0 引言

    第五代移動通信技術(shù)(5G)能夠以全新的網(wǎng)絡架構(gòu)和性能，賦能應急管理、交通運輸、醫(yī)療健康等垂直行業(yè)的信息化發(fā)展。5G憑借大帶寬、低時延和高可靠性的網(wǎng)絡能力，在應急通信保障、地質(zhì)災害、監(jiān)測預警、應急救援等業(yè)務領(lǐng)域具有廣泛應用場景。

    5G技術(shù)為基于公網(wǎng)構(gòu)建應急通信專網(wǎng)的可能性提供了理論支撐，但也存在著各種缺點和不確定因素。應急通信場景提出了快捷組網(wǎng)、配置簡單、易于維護等需求，現(xiàn)有5G標準SBA架構(gòu)依然存在網(wǎng)元較多、業(yè)務過程復雜、配置復雜等不足。輕量5G核心網(wǎng)以其低成本、可裁剪、低功耗的優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面下沉的同時，進一步下沉控制面，最大化保證應急專網(wǎng)的安全性和網(wǎng)絡管理的自主性，成為應急通信行業(yè)新的解決方案。

    本文從基于構(gòu)建應急通信專網(wǎng)應用場景入手，分析輕量5G核心網(wǎng)的實現(xiàn)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合應急保障典型案例進行部署方案的探索。

1 核心網(wǎng)輕量化的必要性

    作為移動通信網(wǎng)絡的核心部分，核心網(wǎng)起到承上啟下的作用，主要負責處理終端用戶的移動管理、會話管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)三嫶笄覐碗s的功能^[1-2]。

    較之以往移動通信網(wǎng)絡設(shè)備基于專有硬件設(shè)備而言，5G核心網(wǎng)提出分離式架構(gòu)，一方面通過網(wǎng)絡功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)云原生的設(shè)計思想，基于x86平臺的通用服務器和優(yōu)化后的OpenStack等開源虛擬化平臺，通過軟件化、模塊化和服務化(Service-based Architecture，SBA)方式構(gòu)建網(wǎng)絡，在服務化架構(gòu)下，各個網(wǎng)絡功能(Network Function，NF)獨立自治，無論新增、升級還是改造都不會影響其他NF；另一方面，控制面和用戶面的徹底分離，使得用戶面功能擺脫集約化部署的約束，可以靈活部署于核心網(wǎng)和接入網(wǎng)等不同層面，如圖1所示。

    其中，AMF(Access and Mobility Management Function)負責用戶的移動性和接入管理；SMF(Session Management Function)負責用戶會話管理功能；UDM(Unified Data Management)負責前臺數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理，包括用戶標識、用戶簽約數(shù)據(jù)、鑒權(quán)數(shù)據(jù)等；AUSF(Authentication Server Function)配合UDM專門負責用戶鑒權(quán)數(shù)據(jù)相關(guān)的處理；UDR(Unified Data Repository)和UDSF(Unstructured Data Strorage Network Function)負責后臺數(shù)據(jù)存儲功能，其中，UDR用于存儲結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，支持PCF存儲和檢索策略數(shù)據(jù)，支持NEF存儲和檢索用于能力開放的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及應用數(shù)據(jù)，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲功能(UDSF)用于存儲特定的非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。控制面與網(wǎng)絡平臺功能相關(guān)的NF包括網(wǎng)絡開放功能NEF、網(wǎng)絡存儲功能NRF和網(wǎng)絡切片選擇功能NSSF。其中，NEF負責網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的對外開放，NRF負責NF進行登記和管理，NSSF用于管理網(wǎng)絡切片相關(guān)的信息。

    傳統(tǒng)核心網(wǎng)通過專用硬件平臺實現(xiàn)，軟件的復雜性和可靠性要求導致核心網(wǎng)設(shè)備技術(shù)門檻較高，業(yè)界只有少數(shù)主流設(shè)備商具備核心網(wǎng)產(chǎn)品研發(fā)和制造能力。5G核心網(wǎng)的解耦和分離架構(gòu)使得設(shè)備網(wǎng)元間分工清晰，從而為實現(xiàn)輕量5G核心網(wǎng)提供了可能。輕量5G核心網(wǎng)是一種可以采用較少資源實現(xiàn)核心網(wǎng)功能的技術(shù)，通?？梢栽趩蝹€硬件服務器實現(xiàn)所有網(wǎng)元功能。該類型核心網(wǎng)產(chǎn)品具有成本低、體積小、功耗低、可裁剪的特點，可以根據(jù)企業(yè)的實際需求靈活進行方案設(shè)計，最大化保證企業(yè)專網(wǎng)的安全性和網(wǎng)絡管理的自主性，有效降低建網(wǎng)成本以及組網(wǎng)與維護的復雜度。輕量級5G核心網(wǎng)具有廣泛的應用場景。

2 5G輕量核心網(wǎng)技術(shù)

    輕量5G核心網(wǎng)技術(shù)是指采用較少資源實現(xiàn)核心網(wǎng)功能的技術(shù)，通?？梢栽趩蝹€硬件服務器實現(xiàn)所有網(wǎng)元功能。

2.1 當前核心網(wǎng)架構(gòu)的不足

    5G架構(gòu)定義為基于服務的架構(gòu)，控制面引入基于服務的體系架構(gòu)(SBA)，每個NF對外提供服務化的接口。當前架構(gòu)在面向?qū)＞W(wǎng)應用中存在諸多不足：

    (1)標準定義的系統(tǒng)架構(gòu)網(wǎng)元過多，網(wǎng)元之間分工比較細、交互流程過多，不利于核心網(wǎng)提供高效的業(yè)務服務能力；

    (2)配置復雜，不利于緊急狀態(tài)下提供快速上線網(wǎng)絡業(yè)務能力；

    (3)網(wǎng)元數(shù)量過多加大了系統(tǒng)復雜性，同時對設(shè)備能耗需求較大，不利于長時間的通信，特別是應急通信場景應用；

    (4)網(wǎng)元數(shù)量過多加大了部署上的難度，達不到快速組網(wǎng)的目的；

    (5)網(wǎng)元數(shù)量過多在系統(tǒng)業(yè)務初始上線時需要進行服務注冊，增加系統(tǒng)業(yè)務的復雜度。

2.2 輕量核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

    為了滿足低成本和部署簡便的需求，輕量核心網(wǎng)較之傳統(tǒng)核心網(wǎng)進行了諸多改進。

2.2.1 簡化配置

    一方面，通過提供典型配置模板，在應急場景下選擇合適的模板即可開展業(yè)務；另一方面，基于5G核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)與控制面分離的特點，規(guī)范所有網(wǎng)元通過RESTful接口對接網(wǎng)管系統(tǒng)，避免UPF和其他網(wǎng)元配置不統(tǒng)一。

2.2.2 整合網(wǎng)元

    (1)NSSF集成到AMF^[3]

    切片選擇功能網(wǎng)元NSSF^[4]以模塊方式集成到AMF，如圖2所示，用戶接入和會話建立過程直接在其內(nèi)部獲取相關(guān)切片信息，減少了通過SBI到NSSF的繁瑣過程^[5-7]。

    (2)PCF集成到SMF

    將策略控制網(wǎng)元PCF功能以模塊的方式集成到SMF^[8]，如圖3所示，由SMF管理本地策略數(shù)據(jù)維護PCC規(guī)則表。

    (3)AUSF&UDR集成到UDM

    認證網(wǎng)元AUSF^[9-11]以模塊方式集成到UDM，如圖4所示，認證過程直接在其內(nèi)部快速處理。此外，Steering of Roaming(SoR)保護、UE Parameter Update(UPU保護)均可以在UDM內(nèi)部直接處理，減少了認證流程。

2.2.3 策略優(yōu)化

    (1)網(wǎng)元選擇

    在接入和會話流程中，為降低網(wǎng)元之間的交付，提升業(yè)務能力，網(wǎng)元選擇全部采用本地策略選擇。

    (2)策略控制

    標準下的策略控制由PCF動態(tài)生成，涉及的交互流程較多，提供配置命令快速生成策略規(guī)則。

2.2.4 智能部署

    (1)配置模板

    根據(jù)通用場景提前預設(shè)，廠家版本中可提供基本場景下的配置模板，管理員可根據(jù)實際情況提前創(chuàng)建配置模板備用，主要包括：

    ①公共配置模板：N2組網(wǎng)配置、N4組網(wǎng)配置、PLMN配置、TAC配置；

    ②AMF配置模板：認證信息配置；

    ③SMF配置模板：DNN配置、地址池配置、管理UPF配置；

    ④UDM配置模板：AM配置、SM配置；

    ⑤UPF配置模板：NWI、Endpoint配置。

    (2)版本啟動運行

    ①網(wǎng)元啟動：5G 核心網(wǎng)VM啟動后由OAM模塊加載默認配置模板。

    ②基站側(cè)物理連接：當連接了BBU，5G核心網(wǎng)收到BBU接入消息后分配IP地址標識N2組網(wǎng)連接關(guān)系。

    ③UPF側(cè)物理連接：當連接了UPF，5G核心網(wǎng)收到UPF接入消息后分配IP地址標識N4組網(wǎng)連接關(guān)系。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

    5G 核心網(wǎng)對外體現(xiàn)為AMF、SMF、UPF、UDM 4個網(wǎng)元，AUSF、PCF、UDR均集成到主要網(wǎng)元中，以子功能的方式呈現(xiàn)，如圖5所示。

    (1)5G核心網(wǎng)作為控制中心，提供發(fā)現(xiàn)管理BBU和UPF的功能，BBU、UPF、5G核心網(wǎng)物理連接后通過發(fā)現(xiàn)協(xié)議進行物理拓撲自動上線(打通物理通道)。

    (2)5G核心網(wǎng)作為控制面功能，通過OAM模塊配置、告警、跟蹤、日志管理，可通過Telnet或SSH登錄到CLI進行默認配置修改和配置模板選擇，可查看拓撲結(jié)構(gòu)及其默認配置。

    (3)UPF作為用戶面功能實體，有自己的OAM，通過OAM模塊配置、告警、跟蹤、日志管理，可通過Telnet或SSH登錄到CLI進行默認配置修改和配置模板選擇，可使用show命令查看拓撲結(jié)構(gòu)及其配置。

    (4)外部網(wǎng)管對接通過OAM模塊適配SBI接口對接到網(wǎng)管。

    (5)切片選擇網(wǎng)元由AMF內(nèi)部的切片管理模塊代替，減少用戶接入、會話建立同切片網(wǎng)元的交付過程。

    (6)認證流程由UDM內(nèi)部認證管理模塊完成和其他網(wǎng)元的交互，減少AUSF網(wǎng)元的中轉(zhuǎn)過程。

    (7)策略控制由AMF、SMF內(nèi)部的策略管理模塊完成靜態(tài)策略的管理，減少復雜的策略控制流程交互。

    (8)UDR由UDM內(nèi)部的簽約數(shù)據(jù)管理模塊完成簽約數(shù)據(jù)的管理，減少了UDM作為中轉(zhuǎn)者的角色和消息量。

    輕量化5GC網(wǎng)元功能如表1所示。

3 應急通信場景解決方案

3.1 應用場景

    應急通信通常指當前通信網(wǎng)絡設(shè)施被破壞時，為達到特殊通信保障需求的臨時緊急通信網(wǎng)絡。國家應急管理部2018年提出打造“公?；パa、寬窄融合、固移融合”多維無線通信網(wǎng)絡目標，并提出“系統(tǒng)化、扁平化、立體化、智能化、人性化”發(fā)展要求。在搶險救災等應急場景下，5G核心網(wǎng)輕量和易部署的特點將發(fā)揮重要的作用。

    當自然災害發(fā)生時，災區(qū)原有基礎(chǔ)通信設(shè)施、道路設(shè)施、電力設(shè)施等會遭受不同程度的損壞，第一時間的受災信息有效傳輸和現(xiàn)場指揮調(diào)度是災害救援的關(guān)鍵。

    (1)本地公用網(wǎng)絡的快速恢復

    對于自然災害導致傳輸網(wǎng)絡中斷的受災場景，由于本地5G基站和省級核心網(wǎng)連接中斷，將導致業(yè)務受阻。通過本地部署5G輕量核心網(wǎng)，在保證用戶簽約數(shù)據(jù)進行人工同步的前提下，可以基于基本完好的災區(qū)基站快速恢復本地移動網(wǎng)絡通信，滿足基本通信需求。

    (2)現(xiàn)場應急通信系統(tǒng)快速構(gòu)建

    對于自然災害導致本地通信網(wǎng)絡基本癱瘓的受災場景，一方面無法利用現(xiàn)有公網(wǎng)設(shè)施通信；另一方面即使未被破壞的公網(wǎng)設(shè)施也會由于用戶突增導致網(wǎng)絡阻塞。該場景下的應急通信要求具有非常高的機動性、靈活性和適應性。基于應急通信車、便攜式基站和系留式無人機等方式，使用輕量核心網(wǎng)臨時構(gòu)建覆蓋災區(qū)的5G現(xiàn)場應急通信網(wǎng)絡，在保證現(xiàn)場各救援隊伍通信調(diào)度的同時，也可以進一步服務于受災群眾。

3.2 解決方案

    以現(xiàn)場應急通信系統(tǒng)快速構(gòu)建場景為例，方案采用系留式無人機作為飛行平臺，為應急通信服務需求提供信號覆蓋。該系統(tǒng)主要功能包括：

    (1)實時采集應急現(xiàn)場狀況；

    (2)解決現(xiàn)場通信覆蓋；

    (3)實現(xiàn)現(xiàn)場救援隊伍之間的溝通交流；

    (4)實現(xiàn)現(xiàn)場與指揮中心的溝通交流；

    (5)為現(xiàn)場應急資源調(diào)配提供技術(shù)支撐。

    無人機的飛行高度可根據(jù)需求在0～200 m之間進行調(diào)整，并通過與地面收放線箱連接的光電復合線纜為其提供持續(xù)不斷的供電。相應的系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

    該系統(tǒng)由無人機平臺、5G小型化室外基站和輕量核心網(wǎng)組等部分組成。其中，無人機平臺包括無人機、光電混合纜、線纜自動收放線箱和地面控制臺。小型化室外基站由5G BBU、機載4G RRU、機載5G AAU和室外型BBU組成。

    室外型BBU支持通過衛(wèi)星鏈路回傳到公網(wǎng)核心網(wǎng)，可用于廣域網(wǎng)絡通信。同時，可以直接連接本地下沉的輕量核心網(wǎng)，5G終端同時支持使用公網(wǎng)SIM卡實現(xiàn)公網(wǎng)通信和使用私網(wǎng)SIM卡實現(xiàn)應急通信私有網(wǎng)絡的連接。

4 結(jié)論

    本文從快速構(gòu)建應急通信專網(wǎng)的應用場景入手，分析輕量5G核心網(wǎng)的實現(xiàn)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合應急保障典型案例進行部署方案的探索。輕量5G核心網(wǎng)以其低成本、可裁剪、低功耗的優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面下沉的同時，進一步下沉控制面，最大化保證應急專網(wǎng)的安全性和網(wǎng)絡管理的自主性，成為應急通信行業(yè)新的解決方案。

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[11] 3GPP TS 29.512.Session management policy control service[S].2018.

作者信息:

朱雪田1，王秋紅1，張少偉1，侯繼江2

(1.中國電信股份有限公司研究院，北京102209；2.中國電信股份有限公司，北京100033)