輕量化5G核心網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)進(jìn)展如何？

自2019年6月我國(guó)發(fā)放5G商用牌照以來，5G基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷完善，5G用戶數(shù)量迅速增長(zhǎng)。同時(shí)，5G to B優(yōu)勢(shì)不斷凸顯，行業(yè)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性、數(shù)據(jù)保密性等需求愈加迫切。由于基于公網(wǎng)的5G核心網(wǎng)難以滿足專網(wǎng)需求，越來越多的行業(yè)用戶明確提出了建設(shè)5G to B專用核心網(wǎng)的訴求。輕量化5G核心網(wǎng)（5G Lightweight Core Network，簡(jiǎn)稱輕量化5GC）基于主流的專網(wǎng)建網(wǎng)模式研發(fā)，是產(chǎn)業(yè)界探索靈活便捷、低成本的5G行業(yè)專網(wǎng)的一大發(fā)展方向。

輕量化5GC的實(shí)現(xiàn)方式

傳統(tǒng)通信系統(tǒng)通過專用硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)部署。核心網(wǎng)軟硬件配置較為復(fù)雜，且具有高可靠性要求，因此，產(chǎn)業(yè)界只有部分專業(yè)設(shè)備廠商具備核心網(wǎng)產(chǎn)品的研發(fā)制造能力。進(jìn)入5G時(shí)代后，核心網(wǎng)將控制面和用戶面徹底分離，原有架構(gòu)下的網(wǎng)元被拆分為多個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能，這種方案更加匹配服務(wù)化架構(gòu)，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能形成獨(dú)立體系，新增、升級(jí)網(wǎng)元不會(huì)影響其他網(wǎng)元。

5G核心網(wǎng)分離架構(gòu)明確了各網(wǎng)元間的分工，為輕量化5GC的實(shí)現(xiàn)提供了保障。輕量化5GC設(shè)備是一種利用較少資源實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)主要功能的技術(shù)產(chǎn)品，通常在單個(gè)硬件服務(wù)器上就能實(shí)現(xiàn)全部的核心網(wǎng)網(wǎng)元功能。同時(shí)，輕量化5GC設(shè)備具有體積小、能耗低、可裁剪、價(jià)格低等特點(diǎn)，充分降低了企業(yè)建網(wǎng)成本、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維復(fù)雜度。企業(yè)可以根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求靈活定制核心網(wǎng)方案，最大程度地保障了專網(wǎng)安全性與數(shù)據(jù)自主性。在企業(yè)探索5G專網(wǎng)建設(shè)的背景下，輕量級(jí)5GC設(shè)備具有廣闊的市場(chǎng)空間。

5G核心網(wǎng)的核心功能包括以安全方式建立會(huì)話、轉(zhuǎn)發(fā)用戶數(shù)據(jù)以及為移動(dòng)終端提供數(shù)據(jù)連接等，具體包括接入和移動(dòng)性管理功能（AMF）、會(huì)話管理功能（SMF）、用戶面功能（UPF）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能（UDM）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫（UDR）、鑒權(quán)服務(wù)器功能（AUSF）及網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)存功能（NRF）等（見圖1）。

圖1 5GC核心功能架構(gòu)

目前，輕量化5GC基于標(biāo)準(zhǔn)5GC功能架構(gòu)進(jìn)行了面向行業(yè)用戶的定制化裁剪。其中，擁有簡(jiǎn)式結(jié)構(gòu)的輕量化5GC產(chǎn)品集成AMF、SMF、UDM和UPF四大網(wǎng)絡(luò)功能。

現(xiàn)階段，輕量化5GC的部署方式可歸納為3種。一是云部署模式。輕量化5GC各網(wǎng)絡(luò)功能整體部署在云計(jì)算廠商的云平臺(tái)上，5GC的全部網(wǎng)元均在云平臺(tái)上運(yùn)行，并接受云平臺(tái)的統(tǒng)一管理。企業(yè)用戶的5G基站經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)專線接入云平臺(tái)，通過5GC實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，進(jìn)而形成一張完整的5G專網(wǎng)。企業(yè)用戶在該模式下可按照業(yè)務(wù)需求定制軟件功能，利用云計(jì)算廠商提供的資源池化及調(diào)度能力，靈活調(diào)整5G專網(wǎng)配置，與云平臺(tái)上的其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫集成。二是一體機(jī)部署模式。輕量化5GC部署在一體機(jī)上，并在企業(yè)機(jī)房?jī)?nèi)以獨(dú)立設(shè)備的形態(tài)運(yùn)行。該模式中5GC各網(wǎng)元均運(yùn)行在一體機(jī)中，使得核心網(wǎng)部署具有較強(qiáng)的場(chǎng)地適應(yīng)能力，方便企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)靈活使用，并通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)用戶的5G基站及其他信息系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，形成一體化的5G專網(wǎng)。在此模式下，企業(yè)用戶應(yīng)具備系統(tǒng)管理能力，自行對(duì)5G專網(wǎng)進(jìn)行配置管理。三是混合部署模式。企業(yè)根據(jù)自身的保密要求和業(yè)務(wù)模式將輕量化5GC靈活拆分，其中一部分網(wǎng)元采用云化方式部署，另一部分網(wǎng)元采用一體機(jī)方式部署。通常情況下，5GC控制面網(wǎng)元部署在云廠商提供的云平臺(tái)上，5GC數(shù)據(jù)面網(wǎng)元部署在企業(yè)機(jī)房的一體機(jī)中。該模式下，企業(yè)用戶既可以借助云平臺(tái)的能力對(duì)5G控制面實(shí)現(xiàn)彈性部署及高可用保障，又能夠利用一體機(jī)的獨(dú)立部署特性，一定程度上滿足數(shù)據(jù)保密需求。

輕量化5GC的產(chǎn)品現(xiàn)狀

輕量化5GC面向制造、能源、交通、政務(wù)等領(lǐng)域開展定制化服務(wù)，應(yīng)用場(chǎng)景以園區(qū)/大企業(yè)專網(wǎng)、企業(yè)跨域局域網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)急通信等為主。輕量化5GC的垂直行業(yè)應(yīng)用需求主要來自于各類數(shù)據(jù)采集和工業(yè)自動(dòng)化，適配制造業(yè)、能源與公用事業(yè)、運(yùn)輸及物流行業(yè)等業(yè)務(wù)場(chǎng)景。當(dāng)前三大運(yùn)營(yíng)商在垂直行業(yè)已實(shí)施的5G專網(wǎng)重點(diǎn)項(xiàng)目以制造業(yè)、電力、港口為主，在智慧制造、智慧工廠、智能電網(wǎng)、智慧港口、車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域均進(jìn)行了5G專網(wǎng)應(yīng)用落地，主要業(yè)務(wù)涵蓋設(shè)備遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)海量采集、現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)作業(yè)等場(chǎng)景。

面向行業(yè)應(yīng)用，運(yùn)營(yíng)商針對(duì)輕量化5GC廣泛開展產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用試驗(yàn)，利用定制化5G網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充現(xiàn)有公網(wǎng)能力。其中，中國(guó)電信天翼云輕量化5GC采用云原生架構(gòu)（見圖2），可以依據(jù)客戶業(yè)務(wù)需求靈活地選擇UPF設(shè)備和部署方式，進(jìn)而面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、智慧園區(qū)等行業(yè)及中小企業(yè)，提供多樣、差異、靈活的5G行業(yè)專網(wǎng)服務(wù)，具備靈活部署、極簡(jiǎn)高效、安全可靠等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了“一鍵部署”、“小時(shí)級(jí)開通”、用戶自服務(wù)等特性，可以面向垂直行業(yè)提供“5G網(wǎng)絡(luò)即插即用”的專網(wǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。

圖2? 天翼云輕量化5GC示意

中國(guó)移動(dòng)推出輕量化5G核心網(wǎng)OpenUPF一體機(jī)（詳見圖3），使得5G可以在真正有業(yè)務(wù)需求的園區(qū)、樓宇、廠區(qū)、港口等熱點(diǎn)地區(qū)精確、快速覆蓋。OpenUPF一體機(jī)中具有基于開源、N4解耦設(shè)計(jì)的自研UPF，輕量化、模塊化的設(shè)計(jì)理念，虛擬化、軟件化的實(shí)現(xiàn)方式，OTII通用服務(wù)器、白盒設(shè)備，低功耗的便攜半高小機(jī)柜。小型SPN保障了端到端的硬切片管道、高安全隔離性和確定性時(shí)延。

圖3? 中國(guó)移動(dòng)OpenUPF服務(wù)架構(gòu)

中國(guó)聯(lián)通面向企業(yè)5G專網(wǎng)建設(shè)需求發(fā)布了5G輕量化一體機(jī)。5G專網(wǎng)一體機(jī)EdgePack集5G獨(dú)立專網(wǎng)、邊緣算力、行業(yè)應(yīng)用于一體，以多種規(guī)格配置滿足工業(yè)企業(yè)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和網(wǎng)絡(luò)能力需求。5G邊緣一體機(jī)EdgePOD聚焦5G邊緣能力，將算力服務(wù)下沉至工業(yè)園區(qū)，滿足企業(yè)對(duì)生產(chǎn)的高可靠性、高安全性需求，結(jié)合定制化邊緣增值服務(wù)，實(shí)現(xiàn)5G邊緣應(yīng)用“即插即用”。

通信設(shè)備廠商也積極按照產(chǎn)業(yè)需求研發(fā)打造小型軟硬一體化5GC。中興通訊發(fā)布了面向5G行業(yè)專網(wǎng)的小型化i5GC（即行業(yè)5G核心網(wǎng)）解決方案，i5GC深度融合、優(yōu)化5G核心網(wǎng)功能，采用2U通用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了多網(wǎng)元的一體化，可根據(jù)用戶對(duì)安全性、流量處理和自主程度等的多樣化需求進(jìn)行靈活定制，為不同場(chǎng)景提供用戶面功能（UPF）下沉、流量就近轉(zhuǎn)發(fā)、用戶數(shù)據(jù)本地管理等不同的功能組合和部署形態(tài)。三星于2020年宣布可提供商用的基于云原生的5G SA核心網(wǎng)產(chǎn)品，該產(chǎn)品通過微服務(wù)架構(gòu)、容器執(zhí)行環(huán)境、端到端靈活編排、自動(dòng)化CI/CD、開源平臺(tái)服務(wù)等功能，滿足用戶業(yè)務(wù)快速開發(fā)部署與業(yè)務(wù)創(chuàng)新、迭代，實(shí)現(xiàn)降本增效。5G C市場(chǎng)的開拓也給予了中小型廠商發(fā)展機(jī)會(huì)，諸多廠家積極進(jìn)入輕量化5GC市場(chǎng)。IPLOOK與新華三基于傳統(tǒng)4G企業(yè)專網(wǎng)推出輕量化5G核心網(wǎng)，拓展企業(yè)專網(wǎng)市場(chǎng)。艾靈網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了基于云原生架構(gòu)的輕量化5GC，針對(duì)工業(yè)場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)“零修改”網(wǎng)絡(luò)能力開放功能，有效支撐了5GC的靈活定制功能。

云服務(wù)提供商依托公有云和行業(yè)解決方案優(yōu)勢(shì)，積極“進(jìn)軍”5G專網(wǎng)市場(chǎng)。微軟于2020年9月推出面向運(yùn)營(yíng)商數(shù)字化轉(zhuǎn)型的“Azure for operators”解決方案（見圖4）。亞馬遜于2020年7月發(fā)布了《基于AWS的5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)》，提出可基于AWS部署可擴(kuò)展、安全可靠、降本的運(yùn)營(yíng)商級(jí)別5G云原生核心網(wǎng)與邊緣網(wǎng)絡(luò)。阿里巴巴推出基于開源與公有云的小型化All in One極簡(jiǎn)5GC。

圖4 微軟移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)解決方案架構(gòu)

此外，高校、科研院所也在積極開展試驗(yàn)研究。北京郵電大學(xué)通過精簡(jiǎn)5G核心網(wǎng)網(wǎng)元數(shù)量和功能，將AMF、SMF、UPF網(wǎng)元部署在樹莓派開發(fā)板上，實(shí)現(xiàn)了兩臺(tái)終端的VoIP視頻通話。基于此輕量化核心網(wǎng)方案，利用低軌寬帶衛(wèi)星構(gòu)建起了北京與濟(jì)南5G專網(wǎng)間的骨干網(wǎng)絡(luò)（試點(diǎn)），實(shí)現(xiàn)了低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面5G專網(wǎng)的互聯(lián)互通。

垂直行業(yè)輕量化5GC應(yīng)用探索

垂直行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型迫切需要靈活敏捷的5G專網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)行業(yè)專用、部署靈活、運(yùn)維簡(jiǎn)單、功能可定制等功能，滿足企業(yè)的安全需求。目前，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)開始使用輕量化5GC設(shè)備，將5G核心網(wǎng)下沉至園區(qū)、廠房、礦井、港口等場(chǎng)景中。

寧波舟山港作為全球吞吐量最大的港口，在智能理貨方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、穩(wěn)定性、安全性要求非常高。因此，舟山港采用阿里XG實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的輕量化5GC，實(shí)現(xiàn)了5G核心網(wǎng)功能下沉。該核心網(wǎng)設(shè)備按照運(yùn)營(yíng)商入網(wǎng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)打造，通過異地網(wǎng)絡(luò)容災(zāi)、5G網(wǎng)絡(luò)虛擬化、按需分流等技術(shù)創(chuàng)新，支持多種無線資源配置方式，還可根據(jù)運(yùn)營(yíng)商管控要求進(jìn)行網(wǎng)元功能、部署架構(gòu)和信令流程的靈活調(diào)整，幫助企業(yè)以最小代價(jià)實(shí)現(xiàn)5G專網(wǎng)部署。該設(shè)備幫助寧波舟山港配置了網(wǎng)絡(luò)綜合性能最優(yōu)、可控性及安全性最高的5G專網(wǎng)環(huán)境，讓港口智能理貨實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)響應(yīng)，極大提高了作業(yè)效率，也為更多5G港口智能化應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

在采礦業(yè)，新華三研發(fā)的可按礦企用戶需求量身定制、“一臺(tái)服務(wù)器即可完成部署”的智慧礦山5G專網(wǎng)解決方案，讓礦山企業(yè)可通過較低成本，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的5G信號(hào)覆蓋，解決礦企隧道通信中面臨的信號(hào)干擾難題。經(jīng)多次井下實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景驗(yàn)證，新華三智慧礦山5G專網(wǎng)解決方案可實(shí)現(xiàn)800~1000米井下巷道覆蓋、單小區(qū)近700 Mbit/s的高帶寬上行速率和10 ms低時(shí)延要求，可以保障5G視頻通話、膠輪車視頻語音雙向通信等應(yīng)用場(chǎng)景。在井下視距不可見、信號(hào)存在遮擋的情況下，新華三智慧礦山5G專網(wǎng)解決方案依然展現(xiàn)出可有效覆蓋500米距離的強(qiáng)信號(hào)繞射能力，保障高清視頻、語音通信清晰順暢。

結(jié)語

輕量化5GC基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合垂直行業(yè)用網(wǎng)特點(diǎn)，對(duì)面向公網(wǎng)業(yè)務(wù)的5G核心網(wǎng)進(jìn)行了性能裁剪及功能定制，在降低成本的同時(shí)滿足了行業(yè)用戶的5G應(yīng)用需求，符合當(dāng)前垂直行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的實(shí)際需要。在運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商、互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)商和高校的共同努力下，輕量化5GC產(chǎn)品和相關(guān)解決方案已逐步進(jìn)入市場(chǎng)，面向高度碎片化的企業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，助力企業(yè)運(yùn)用5G網(wǎng)絡(luò)開展數(shù)字化轉(zhuǎn)型。隨著5G與工業(yè)融合的不斷深入，輕量化5GC將在工業(yè)智能化過程中體現(xiàn)出更大價(jià)值，輕量化5GC相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景將愈發(fā)廣闊。

作者：中國(guó)信息通信研究院工程師 管子健、中國(guó)信息通信研究院高級(jí)工程師?陳雄華

責(zé)編/版式：蓋貝貝

審核：舒文瓊

監(jiān)制：劉啟誠(chéng)