5G核心网组网架构研究

81Internet Technology互联网+技术引言通信技术在近几十年跟随着现代科学的演变革新趋势，也同样发生了翻天覆地的变化，尤其是移动通信技术，在各项应用中得到了广泛的延伸，给人们生活的提供了很多便利。

如今通信网络的建设主体已由过去几年的4G 广覆盖转变为5G 的逐步推行，自2012年起，第5代移动通信系统在业界成为关注的重点，5G 网络的规划与建设涉及的相关技术成为通信行业发展的热点。

事实表明，5G 将开启一个大连接、全业务的时代。

一、5G 及其核心网概述5G 相关技术带来的移动通信产业的变化，让未来通信不仅仅是在追求更大带宽、更高速率，或是更强的空中接口技术，而是想要建设以用户为中心的弹性智能网络。

随着5G 网络的建成，未来在任意时间和任意地点，人们之间、人和物之间、物与物之间的通信速率将能够达到1Gbit/s，峰值下行速率甚至可达50Gbit/s。

与此同时，用户获得的移动数据容量将更多、数据传输时延将更低、电池使用寿命将更长，而设备也可拥有更低的功耗、更多的终端连接。

而在整个5G 网络中，最为核心的便是5G 核心网。

核心网作为全连接和全业务的管理中枢，在5G 网络建设中处于至关重要的环节，它能够满足端到端的业务体验需求，按需提供服务，支持多种多样化的无线接入场景，可实现高效的网络运营和灵活的网络部署。

二、5G 核心网网络架构为了满足不同场景下多样化业务的需求，按需灵活部署的核心网建设势在必行。

5GC（5G core，5G 核心网）充5G 核心网网络架构及关键技术分析□刘大畅 丁浩 曾晶 广东南方电信规划咨询设计院有限公司【摘要】 首先介绍5G 核心网及其网络架构，随后详细阐述网关控制与转发功能分离与控制平面功能重构、移动边缘计算、新型移动性管理和会话管理、网络功能虚拟化（NFV）及网络切片，最后对5G 核心网的发展进行了总结并展望。

【关键字】 5G 核心网 NFV 边缘计算 网络切片分利用了各领域技术优势，打破传统网络的限制，通过对4G 核心网的解耦与重构，将传统的4G EPC 核心网的网元按功能进行拆分，5GC 控制平面的网元在SBA 微服务的架构下使用统一的接口SBI（Service-based Interface，服务化接口）进行相互间的数据传输，并随着NFV(network function virtualization，网络功能虚拟化)和SDN（software defined networking，软件定义网络）等技术的成熟，5G 核心网通过这些新技术实现网络功能的重新部署，使得网络由基于传统的通信技术逐步向基于IT 技术实现转型。

5G网络整体架构及功能1、5G网络的整体架构5G的网络架构主要包括5G接入网和5G核心网,其中NG-RAN代表5G 接入网，5GC代表5G核心网。

2、5G接入网(NG-RAN)5G接入网主要包含一下两个节点：gNB: 为5G网络用户提供NR的用户平面和控制平面协议和功能ng-eNB：为4G网络用户提供NR的用户平面和控制平面协议和功能其中gNB和gNB之间，gNB和ng-eNB之间，ng-eNB和gNB之间的接口都为Xn接口2.1、gNB和ng-eNB的主要功能1、无线资源管理相关功能：无线承载控制，无线接入控制，连接移动性控制，上行链路和下行链路中UE的动态资源分配（调度）2、数据的IP头压缩，加密和完整性保护3、在用户提供的信息不能确定到AFM的路由时，为在UE在附着的时候选择到AMF路由;4、将用户平面数据路由到UPF5、提供控制平面信息向AMF的路由6、连接设置和释放7、寻呼消息的调度和传输8、广播消息的调度和传输9、移动性和调度的测量和测量报告配置10、上行链路中的传输级别数据包标记;11、会话管理13、QoS流量管理和无线数据承载的映射14、支持处于RRC_INACTIVE状态的UE15、NAS消息的分发功能16、无线接入网络共享17、双连接18、支持NR和E-UTRA之间的连接3、5G核心网（5GC）5G的核心网主要包含以下几部分：AMF：主要负责访问和移动管理功能(控制面)UPF：用于支持用户平面功能SMF：用于负责会话管理功能3.1、AMF的主要功能1、NAS信令终止2、NAS信令安全性3、AS安全控制4、用于3GPP接入网络之间的移动性的CN间节点信令5、空闲模式下UE可达性（包括控制和执行寻呼重传）6、注册区管理7、支持系统内和系统间的移动性8、访问认证、授权，包括检查漫游权9 、移动管理控制10、SMF（会话管理功能）选择3.2、UPF的主要功能1、系统内外移动性锚点2、与数据网络互连的外部PDU会话点3、分组路由和转发4、数据包检查和用户平面部分的策略规则实施5、上行链路分类器，支持将流量路由到数据网络6、分支点以支持多宿主PDU会话7、用户平面的QoS处理，例如，包过滤，门控，UL / DL速率执行8、上行链路流量验证（SDF到QoS流量映射）9、下行链路分组缓冲和下行链路数据通知触发3.3、SMF的主要功能1、会话管理2、UE IP地址分配和管理3、选择和控制UP功能4、配置UPF的传输方向，将传输路由到正确的目的地5、控制政策执行和QoS的一部分6、下行链路数据通知3.4、各个逻辑节点的主要功能图5G接入网和5G核心网之间的功能划分。

5G网络架构与关键技术随着技术的进步和人们对通信需求的不断增长，5G网络已成为当前科技领域的热门话题。

5G网络将是第五代移动通信技术的缩写，它将以更高的速度、更低的延迟和更稳定的连接来实现更快速、更可靠的数据传输。

本文将主要介绍5G网络的架构和关键技术。

1.5G网络架构核心网络：5G核心网络具有分布式架构，它分为多个网络切片（Network Slicing），每个切片都专门用于实现不同的通信需求，如增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器通信（mMTC）和超可靠低延迟通信（URLLC）。

这样的设计可以为不同行业和业务提供个性化的网络体验。

边缘计算：由于5G网络下的大量数据传输和处理可能导致网络延迟增加，为了使数据传输更加高效，5G引入了边缘计算概念。

边缘计算通过将计算和存储能力推向网络边缘，将计算任务分配到更接近终端用户的边缘节点上，从而降低网络延迟和流量负载，提高网络性能和用户体验。

无线接入网：5G无线接入网具有多层次的分布式结构，包括宏基站、微基站和室内小基站。

宏基站用于覆盖广域，微基站用于提供高密度的覆盖和容量，室内小基站用于提供室内覆盖。

此外，5G还引入了Massive MIMO（Massive Multiple Input Multiple Output）技术，通过使用大量天线和波束成形技术来提高网络容量和覆盖范围。

2.关键技术为了实现5G网络的高速率、低时延和大容量等特点，5G网络依赖于许多关键技术。

毫米波通信：5G网络广泛使用毫米波频段（mmWave），它具有更宽的频谱和更高的传输速率。

然而，由于毫米波频段的特殊传播特性，如高传输损耗和较短的传输距离，需要使用波束成形和中继技术来克服这些问题。

超密集组网：5G网络可以实现超密集组网，即高密度的基站部署。

通过将基站部署在更多的地方，并使用更小的基站，可以提供更好的覆盖和更高的容量。

网络切片技术：5G网络可以根据不同的应用需求，将网络划分为多个独立的逻辑切片，每个切片都适用于不同的应用场景。

5G轻量化核心网总体方案研究与设计随着5G技术的不断发展和普及，5G轻量化核心网的研究与设计变得愈发重要。

5G轻量化核心网是5G网络的核心架构，其性能和稳定性对整个网络的运行起着至关重要的作用。

针对5G轻量化核心网的总体方案研究与设计就显得尤为重要。

本文将对5G轻量化核心网总体方案的研究与设计展开讨论。

我们来看一下5G轻量化核心网的背景和意义。

5G作为下一代移动通信技术，其性能指标较之前的4G技术有了长足的提升。

而轻量化核心网作为5G网络的关键技术之一，其主要目的是为了解决5G网络中大量设备连接和数据处理的问题，降低设备的成本和能耗，提高网络的性能和灵活性。

5G轻量化核心网的研究与设计对于推动5G网络的发展和应用具有重要意义。

我们需要了解5G轻量化核心网总体方案的研究内容和设计要点。

在5G轻量化核心网的研究中，首先需要对网络的整体架构进行设计和规划，包括核心网和边缘计算等方面；其次需要研究5G网络中的关键技术，如大规模MIMO、多址接入、网络切片等；还需要考虑到5G网络中的安全性、稳定性等问题，并设计相应的解决方案。

5G轻量化核心网的研究还需要充分考虑到移动通信行业的发展趋势和未来需求，设计出符合未来需求的5G轻量化核心网总体方案。

在5G轻量化核心网总体方案的研究中，需要充分利用现有的技术成果和经验，同时也需要不断进行创新和突破。

现有的技术成果和经验可以为5G轻量化核心网的研究提供重要的基础和支持，同时在具体的设计和实施过程中也可以避免一些不必要的问题和风险。

而创新和突破则是推动5G轻量化核心网技术发展和进步的动力，只有不断进行创新，才能让5G轻量化核心网技术不断适应不断变化的需求和挑战。

我们需要对5G轻量化核心网总体方案的研究和设计进行评估和展望。

评估是为了对5G轻量化核心网总体方案的研究和设计进行检验和验证，看其是否符合实际的需求和标准，并对其进行改进和完善。

展望则是对5G轻量化核心网技术的未来进行展望和规划，看其未来的发展趋势和可能的应用场景，为将来的研究和发展提供一定的指导和参考。

5G核心网的构架和一些基础概念5G无线接入网络架构，主要包括5G 接入网和5G 核心网，其中NG—RAN 代表5G 接入网，5GC 代表5G 核心网.5G核心网主要包括哪些呢?先说一下关键的AMF，SMF,UPF。

•AMF:全称Access and Mobility Management Function，接入和移动管理功能，终端接入权限和切换等由它来负责.•SMF：全称Session Management Function，会话管理功能,提供服务连续性，服务的不间断用户体验，包括IP地址和/或锚点变化的情况。

•UPF：全称User Plane Function，用户面管理功能，与UPF关联的PDU 会话可以由(R)AN节点通过(R)AN和UPF之间的N3接口服务的区域，而无需在其间添加新的UPF或移除/重新—分配UPF。

我们看一下5G的系统构架图:AMF/SMF/UPF 处于主体的作用。

AMF承载以下主要功能：接入和移动管理功能(AMF）包括以下功能。

在AMF的单个实例中可以支持部分或全部AMF功能：•终止RAN CP接口(N2)。

•终止NAS（N1），NAS加密和完整性保护。

•注册管理.•连接管理。

•可达性管理。

•流动性管理。

•合法拦截(适用于AMF事件和LI系统的接口)。

•为UE和SMF之间的SM消息提供传输.•用于路由SM消息的透明代理.•接入身份验证。

•接入授权.•在UE和SMSF之间提供SMS消息的传输.•安全锚功能（SEAF）。

•监管服务的定位服务管理。

•为UE和LMF之间以及RAN和LMF之间的位置服务消息提供传输。

•用于与EPS互通的EPS 承载ID分配。

•UE移动事件通知.无论网络功能的数量如何，UE和CN之间的每个接入网络只有一个NAS接口实例,终止于至少实现NAS安全性和移动性管理的网络功能之一.除了上述AMF的功能之外,AMF还可以包括以下功能以支持非3GPP 接入网络: •支持N2接口与N3IWF. 在该接口上，可以不应用通过3GPP 接入定义的一些信息（例如，3GPP 小区标识)和过程(例如,与切换相关)，并且可以应用不适用于3GPP接入的非3GPP 接入特定信息。

5G宽带通信设备的网络架构和组网方式随着移动通信技术的不断发展，5G成为当前热门话题之一。

5G（第五代移动通信）作为一种全新的通信技术标准，将为用户提供更快的数据传输速度、更低的延迟和更高的接入性能。

为实现这一目标，5G宽带通信设备采用了一种新的网络架构和组网方式，以适应高速、低延迟、大容量的通信需求。

一、5G宽带通信设备的网络架构5G宽带通信设备网络架构主要分为两个部分，即核心网（Core Network）和无线接入网（Wireless Access Network）。

核心网是整个5G网络的关键部分，负责处理用户数据，实现业务连接和控制功能。

核心网由多个网络节点组成，包括用户验证节点（Authentication Server）、会话管理节点（Session Manager）和移动边缘计算节点（MEC）。

这些节点通过高速光纤连接，提供传输速度快、处理能力强的数据传输环境。

无线接入网是连接移动终端和核心网之间的关键环节，主要由基站和无线传输设备构成。

基站通过无线信号覆盖区域，将用户终端传输的无线信号转化为数字信号，并传送给核心网。

5G无线接入网采用了更高频率的无线信道（mmWave）和更高密度的基站布局，以提供更大的带宽和更高的数据传输速率。

二、5G宽带通信设备的组网方式为了实现全面覆盖和高质量的通信服务，5G宽带通信设备采用了多种组网方式，包括非独立组网（NSA）和独立组网（SA）。

非独立组网（NSA）是5G网络的最早部署方式，它在现有的4G网络基础上增加了一些5G组件，以提供更高的数据传输速率和更低的延迟。

在NSA组网中，5G基站与4G基站之间共享资源，通过4G网络将用户数据连接到5G核心网。

这种方式可以快速实现5G金属，但由于依赖于4G网络，无法充分发挥5G的全部潜力。

独立组网（SA）是5G网络的最终目标，它独立于现有的4G网络，完全由5G 设备构成。

在SA组网中，5G基站之间直接传输数据，无需依赖4G网络。

5G网络架构分析5G时代将是一张网络满足多样化业务需求，基于NFV/SDN技术，采用通用硬件，实现 网络功能软件化和基于差异化业务的资源编排。

业务及网络平台运营通过数字化平台实现网络能力和业务需求的对接，开放网络能力，按用户面部署，减小业务时延。

降低传输网压力，打破传 统数据仅能从省级出口的路径，用户及业务数据下沉到本地，高频和低频混合组网。

5G核心网与 NFV基础设施结合，为普通消费者、应用提供商和垂直行业需求方提供网络切片、边缘计算等新型业务能力。

5G核心网将从传统的互联网接入管道转型为全社会信息化的赋能者。

5G核心网的创新驱动力源于5G业务场景需求 和新型ICT使能技术，旨在构建高性能、灵活可配的广域网络基础设施，全面提升面向未来的网络运营能力。

5G时代要求未来能形成虚拟化、分层化的核心网络，以及资源开放、适宜开发新业务的网 络架构，从而能够提供从网络运营到业务服务的经济和可持续发展的模式。

随着5G标准冻结，商用部署提上议程，5G需求中所描绘的未来美好的全社会信息化生活正在从畅想变得触手可及。

作为连接万物，赋能业务的社会化信息基础设施的重要环节，移动核心网在5G阶段实现架构、功能和平台的全面重构。

相比于传统4G核心网(EPC) , 5G 核心网采用原生适配云平台的设计思路、基于服务的架构和功能设计提供更泛在的接入，更灵活的控制和转发以及更友好的能力开放。

5G核心网的网络架构1.1两种5G核心网络架构呈现方式5G核心网采用控制转发分离架构，同时实现 移动性管理和会话管理的独立进行，用户面上去除 承载概念，QoS参数直接作用于会话中的不同流。

通过不同的用户面网元可同时建立多个不同的会话 并由多个控制面网元同时管理，实现本地分流和远 端流量的并行操作，5G的核心网络架构分为两种 架构呈现，即参考点方式呈现和服务化架构方式呈现，如图1所示。

5G核心网的参考点方式架构5G核心网的服务化架构服务化架构是在控制面釆用API能力开放形式 进行信令的传输，在传统的信令流程中，很多的消息在不同的流程中都会出现，将相同或相似的消息提取出来以API能力调用的形式封装起来，供其它网元进行访问，服务化架构将摒弃隧道建立的模式, 倾向于采用HTTP协议完成信令交互。

基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（P2020G004）作者简介：周宇晖（1983—），男，高级工程师，硕士。

E-mail ：铁路5G 专网系统架构和组网技术研究周宇晖（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京100070）摘要：结合铁路5G 专网业务与功能需求，提出铁路5G 专网系统架构，同时基于5G 基础设施云化、服务化架构、面向业务的网络切片等技术特点和铁路运输生产组织架构，对铁路5G 专网核心网建设部署方案进行对比分析，并提出按需覆盖的铁路5G 专网无线网覆盖需求，将铁路5G 专网深入覆盖至铁路运营生产的每个环节，利用无线网络链接，形成广域的“物联网”架构，并针对不同铁路场景分别展开无线组网方案探讨。

关键词：铁路5G 专网；系统架构；组网技术；核心网；无线接入网中图分类号：U285文献标识码：A 文章编号：1001-683X （2020）11-0010-06DOI ：10.19549/j.issn.1001-683x.2020.11.0101研究背景自20世纪50年代至今，我国部署了多种铁路专用移动通信系统，包括900MHz GSM-R 系统、450MHz 列车无线调度通信系统、站场调车和养护维修通信系统、车号自动识别系统、列车安全防护报警系统、站场宽带无线接入系统和高速铁路列车运行控制应答器系统［1-2］。

GSM-R 系统自2005年在青藏铁路、大秦铁路、胶济客专部署应用，至今已在全部高铁线路和部分普速干线铁路完成系统建设，形成以铁路局集团公司为核心节点、覆盖铁路沿线的全国性网络。

移动通信经历了第一代到第四代发展，当前已步入第五代移动通信（5G ）商用阶段。

2020年3月，中共中央政治局常务委员会召开会议，要求加快5G 网络等新型基础设施建设进度。

4月20日，国家发展和改革委员会首次明确了“新基建”范围，其中5G 网络作为新一代信息技术演化生成的基础设施网络，将从移动互联网扩展到移动物联网领域，与经济社会各领域深度融合，属于“新基建”3个主要方面中最重要的信息基础设施［3］。

5G轻量化核心网总体方案研究与设计随着信息技术的不断发展，移动通信技术也不断迭代更新，5G技术的发展无疑是当前移动通信领域的热点话题。

5G技术作为下一代移动通信技术，将会带来更高的速度、更低的延迟和更大的容量，为人们的生活和工作带来巨大的改变。

5G轻量化核心网是5G技术的核心组成部分，其设计和研究对于5G技术的发展至关重要。

本文将就5G轻量化核心网总体方案进行研究与设计，分析5G轻量化核心网的特点和需求，提出相应的总体方案，并探讨其实施和可能面临的挑战。

一、5G轻量化核心网的特点和需求1. 高带宽和低延迟：5G技术要求更高的带宽和更低的延迟，以满足大规模连接和实时通信的需求。

5G轻量化核心网需要具备高带宽和低延迟的特点。

2. 灵活性和可扩展性：5G技术将支持多种不同的应用场景，包括物联网、车联网、工业互联网等，因此5G轻量化核心网需要具备灵活性和可扩展性，以适应不同的应用需求。

3. 容错性和安全性：5G技术将涉及到更多的设备和用户连接，因此5G轻量化核心网需要具备更高的容错性和安全性，以保障网络的稳定和安全运行。

二、5G轻量化核心网总体方案基于以上需求和特点，我们提出了以下的5G轻量化核心网总体方案：1. 架构设计：采用分布式架构，将核心网功能划分为多个独立的模块，以提高灵活性和可扩展性。

采用虚拟化技术，将网络功能虚拟化，以提高网络资源的利用率和灵活性。

2. 网络切片：5G技术将支持网络切片，即将网络划分为多个独立的逻辑网络，以满足不同应用场景的需求。

5G轻量化核心网需要支持网络切片技术，以提供灵活的网络服务。

3. 控制平面和用户平面分离：采用控制平面和用户平面分离的架构，以提高网络的灵活性和可靠性。

采用智能路由技术，将用户数据流量动态路由到最优的路径上，以提高网络的性能和用户体验。

4. 安全与隐私保护：5G轻量化核心网需要具备更高的安全性和隐私保护能力，采用安全加密和身份认证技术，保障用户数据的安全和隐私。

Network World •网络天地Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 7【关键词】5G 移动网络 关键技术 核心网面对5G 移动通信网络日趋多样化、差异化的通信场景和业务需求，需要探讨5G 移动通信核心网架构及移动性关键新技术，引入软件灵活定义的去中心化网络架构，并提出移动性驱动网络切片MDNS 技术、5G 切片高速通信技术和边缘缓存技术，结合5G 移动通信网络部署特点和回传网络拓扑，实现5G 移动网络的资源优化，提升5G 移动网络用户体验。

1 5G移动通信核心网架构分析传统的网络部署要根据业务的峰值容量进行资源的配置，存在网络资源过度配置而导致网络拥塞的现象，原有的网络集中控制和集中路由无法适应网络业务的实际变化需求，也无法使边缘存储和边缘计算获得良好的支撑。

为了更好地应对用户及业务的需求，要改变原有网络设备及架构的固化问题，可以采用一种软件定义去中心化网络架构SoftNet ，进行5G 移动网络架构的智能化自定义，动态激活和灵活部署5G 网络的功能，进行网关锚点的动态分配和资源的统一调度，较好地提升5G 移动网络资源的利用效率。

1.1 设计原则在5G 移动通信核心网架构设计的过程中，主要秉持以下理念和原则：1.1.1 适应性面对不同特征的通信场景，必须采用软件定义去中心化的核心网络架构，以动态地适应不同的通信场景，提升5G 移动网络的适应性和功能。

1.1.2 高效性通过采用软件定义去中心化的核心网络架构，有效提升5G 移动网络资源的利用率，规避和解决高信令开销、低效数据转发及高传输时延的缺陷。

1.1.3 可扩展性通过引入软件定义去中心化的核心网络架构体系，可以灵活高效地支持新业务，满足5G 移动网络升级的需求，进行新业务的快速灵活部署和快速响应。

1.1.4 简化功能5G 移动网络新技术及核心网架构文/何峰赋5G 移动网络核心网的软件定义去中心化架构支持移动性管理和转发隧道管理，基于大量的网元功能及通信协议的前提，可以实现5G 移动网络的简化，避免5G 移动网络功能冗余的问题。