPS技术在与核心网其他功能实体交互环节存在的限制，并基于服务软件架构微服务理念，实现业务数据路由的无线接入以及移动封装/解封装。

2.4 NSSF技术

NSSF技术是一种网络切片技术，可以通过标识一个网络切片判定切片的服务类型，预期网络切片行为。同时进入切片微分器，自动选择信息补充切片服务类型，顺利区分相同切片/服务类型，完成若干网络切片。特别是在5G核心网络内，NSSF技术可以借助网络切片服务接口连接若干功能模块，提供接入及移动性管理功能、网络切片选择服务。

3 5G核心网关键技术的应用要点

3.1 SBA技术应用要点

SBA技术是产生于节点高度集成、扩展升级困难、升级错误易造成网络瘫痪背景的一种技术，强调借鉴IT系统服务化理念，以模块形式推动网络功能之间的耦合/解耦合，满足解耦合后网络服务的独立演进、扩容以及部署要求。SBA技术应用的关键在于通过生产者、消费者之间的消息交互完成服务，可以简化为Request-Response、Subscribe-Notify两种模式。前一种模式中，网络功能服务消费者需要向网络功能服务生产者发送操作类、信息类特定网络功能服务请求，网络功能服务生产者则将相应处理结果反馈给网络功能服务消费者；后一种模式中，网络功能服务消费者需要将信息更改类、时间周期更新类订阅网络功能服务请求发送给网络功能服务生产者，网络功能服务生产者则面向全部订阅服务的网络功能，以通知发送的形式返回数据。

3.2 SCP技术应用要点

SCP技术主要产生于5G网络大规模建设、链路量与数据量持续增加、单网元故障全网感知的背景，在SCP应用的间接路由模式中，网络之间路由、网络内部路由统一为SCP路由，路由失败定位也由SCP负责，存在号码部署的服务不需要配置号段归属关系，可直接由SCP静态配置对接号段路由数据，全部网元均支持链路汇聚。同时，SCP可以为5G核心网提供信令消息路由、信息转发服务，解决网元信令连接烦琐问题，减弱网络储存功能处理负荷，满足5G核心网大规模组建要求[3]。

在SCP应用时，根据网元之间相互交互通信模式的差异，应用方式也具有一定差异。例如，在缺乏代理服务发现间接通信模式中，因网络储存功能可被客户端查询，根据发现结果可以进行目标网元判定，并将判定信息发送给SCP，经SCP向适宜位置、容量的服务端目标网元发送信息。在配网时，需要根据选择转发路由，将“authority”参数修改为下一跳SCP地址。再如，在具备代理服务发现间接信息交互模式中，网络储存功能无法被客户端查询，客户端需要将服务发现参数嵌入请求发送给SCP，SCP则向网络储存功能完成服务发现，并将请求发送给目标网元。在网络部署时，需要当前SCP基于本地测量向下一跳SCP传递代理发现参数，下一跳SCP则需要完成代理发现任务。

3.3 UPF技术应用要点

UPF技术是一种允许5G核心网用户面下沉的技术，可以为大带宽、低时延等要求严格的业务场景提供支撑。作为5G核心网的联结点，UPF接口涵盖了与5G核心网控制面网元交互的接口、满足已有网络设施兼容的接口、与外部网络交互的接口等，如N4、N3、N9、N6、S1-U、S5/S8-U、N19[4]。利用上述接口，UPF技术可以基于5G核心网分离式架构，在中心部署控制面板网元的同时下沉到网络边缘部署，垄断全部核心网数据转发模块，实现数据流量本地分流，尽可能减少传输时延。

在具体应用过程中，UPF需要结合MEC进行部署，基于不同的MEC应用场景和业务需求，5GC核心网控制面及UPF应协同，主要分为以下两种场景[5]。一是当终端只需访问MEC应用且终端支持深度神经网络（Deep Neural Networks，DNN）配置时，可考虑采用专用DNN方案，配置锚定特定的UPF接入MEC平台及应用，简化网络的配置；二是当同一终端既需访问MEC应用也需访问互联网时，可采用上行分类器（Uplink Classifier，ULCL）方式，引入边缘UPF，负责业务分流。未来随着终端及5GC网络功能的增强，可以根据应用场景考虑更多的分流方式。

3.4 NSSF技术应用要点

NSSF技术是5G核心网网络切片选择服务实现的关键，主要利用Get操作（发送请求）进行漫游情况下或非漫游情况下网络切片有关信息的检索，或者向接入及移动性管理功能提供公共陆地移动网络（Public Land Mobile Network，PLMN） 的 Allowed NSSAl。例如，在注册操作过程中，需要选择与Allowed NSSAl网络切片实例相关联的NSI ID（或者The Mapping Of Allowed NSSAl），在选定的实例内选择网络服务，并利用网络储存功能从接入及移动性管理功能中决定候选接入列表。而在会话建立过程中，则需要利用NRF选定对应网络切片实例的网络功能/网络服务，并输入S-NSSAl相关的NSI ID，完成关于请求的NSSAl部分的S-NSSAl信息发送。

4 结 论

相较于4G核心网网络架构来说，5G核心网网络架构由若干个功能体组成，总体呈现出大网元功能解耦、兼容万物互联、业务驱动导向、引入发现寻址的特点。在5G核心网网络建构时，需要利用SCP、SBA等多种技术，相关人员应根据5G核心网建构需求，恰当应用相关技术，充分发挥相关技术的关键功能，确保5G核心网的建构效果。