5G核心网络关键技术和对业务的支撑

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         引言
ITU对5G网络的关键技术指标进行了明确的定义，相
对于4G网络，在峰值速率、连接密度、频谱效率等方面都有
几倍到几十倍的增强，同时还提出增强移动宽带、海量机器
类通信和低时延高可靠三大业务场景。可见5G网络从设计之
初，就不仅仅强调网络性能的提升和优化，还重视对多种业
务场景的支持，使5G有望成为一个面向业务和用户需求的网
络。3GPP正在制定5G网络架构、业务流程和消息结构等标
准协议，目前标准还在不断讨论和修订中，但已经对一些关
键技术达成共识，网络的设计理念也逐渐清晰。对5G核心网
络来说，主要的特征包括网络CU分离（控制平面和用户平
面分离）、网络功能模块化、引入网络切片、引入边缘计算
（MEC，移动边缘计算）、优化QoS机制、支持多种接入并
存以及业务和会话的连续性等。这些特征从不同角度和层面
体现对5G业务场景的支撑。
         CU分离和网络功能模块化
5G核心网络的控制面和用户面进一步分离，网络功能模
块化。3GPP定义的5G网络逻辑功能架构如图1所示。从图1中
可以看出，核心网的控制面功能实体包括AMF（Access and
Mobility Management Function，接入和移动性管理功能）、
SMF（Session Management Function，会话管理功能）、
PCF（Policy Control Function，策略控制功能）、AUSF
（Authentication Server Function，鉴权服务功能）、UDM
（Unified Data Management，统一数据管理）等。AMF实现
注册管理、连接管理、移动性管理、用户可及性管理、参与
鉴权和授权相关的管理功能等，这与4G网络中MME的接入
控制和移动性管理功能类似。SMF主要负责会话管理相关的
功能，包括建立、修改、释放等，具体功能包括会话建立过
程中的IP地址分配、选择和控制用户面功能、配置业务路由
和UP流量引导、确定SSC模式、配置UPF的QoS策略等；在
5G核心网络中，SMF抽取4G网络中分散在MME、SGW、
PDW上会话管理相关的功能。PCF和4G网络中的网元PCRF
功能一致，从UDM获得用户签约策略并下发到AMF、SMF
等，再由AMF、SMF模块进一步下发到终端、RAN和UPF。
AUSF实现对用户的鉴权和认证。UDM的主要功能是对各种
用户签约数据的管理、用户鉴权数据管理、用户的标识管理
等。AUSF和UDM功能的集合和4G网络中的HSS一致。UPF
（User Plane Function，用户平面功能）主要提供用户平面
的业务处理功能，包括业务路由、包转发、锚定功能、QoS
映射和执行、上行链路的标识识别并路由到数据网络、下行
包缓存和下行链路数据到达的通知触发、与外部数据网络连
接等。在５G核心网一个PDU会话可以指定一个UPF或多个
UPF提供服务。
可见5G放弃前几代移动通信定义网元设备以及设备间
通信的方式，采用定义功能以及逻辑功能之间的接口方式，
所有这些控制面功能和用户面功能都是模块化的，彻底实现
CU分离。与4G网络中的CU分离不同的是，5G中CU分离是
将设备的控制面和用户面功能分开，仍基于网元的功能定
义。5G核心网络的架构设计是NFV（网络功能虚拟化）和
SDN（软件定义网络）技术的具体应用。在这种架构下，
运营商可以按照业务的需求选择功能模块，根据业务功能需
求、网络管理需求、业务体验需求进行网络部署，有些功能
模块集中部署，有些功能模块分散部署。例如为了便于用户
doi:10.3969/j.issn.1000-1247.2017.07.019
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的集中管理，AUSF和UDM会采用集中部署；直接向用户提
供流量服务的UPF可以根据业务对时延要求的不同集中部署
或下沉到无线侧部署。总之未来5G核心网络架构将从面向管
理需求为主转变为面向业务需求为主的网络架构。
         按需提供服务的网络切片
网络切片是5G核心网重要的关键技术之一，也是网络
即服务理念的直接体现，网络切片本身就是产品和服务。网
络切片设计的出发点是按照业务对网络的不同需求灵活组织
网络，形成为特定业务提供专属服务的网络，达到网络与业
务的高度匹配。端到端的网络切片包括接入网络（5G接入网
络或者非3GPP接入网络）和核心网络的整个网络切片，这
里只对核心网络切片进行说明。通常的核心网网络切片包括
上面介绍的控制平面功能和用户平面功能，对于不同的网络
切片可能共享某些控制面功能，但并不会共享用户面功能，
网络功能的选择依赖于业务需求。
在实际应用中，一个终端可能同时接入一个或多个
网络切片，当终端接入到网络时，接入网络根据N S S A I
（Network Slice Selection Assistance Information，网络切片选
择辅助信息）选择核心网网络切片的入口AMF。NSSAI包括
切片/业务的类型和切片区分标识（Slice Differentiator），这
些信息可以是标准定义的或运营商定义的。终端向网络发起
注册请求时，如果携带配置的NSSAI信息，那么接入网将根
据这个信息选择AMF；如果终端注册的时候，没有携带任
何NSSAI信息，接入网将选择默认的AMF提供服务。默认的
AMF将根据运营商的策略和用户签约信息进一步选择AMF
提供服务。AMF将与AUSF一同对终端进行鉴权，鉴权通过
后，终端成功注册到网络。终端注册成功后，AMF将向终端
提供被允许的NSSAI和临时用户标识Temporary User ID，后
续终端将携带这些信息接入网络，网络根据临时用户标识可
以得到之前服务的AMF信息。接下来，终端可以发起业务请
网络切片服务于特定的业务，不同切片之间的业务互相
隔离、互不干扰，可以满足垂直行业应用无需独立建设专用网
络但可以独享网络资源的需求。在NFV/SDN的技术架构下，
这些资源可以灵活调度，按需分配，网络可以动态地扩容或缩
容，在满足需求的前提下，降低网络建设和运营的成本。
         优化的5G        QoS机制
5G网络的QoS机制相对4G QoS机制有些变化。
首先5G采用基于流的QoS机制，一个PDU会话可以包
含多个QoS流。相对于4G的基于专用承载的QoS机制，5G减
少因管理承载（建立、修改、删除等）带来的信令开销。每
个QoS流都有自己的5QI（5G QoS Indicator，5G QoS指示）
和ARP（Allocation and Retention Priority，分配和保留优
先级）参数，对于GBR（Guaranteed Bit Rate，保证比特速
率）的QoS流，还包括GFBR（Guaranteed Flow Bit Rate，保
证流比特速率）和MFBR（Maximum Flow Bit Rate，最大流
比特速率），每个5QI将映射为资源类型、优先级、包时延
预算和误包率，这种映射关系和4G的QCI一样。
其次5G中引入QoS反射机制，即终端根据网络下行业
务包推衍出终端的上行业务QoS规则，并在上行链路中使用
这个规则。QoS反射机制由网络发起并需要终端支持，当网
络在下行链路包头包含RQI（Reflective QoS Indication，反
射QoS指示），终端支持反射功能时，终端将根据下行链路
的QoS生成终端侧的QoS规则。这种机制减少QoS协商的信
令交互，可以基于流和PDU会话实现QoS反射机制，并可通
过用户面或控制面对QoS反射机制进行激活以及去激活。
5G中还定义了通知机制（Notification Control），对
于GBR业务，如果接入网不能满足QoS要求，RAN将通知
SMF，以便SMF做出后续的处理。5G核心网络上下行链路
的QoS映射关系如图2所示。在上行链路中，终端根据QoS
准则将IP包映射为QoS流，并进一步将流映射为DRB（Data
AUSF UDM
AMF
UE (R)AN UPF DN
SMF PCF AF
N13
N12
N10
N15
N14
N11
N8
N7
N2 N4
N1
N3
N9
N6
N5
图1　5G网络逻辑功能架构
求建立终端和AMF之间的信令连接，连接
过程中或连接建立成功后，终端和网络之
间可以建立PDU会话。在建立PDU会话的
过程中，AMF应综合签约信息、本地策略
以及NSSAI等信息选择合适的SMF，SMF进
行PDU会话的鉴权，为终端分配IP地址，
指定提供服务的UPF提供后续的用户平面服
务等。会话建立成功后，AMF将保存SMF
和终端的对应关系，SMF也会保存AMF和
终端识别的对应关系，以便后续的网络交
互。以上是3G P P网络切片选择、终端注
册、连接建立和会话建立的基本框架。
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        运营
Radio Bearer，数据无线承载），RAN收到上行链路包后，
确定QFI（QoS Flow ID）值，并将其包含在上行链路PDU
的封装头中通过N3隧道发给UPF；在下行链路，UPF将下行
数据包映射为QoS流，并打上流标识，RAN将这些QoS流映
射为DRB发送到终端。
为了5G网络QoS机制的优化能更加精细地实施，QoS差
分服务提供技术基础和灵活性，可以通过定义5QI和QFI来
细化QoS流的种类，以适应不同业务的需求。同时简化信令
交互流程，降低网络实现的复杂度。目前这部分协议将根据
业务的需求不断扩展和更新。
         边缘计算服务提升业务体验
为了满足业务的低时延需求同时节省不必要的网络传送
需求，5G中引入MEC（Mobile Edge Computing，移动边缘
计算），目前也称为多接入边缘计算，其核心是将部分核心
网功能和业务功能以及内容资源部署在靠近用户侧。规范规
定，为了支持边缘计算，核心网应支持如下功能：一是在会
话建立时，5G核心网为用户选择部署在用户接入侧的UPF；
二是支持业务的本地路由，由于5G核心网支持用户通过多个
UPF获取服务的模式，用户侧的UPF可以只负责本地业务，
用户发起的其他远端服务将由其他UPF执行；三是流量引导
功能，当存在多种本地业务时，区分业务类型并将流量引导
到本地应用服务器；四是保持会话和业务的连续性，确保业
务体验；五是支持QoS和计费功能，MEC包含用户平面的功
能，核心网可以对其进行计费和QoS控制。以上功能要求将
通过会话管理、策略控制机制、QoS和计费等技术方案具体
实现。
MEC的功能逻辑架构以及相关的接口规范由ETSI制
定，具体如图3所示。整体上MEC采用虚拟化架构定义，其
中移动边缘主机（Mobile Edge Host）是执行业务功能的主
与网络能力相关的业务逻辑。移动边缘平台管理器（Mobile
Edge Platform Manager）的主要功能包括应用的生命周期管
理并向移动边缘编排其上报业务相关的事件；提供功能单元
的管理功能；管理应用的规则和需求，包括业务的授权、
流量规则、DNS配置等。虚拟化设备管理器（Virtualisation
Infrastructure Manager）主要对虚拟设备进行管理，包括资
源的配置和调整。而移动边缘系统层管理主要接受来自客户
方面的需求并通过业务编排器下达给移动边缘平台管理器。
ETSI对MEC的架构定义已经基本完成，目前正针对具体功
能和各个接口进行定义。
MEC的引入是为了满足低时延、高可靠场景的时延要
求而提出的，例如驾驶中十字路口转向的辅助信息，但是
MEC的应用并不局限于这个场景。由于具有靠近用户侧、流
量本地引导的特征，因此MEC适合服务于区域性、本地化业
务场景，如园区监控、展会服务、校园服务等。应用的类别
包括位置追踪、增强现实、视频缓存和优化等需要本地存储
和计算的服务。这些业务不是简单地将原来集中部署的业务
向本地部署的过程，更重要的是通过个性化的解决方案产生
新的本地流量。
         支持多接入方式和会话连续性
为了实现网络优化、资源高效利用以及在更广的覆盖
范围内终端可以使用5G服务，5G网络提出对多接入技术的
支持需求，包括3GPP接入和非3GPP接入，也就是说除了支
持4G、5G还支持WLAN接入和卫星接入方式。相对于4G支
持非3GPP接入不同，5G核心网络中提出对非3GPP接入的注
册管理、连接管理的概念，并通过统一的5G核心网来管理
3GPP接入和非3GPP接入。
5G核心网络中AMF对3GPP接入和非3GPP接入分别进
行注册管理和连接管理，也就是说两种接入有两种接入各自
应用/业务层
将流映射为
DRBs
AN资源
UE AN
PDU会话
包过滤器将包区
分到SDFs
将包标记上“QoS Flow ID”
CN_UP
应用数据包
“NAS”过滤器
（将包映射为QoS流并进行标记）
图2　上下行链路的QoS映射关系
要模块，包含移动边缘平
台（Mobile Edge Platform）
和移动边缘应用（M o b i l e
Edge Application）两部分。
移动边缘平台主要执行核心
网用户平面的部分功能，如
流量规则控制、D N S相关
功能等，主要完成流量的本
地引导；移动边缘应用是指
加载在边缘节点的应用，
边缘计算应用功能可以通
过Mp1接口调用网络的相关
能力（如位置信息）实现
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的状态，但二者可以共用UE临时标识，后接入的可以使用
先前接入方式的UE临时标识。在连接管理方面，UE可以同
时通过3GPP接入和非3GPP接入向AMF进行注册，当AMF同
时服务一个UE的多种连接时，每个连接都有一个N1 NAS连
接，所以统一的AMF下可能存在多个N1 NAS连接。在会话
管理方面，当UE建立多个PDU会话时，UE可以请求将PDU
会话在3GPP接入和非3GPP接入之间迁移，也就是说在同一
时间，UE的一些PDU会话在3GPP接入，另外一些PDU 会话
在非3GPP接入，这些PDU会话可能是到相同的数据网络或
者是到不同的数据网络。
在5G核心网络中，为了支持会话的连续性，定义了三
种SSC模式（Session and Service Continuity Mode）。SSC模
式一是当接入技术或用户位置发生变化时，PDU会话的锚点
保持不变，也就是执行锚点功能的UPF不发生变化；SSC模
式二是指先断掉原来的PDU会话，然后与相同的数据网络建
立新的PDU会话，新的PDU会话建立成功后，将成为新锚
点；SSC模式三则是原来的PDU会话释放之前，重新建立新
的PDU会话，并将新的UPF作为PDU会话的锚点。从实现方
式上来看，这三种模式主要是针对会话来设计的，而5G网络
的UPF相对于4G的PGW在网络部署上会更加边缘化，因此
须考虑锚点的变化。
5G统一的核心网络对非3GPP接入以3GPP的方式进行管
CFS
门户
UE
APP
Mx1
Mm8
Mm9
Mm1
Mm2 Mm3
Mm4
运营支撑系统
移动边缘编排器
移动
边缘
系统
层面
移动
边缘
主机
层面
Mx2
Mp3
Mp1 Mp1
Mp2
Mm7
Mm6
Mm5
用户
APP
LCM
代理
其他
移动
边缘
平台
其他
移动
边缘
主机
移动
边缘
应用
移动
边缘
应用
移动
边缘
业务
流量
规则
控制
应用
规则
管理
应用
生命
周期
管理
DNS
处理
移动
边缘
应用
服务
业务注册 单
元管理
移动边缘平台
虚拟设备管理器
移动边缘平台管理器
移动边缘主机
数据平面
虚拟设备
图3　ETSI定义的MEC架构
理，为跨接入网络的业
务调度提供技术基础，
可以保证用户在不同接
入网络之间移动而保持
会话的连续，做到不同
接入网络之间的无感知
切换，从连接层面对业
务的连续性提供保障作
用，从而提升用户的业
务体验。
除了以上重要特征
之外， 5G核心网络在
移动性管理方面还提出
对终端移动范围进行限
制的技术方案，以支持
物联网多种移动性的要
求，所有这些都将对应
用场景的拓展提供技术
依据。以上是基于当前
标准的进展对5G核心网
络的浅析，后续规范还
会不断更新，一些问题还将出现新的解决方案，现有技术方
案也将不断完善，5G核心网对业务将提供更有有力的支撑。
参考文献
[1]　3GPP TS 23.501"System Architecture for the 5G System;Stage 2"[Z]
[2]　3GPP TR 23.799"Study on Architecture for Next Generation
System"[Z]
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作者简介
邢燕霞
现就职于中国电信股份有限公司北京研究院，高级工程师，
从事移动核心网和业务研究工作。
魏文娟
现就职于中国电信股份有限公司北京研究院，高级工程师，
从事移动核心网和业务研究工作。
李鹏宇
现就职于中国电信股份有限公司北京研究院，高级工程师，
从事移动核心网和业务研究工作。
毛聪杰
现就职于中国电信股份有限公司北京研究院，高级工程师，
从事移动核心网和业务研究工作。