輕量化5G核心網的實現方式

自2019年6月我國發放5G商用牌照以來，5G基礎設施建設不斷完善，5G用戶數量迅速增長。同時，5G to B優勢不斷凸顯，行業用戶對網絡可靠性、數據保密性等需求愈加迫切。由于基于公網的5G核心網難以滿足專網需求，越來越多的行業用戶明確提出了建設5G to B專用核心網的訴求。輕量化5G核心網（5G Lightweight Core Network，簡稱輕量化5GC）基于主流的專網建網模式研發，是產業界探索靈活便捷、低成本的5G行業專網的一大發展方向。

輕量化5GC的實現方式

傳統通信系統通過專用硬件平臺實現核心網部署。核心網軟硬件配置較為復雜，且具有高可靠性要求，因此，產業界只有部分專業設備廠商具備核心網產品的研發制造能力。進入5G時代后，核心網將控制面和用戶面徹底分離，原有架構下的網元被拆分為多個網絡功能，這種方案更加匹配服務化架構，各個網絡功能形成獨立體系，新增、升級網元不會影響其他網元。

5G核心網分離架構明確了各網元間的分工，為輕量化5GC的實現提供了保障。輕量化5GC設備是一種利用較少資源實現核心網主要功能的技術產品，通常在單個硬件服務器上就能實現全部的核心網網元功能。同時，輕量化5GC設備具有體積小、能耗低、可裁剪、價格低等特點，充分降低了企業建網成本、網絡運維復雜度。企業可以根據自身業務需求靈活定制核心網方案，最大程度地保障了專網安全性與數據自主性。在企業探索5G專網建設的背景下，輕量級5GC設備具有廣闊的市場空間。

5G核心網的核心功能包括以安全方式建立會話、轉發用戶數據以及為移動終端提供數據連接等，具體包括接入和移動性管理功能（AMF）、會話管理功能（SMF）、用戶面功能（UPF）、統一數據管理功能（UDM）、統一數據存儲庫（UDR）、鑒權服務器功能（AUSF）及網絡儲存功能（NRF）等（見圖1）。

圖1 5GC核心功能架構

目前，輕量化5GC基于標準5GC功能架構進行了面向行業用戶的定制化裁剪。其中，擁有簡式結構的輕量化5GC產品集成AMF、SMF、UDM和UPF四大網絡功能。

現階段，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各網絡功能整體部署在云計算廠商的云平臺上，5GC的全部網元均在云平臺上運行，并接受云平臺的統一管理。企業用戶的5G基站經由網絡專線接入云平臺，通過5GC實現互聯，進而形成一張完整的5G專網。企業用戶在該模式下可按照業務需求定制軟件功能，利用云計算廠商提供的資源池化及調度能力，靈活調整5G專網配置，與云平臺上的其他業務系統實現無縫集成。二是一體機部署模式。輕量化5GC部署在一體機上，并在企業機房內以獨立設備的形態運行。該模式中5GC各網元均運行在一體機中，使得核心網部署具有較強的場地適應能力，方便企業現場靈活使用，并通過內部網絡與企業用戶的5G基站及其他信息系統進行對接，形成一體化的5G專網。在此模式下，企業用戶應具備系統管理能力，自行對5G專網進行配置管理。三是混合部署模式。企業根據自身的保密要求和業務模式將輕量化5GC靈活拆分，其中一部分網元采用云化方式部署，另一部分網元采用一體機方式部署。通常情況下，5GC控制面網元部署在云廠商提供的云平臺上，5GC數據面網元部署在企業機房的一體機中。該模式下，企業用戶既可以借助云平臺的能力對5G控制面實現彈性部署及高可用保障，又能夠利用一體機的獨立部署特性，一定程度上滿足數據保密需求。

輕量化5GC的產品現狀

輕量化5GC面向制造、能源、交通、政務等領域開展定制化服務，應用場景以園區/大企業專網、企業跨域局域網、物聯網、應急通信等為主。輕量化5GC的垂直行業應用需求主要來自于各類數據采集和工業自動化，適配制造業、能源與公用事業、運輸及物流行業等業務場景。當前三大運營商在垂直行業已實施的5G專網重點項目以制造業、電力、港口為主，在智慧制造、智慧工廠、智能電網、智慧港口、車聯網領域均進行了5G專網應用落地，主要業務涵蓋設備遠程操控、數據海量采集、現場移動作業等場景。

面向行業應用，運營商針對輕量化5GC廣泛開展產品研發和應用試驗，利用定制化5G網絡補充現有公網能力。其中，中國電信天翼云輕量化5GC采用云原生架構（見圖2），可以依據客戶業務需求靈活地選擇UPF設備和部署方式，進而面向車聯網、工業控制、智慧園區等行業及中小企業，提供多樣、差異、靈活的5G行業專網服務，具備靈活部署、極簡高效、安全可靠等優勢，實現了“一鍵部署”、“小時級開通”、用戶自服務等特性，可以面向垂直行業提供“5G網絡即插即用”的專網級網絡服務能力。

圖2? 天翼云輕量化5GC示意

中國移動推出輕量化5G核心網OpenUPF一體機（詳見圖3），使得5G可以在真正有業務需求的園區、樓宇、廠區、港口等熱點地區精確、快速覆蓋。OpenUPF一體機中具有基于開源、N4解耦設計的自研UPF，輕量化、模塊化的設計理念，虛擬化、軟件化的實現方式，OTII通用服務器、白盒設備，低功耗的便攜半高小機柜。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延。

圖3? 中國移動OpenUPF服務架構

中國聯通面向企業5G專網建設需求發布了5G輕量化一體機。5G專網一體機EdgePack集5G獨立專網、邊緣算力、行業應用于一體，以多種規格配置滿足工業企業不同的應用場景和網絡能力需求。5G邊緣一體機EdgePOD聚焦5G邊緣能力，將算力服務下沉至工業園區，滿足企業對生產的高可靠性、高安全性需求，結合定制化邊緣增值服務，實現5G邊緣應用“即插即用”。

通信設備廠商也積極按照產業需求研發打造小型軟硬一體化5GC。中興通訊發布了面向5G行業專網的小型化i5GC（即行業5G核心網）解決方案，i5GC深度融合、優化5G核心網功能，采用2U通用服務器實現了多網元的一體化，可根據用戶對安全性、流量處理和自主程度等的多樣化需求進行靈活定制，為不同場景提供用戶面功能（UPF）下沉、流量就近轉發、用戶數據本地管理等不同的功能組合和部署形態。三星于2020年宣布可提供商用的基于云原生的5G SA核心網產品，該產品通過微服務架構、容器執行環境、端到端靈活編排、自動化CI/CD、開源平臺服務等功能，滿足用戶業務快速開發部署與業務創新、迭代，實現降本增效。5G C市場的開拓也給予了中小型廠商發展機會，諸多廠家積極進入輕量化5GC市場。IPLOOK與新華三基于傳統4G企業專網推出輕量化5G核心網，拓展企業專網市場。艾靈網絡開發了基于云原生架構的輕量化5GC，針對工業場景實現“零修改”網絡能力開放功能，有效支撐了5GC的靈活定制功能。

云服務提供商依托公有云和行業解決方案優勢，積極“進軍”5G專網市場。微軟于2020年9月推出面向運營商數字化轉型的“Azure for operators”解決方案（見圖4）。亞馬遜于2020年7月發布了《基于AWS的5G網絡演進》，提出可基于AWS部署可擴展、安全可靠、降本的運營商級別5G云原生核心網與邊緣網絡。阿里巴巴推出基于開源與公有云的小型化All in One極簡5GC。

圖4 微軟移動通信網絡解決方案架構

此外，高校、科研院所也在積極開展試驗研究。北京郵電大學通過精簡5G核心網網元數量和功能，將AMF、SMF、UPF網元部署在樹莓派開發板上，實現了兩臺終端的VoIP視頻通話?；诖溯p量化核心網方案，利用低軌寬帶衛星構建起了北京與濟南5G專網間的骨干網絡（試點），實現了低軌衛星網絡與地面5G專網的互聯互通。

垂直行業輕量化5GC應用探索

垂直行業數字化轉型迫切需要靈活敏捷的5G專網，以實現行業專用、部署靈活、運維簡單、功能可定制等功能，滿足企業的安全需求。目前，產業界已經開始使用輕量化5GC設備，將5G核心網下沉至園區、廠房、礦井、港口等場景中。

寧波舟山港作為全球吞吐量最大的港口，在智能理貨方面對網絡時延、穩定性、安全性要求非常高。因此，舟山港采用阿里XG實驗室研發的輕量化5GC，實現了5G核心網功能下沉。該核心網設備按照運營商入網測試標準打造，通過異地網絡容災、5G網絡虛擬化、按需分流等技術創新，支持多種無線資源配置方式，還可根據運營商管控要求進行網元功能、部署架構和信令流程的靈活調整，幫助企業以最小代價實現5G專網部署。該設備幫助寧波舟山港配置了網絡綜合性能最優、可控性及安全性最高的5G專網環境，讓港口智能理貨實現毫秒級響應，極大提高了作業效率，也為更多5G港口智能化應用提供了堅實的網絡基礎。

在采礦業，新華三研發的可按礦企用戶需求量身定制、“一臺服務器即可完成部署”的智慧礦山5G專網解決方案，讓礦山企業可通過較低成本，實現穩定可靠的5G信號覆蓋，解決礦企隧道通信中面臨的信號干擾難題。經多次井下實際業務場景驗證，新華三智慧礦山5G專網解決方案可實現800~1000米井下巷道覆蓋、單小區近700 Mbit/s的高帶寬上行速率和10 ms低時延要求，可以保障5G視頻通話、膠輪車視頻語音雙向通信等應用場景。在井下視距不可見、信號存在遮擋的情況下，新華三智慧礦山5G專網解決方案依然展現出可有效覆蓋500米距離的強信號繞射能力，保障高清視頻、語音通信清晰順暢。

結語

輕量化5GC基于3GPP標準，結合垂直行業用網特點，對面向公網業務的5G核心網進行了性能裁剪及功能定制，在降低成本的同時滿足了行業用戶的5G應用需求，符合當前垂直行業數字化轉型發展的實際需要。在運營商、設備商、互聯網云服務商和高校的共同努力下，輕量化5GC產品和相關解決方案已逐步進入市場，面向高度碎片化的企業應用場景，助力企業運用5G網絡開展數字化轉型。隨著5G與工業融合的不斷深入，輕量化5GC將在工業智能化過程中體現出更大價值，輕量化5GC相關產業發展前景將愈發廣闊。

作者：中國信息通信研究院工程師 管子健、中國信息通信研究院高級工程師?陳雄華

編輯：黃飛

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