5G Core Network技术趋势白皮书.pdf
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1、 5G Core 技术趋势白皮书 第 2 页 目 录 1 5G 带来的变化.3 1.1 从移动互联到万物互联.3 1.2 从“CLOUD READY”到”CLOUD NATIVE“.4 1.3 从单体网络到切片网络.4 1.4 从”核心”计算到”边缘”计算.5 1.5 从人工运维到 AI 运维.6 1.6 从 NSA 到 SA.7 2 5G 核心网技术趋势分析.7 2.1 大连接:低时延、高带宽、海量连接.7 2.2 云原生:增强型服务化架构 SBA+.10 2.3 切片即服务:5G 网络切片化.11 2.4 聚焦边缘:让算力高效流动.14 2.5 新化学反应:AI+5G 运营运维.15 2.
2、6 演进之道:极简 COMMON CORE.17 3 总结与展望.20 第 3 页 1 5G 带来的变化 1.1 从移动互联到万物互联 5G 诞生之时,人工智能、物联网、云计算、大数据、网络切片和边缘计算等技术也在蓬勃发展中,融合了这些技术的 5G 网络是传统网络所无法比拟的,5G 不仅被产业界也被整个社会寄予了厚望。5G 网络所提供的大带宽、低时延、大连接、高可靠等特性,要么十倍乃至数十倍于 4G,要么 4G 无法提供。5G 不仅使现有的 4G 业务得以升级,提升了个人数字化体验,还催生了新的业务。典型的新业务如 Cloud AR/VR,Cloud Gaming,个人视频直播等沉浸式实时视频
3、业务,这些业务只是 5G 的第一波应用,是4G MBB 到 5G eMBB 的自然演进,以更低比特成本解决大带宽业务容量需求。随着uRLLC、mMTC 的引入,5G 还将带来万物互联的产业变革,提供基于车联网的自动驾驶、基于无人机和工业机器人的智能制造、基于低时延连接的远程医疗、智慧城市、智慧农业等行业应用。4G 移动宽带成就互联网,5G 定义万物互联时代,赋能于各行各业,推动全社会数字化转型,向海量连接、大带宽、低时延的大连接时代迈进。第 4 页 1.2 从“Cloud Ready”到”Cloud Native“5G 推动云化的实践,自从虚拟化技术引入核心网,核心网的架构经历了几个阶段的演进
4、和变迁,从最初的虚拟化,到云化,再到云原生,架构逐渐开放,从底层到高层也逐渐解耦。为了更经济、更敏捷地提供 5G 服务,并满足 5G 业务场景对可扩展性、灵活性与性能的需求,运营商需要一个基于云原生与 5G 服务的全新核心网架构,其中包括独立的用户面、控制面,并且使用云原生设计原则和学习 IT 的开发方法去重新设计软件架构和核心功能。这种架构有利于运营商快速部署丰富多变的业务,并通过细粒度的微服务实现按需编排和升级,使运营商能够敏捷、快速地发布新业务,缩短产品上市的时间。1.3 从单体网络到切片网络 5G 时代具有丰富的垂直行业应用,每种业务对时延、带宽、连接数等的要求差异很大。因此,5G 定
5、义了三种典型的应用场景:场景一 eMBB:VR/VR、高清视频、3D 等的应用,峰值速率 10G+bps。场景二 URLLC:对 E2E 时延(99.999%)提出了高要求,如:工业控制、电子医疗、远程监控、车联网等。第 5 页 场景三 mMTC:智能家居、智慧城市、环境监测、智能农业、等物联网业务,需满足低功耗、大连接(1M 连接/km2)的需求。因此,单一的物理网络已经无法需满足上述各种垂直行业 SLA 需求,其个性化、差异化的业务需求催生 5G 网络切片的产生。网络切片类似逻辑网络或者虚拟专网,由于NFV/SDN 技术的引入,网络切片可以在一张物理网络上随时随地按需生成数量几乎不受限的端
6、到端逻辑网络,并且能为同一用户提供多个切片来实现不同资源需求下的多种带宽、时延、连接数和安全隔离服务。1.4 从”核心”计算到”边缘”计算 伴随 5G 和垂直行业的成熟商用,网络需要接入更多设备和处理海量数据,然而低时延和高带宽的计算负载压力使当前集中式的“核心”数据处理模式难以为继。因此,有必要在接近数据的一端设立本地分布式网络,提供计算、存储等能力,提升应用的性能和可靠性,减轻“核心”网络的负载,聚焦“边缘”计算。运营商可以通过边缘计算显著提升用户体验、减轻网络传输负荷、降低设备系统的响应延迟并提高其控制精度。第 6 页 1.5 从人工运维到 AI 运维 5G 商用时代正在开启,无论是通信
7、带宽、网络延迟时间,还是设备连接数量,在 5G 时代将会是一个质的飞跃。5G 将为超高清视频、VR/AR,高速移动上网等业务需求提供大流量移动宽带,并提供以传感器和数据采集为目标的超可靠低时延通信,也能够以海量的机器通信为车联网、工业控制等垂直行业提供服务。在这些不同切片应用场景下,5G 网络设备会在物理层、链路层、虚拟层、网络层和用户层等产生多元化的海量数据。在网络不断发展演进中,网络运维运营作为幕后英雄,保障着整个 5G 网络的通信质量、安全和可靠性。然而,现有的管理模式已经难以适应 5G 网络部署全面云化、智能化的需求,同时依靠大量人工的传统运维方式已经无法满足成本和效率的需求,急需引入
8、 AI、大数据等新技术,推动网络运维的自动化、智能化发展。第 7 页 1.6 从 NSA 到 SA NSA(None Stand Alone)和 SA(Stand Alone)是 5G 的两种架构选项。NSA 是从 4G 向 5G 演进的过渡选项,而使用 5G 核心网的 SA 架构才是 5G 发展的真正目标。虽然 NSA 架构在初始阶段风险较小,但向 SA 架构过渡仍需大量工作。目前,通过升级现有 EPC 网络,使用双连接技术接入 5G NR 来提供 5G 移动宽带服务,成为了部分运营商的初期快速商用方案,但这无法满足他们的长期目标。在部署 5GC之后,5G 可以发挥它的完整优势,如:CUPS
9、、网络切片、。运营商需要端到端的 5G 网络所具有的可扩展性、性能与灵活性,来经济高效地交付用户预期的广泛服务,从而为其带来竞争优势。2 5G 核心网技术趋势分析 2.1 大连接:低时延、高带宽、海量连接 NB-IoT/eMTC 为代表移动物联网(M-IoT)是未来 5G 物联网战略的组成部分。5G革命性不仅仅在于它涵盖更多应用场景和更复杂的技术,还在于其有更强的包容性,因此 第 8 页 5G 的核心之一是能够支持、兼容多种接入技术,如卫星、WiFi、固网和 3GPP 其他技术实现互操作,这也为 NB-IoT、eMTC 成为 5G 组成部分创造了条件。相比传统的 4G EPC 核心网,5G 核
10、心网采用 Cloud Native 的设计思路,基于 SBA 架构和功能设计提供更泛在的接入,更加灵活的控制和转发,以及更强大的能力开放的能力。5G 核心网与 NFV 基础设施相结合,为用户、业务/应用提供商、企业/垂直行业需求方提供网络切片、边缘计算、精准授时、5GLAN 等新型业务能力,5G 核心网将从传统的互联网接入管道转型为全数字化信息化的赋能者。标准进展:5G 物联网 mMTC 标准推迟,uRLLC 生态成熟在 2023 年。uRLLC 功能计划在 2020 年 3 月标准冻结,mMTC 功能推迟到 R17 阶段进行。5G 窄带物联网的市场生态发展缓慢,R16 标准增加支持 NB-I
11、oT/eMTC 接入5GC 的能力,从标准层面提供 eNB 升级到 eLTE 实现 5GC 接入能力。全球 NB-IoT/eMTC 市场还处于孵化初期,LPWA 的市场规模还在扩大,需进一步加强 4G物联网的建设投入 5G 物联网与多种新技术新领域加快融合,创新能力持续提升 第 9 页 物联网与移动互联网相融合的移动物联网,例如可穿戴设备、智能硬件、智能家居、车联网、健康养老等规模化的消费类应用。物联网与工业、农业、能源等传统行业深度融合形成产业物联网,成为行业转型升级所需的基础设施和关键要素。例如智慧农业、智慧能源、智慧工厂等生产性物联网应用。基于物联网的城市立体化信息采集系统正在加快构建,
12、智慧城市成为物联网应用集成创新的综合平台。例如智慧安防、智能停车、智慧消防等安全防护性等应用。4/5G 物联网网络共存长期化,端到端切片+混合运维对传统运维方式的冲击和挑战 5G 的广域覆盖不会在一夜之间发生,预计到 2025 年左右可以实现 5G 的全面部署。从网络层面看,运营商不可能一下全面转向 5G。从 2G 到 5G,虚拟化设备和传统非虚拟化设备的混合运维和管理,对目前的运维方式有很大的冲击和挑战。5G 网管系统与云平台对接,实现编排、监控、升级等云网业务流程一体化和自动化是运维配套的重点任务目标,主要内容包括:4/5G 网元共管 混合 Pool 管理 支持虚拟和容器资源的编排和管理
13、北向接口支持 4/5G 共管 SDN 实现 5G 部署和切片的网络配置 端到端网络切片的部署和管理 第 10 页 在数字化转型的趋势下,更多的数据将在边缘处理,工业制造、电力物联网逐步走向智能物联。网络在边缘侧面临异构终端的海量连接、业务的实时性、应用智能性、数据优化和安全隐私等多种挑战。运营商可通过深度开放的边缘计算能力和安全防护,简化边缘APP 开发和适配,帮助用户实现制造、维护、管理、检测、安全等智能化连接管理,提高生产效率,提升公共服务用户满意度。2.2 云原生:增强型服务化架构SBA+以云计算为基础,通过 NFV 技术、分布式数据中心重构电信网络已经成为业界共识。基于“Cloud R
14、eady”的电信云网络历经五年发展与商用部署,实现了软硬件解耦、资源共享及动态利用。云原生作为下一步目标,将实现 NFV 从“Cloud Ready”到“Cloud Native”的演进。云原生阶段,VNF 应用将在云化基础上将进一步解耦并微服务化(具有松耦合特性),使其不仅具备弹性、可扩展性、韧性,而且易管理、易观察,可以满足未来 VNF频繁变更的需求,并且云原生 VNF 与云环境(公有、私有)、云技术(虚拟机、容器)无关。云原生 VNF 的如上特性,让运营商在以多级数据中心为基础构建的电信云基础设施上可以更加灵活地根据业务、客户的需要部署应用,同时使得运营商能够更快地响应市场变化和新客户要
15、求。以垂直行业和不同场景为目标,3GPP 采用云原生技术,全新定义了 5G 核心网的 SBA 服务化架构,将网元解耦为一组独立网络功能 NF,每个 NF也解耦为多个 NF Service,并且在 3GPP R16 版本 eSBA 阶段,NF 会解耦为更多、更小的 NF services。因此,为更好地切合不同业务场景和垂直行业,基于云原生技术 第 11 页 如微服务化 NF 构建 SBA+架构的 5GC 核心网成为更好选择,如下图所示。相比 3GPP R15 标准 SBA 5GC,融合云原生特性的 SBA+核心网更具优势:更精细粒度定制能力:每个 NF 微服务化解耦,基于应用场景或客户要求,按
16、照微服务粒度定制 NF 以及微服务粒度区分位置部署。更快速响应市场需求:解耦的微服务支持独立升级、独立发布,支持云原生 NF采用 CI/CD 方式更快速满足不同场景或客户定制需求。更高效的资源利用:公共功能抽取并解耦为公共微服务组件,支持多 NF 共享,进一步降低虚拟化资源开销。2.3 切片即服务:5G网络切片化 受垂直行业数字化、云化和安全化需求的驱动,尤其制造业、物流和汽车行业的迫切需求,网络切片收入最终将呈现上升趋势。市场研究公司 ABI Research 表示,随着行业垂直领域日益增长的数字化需求,网络切片将创造约 660 亿美元的价值。同时,得益于网络切片的自动化运营,服务的交付周期
17、大大缩短,这使得运营商可以借助网络切片减少运营成本。第 12 页 并且,自动化的运营运维使得新业务的设计、验证和实施流程更加高效,从而减少了运营商的 OPEX。5GC 采用云原生和微服务等虚拟化技术,进行各种类型切片的构建和部署,如 eMBB、URLLC、mMTC 等。同时,需要支持切片的签约和选择,对不同的切片进行隔离,限制非授权的 UE 访问切片。支持切片能力开放,促进垂直行业的发展。在 5G 核心网侧,以下关键技术的发展将进一步推进垂直行业与切片的整合:基于微服务构建切片 通过对 5GC NF(Network Function)进行模块化和微服务化设计,建立微服务组件仓库。支持 3GPP
18、 标准定义的网络功能服务 NFS(Network Function Service),也可以提供 LB(Load balance)、HTTP,IPsec 等增强的公共服务组件。根据切片的 SLA 需求,选择合适的 NFS 像搭积木一样组合成各种类型切片需要的 NF,再把 NF 组合成对应的网络切片,如 eMBB 等。切片智能选择 5GC 支持通过 UDM 为不同 UE 签约不同的切片。支持基于 NSSF(Network Slice Selection Function)智能化选择切片。NSSF可以通过UE请求的NSSAI和签约的NSSAI、第 13 页 位置区域、切片容量、切片当前负荷等信息进
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