5G独立组网与非独立组网部署方案分析

朱颖 杨思远 朱浩 王海梅 张晶

【摘  要】5G阶段移动核心网引入新型架构，对5G组网和4G/5G共存演进产生影响。首先介绍了5G核心网架构和组网标准化最新进展，随后对独立组网和非独立组网方案的差别进行了分析，最后提出了5G部署初期独立组网的部署方案。

【关键词】5G核心网;NFV;独立组网;非独立组网

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.007        中圖分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）01-0040-06

引用格式：朱颖，杨思远，朱浩，等. 5G独立组网与非独立组网部署方案分析[J]. 移动通信， 2019，43（1）： 40-45

Analysis on Deployment Schemes for 5G Standalone and

Non-Standalone Mode

ZHU Ying， YANG Siyuan， ZHU Hao， WANG Haimei， ZHANG Jing

（China Academy of Information & Communication Technology， Beijing 100089， China）

[Abstract] The introduction of new architecture into the core network has impacts on both the evolution of 5G networks and the coexistence between 4G and 5G. Firstly， the latest advances of 5G core network architecture and networking standardization are elaborated. Then， the difference between the standalone and non-standalone scheme is analyzed. Finally， the standalone deployment scheme at the early stage of 5G is presented.

[Key words]5GC; NFV; SA; NSA

1    引言

随着5G标准冻结，商用部署提上议程，5G愿景中所描绘的未来美好的全社会信息化生活正在从畅想走向现实。相对于传统移动通信系统换代时聚焦于人的信息服务能力的纵向提高，5G系统设计转向对全社会信息互联需求的全面广度覆盖，旨在构建万物互联的信息基础设施。

作为无线接入和业务应用的控制中介及转发枢纽，5G核心网引入全新设计，以实现对广域化、个性化业务需求的全覆盖。5GC原生支持云化架构，采用基于服务的架构和功能设计支持更广泛的接入、更灵活的控制和转发以及更友好的能力开放。5GC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。5GC将从4G核心网（EPC）传统的互联网接入管道转型为社会综合信息化的赋能者。

然而，标准的冻结仅仅是漫长部署转型工作的起点，5G组网面临CT和IT相融合的挑战。此外，为了抢占5G首发的先机，部分国外运营商在5G标准规划时即提出了基于EPC的非独立组网方案。多组网选项对5G网络向虚拟化、服务化的目标架构演进产生影响。因此，需要在5G部署初期加强针对独立组网与非独立组网部署方案的研究，提出可行的5GC演进部署技术路线，兼顾当前业务迫切需求和网络适当超前发展的平衡。

本文将对5G核心网架构和组网的标准化进展进行介绍，在考虑NFV建设因素的条件下，对基于EPC的非独立组网和基于5GC的独立组网方案进行对比，明确独立组网方案面临的挑战，在此基础上给出5GC部署方案和实施步骤建议。

2   基于服务的5G核心网架构

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，移动网络在5G阶段实现架构、功能和平台的全面重构，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。与技术升级相配合，5G阶段全球运营商同步推进从网络提供商向综合信息服务提供商的转型，致力于为全社会各行业信息化需求提供创新应用和定制化的网络服务。

3GPP（3rd Generation Partnership Project，3G伙伴项目）于2018年6月发布第一个独立组网5G标准。3GPP计划通过R15和R16两个版本的标准满足ITU IMT-2020全部需求，其中R15为5G基础版本，重点支持增强移动宽带业务和基本的低时延高可靠业务，R16为5G增强版本，将支持更丰富的物联网和低时延高可靠业务。

R15版本核心网引入IT的“微服务”理念[1]。如图1所示，系统架构中的元素被定义为一些由服务构成的网络功能，这些功能可以被部署在任何合适的地方，通过统一的接口调用框架为其它许可的网络功能提供服务。这种架构模式采用模块化、可重用性和自包含原则来构建网络功能，使得运营商部署网络时能充分利用最新的虚拟化和软件技术，以细粒度的方式更新网络的任一服务组件，或将不同的服务组件聚合起来构建服务切片。

5GC实现彻底的控制与转发分离。控制平面方面，5GC可提供异构接入技术统一的接入、安全和签约管理服务框架;可根据不同的移动性、会话服务质量和策略控制要求提供定制化的功能和业务流程。5GC控制平面接口协议设计将以HTTP为基础，便于运营商自有或第三方网络服务开发。转发平面方面，5GC支持业务数据流的智能分流，实现边缘、数据中心和云计算节点间按需互联。此外，基于数据计算和存储相互分离的思想，5GC还引入实现非结构化数据存储的可选功能，并为任意控制面网络功能提供上下文检索功能。

目前，3GPP系统架构工作（SA2）已经全面展开R16的标准化工作，预计在2019年6月冻结。R16重点项目包括：物联网、车联网、低时延高可靠场景，以及面向垂直行业的架构增强、大数据/AI赋能网络自动化和增强微服务化架构等。5G核心网将沿着服务化和云化的方向演进，容纳更广泛的接入场景，与垂直行业需求深度融合，引入人工智能等新的使能技术，推动信息化社会从“万物互联”迈向“万物智联”。

全面虚拟化、网络切片、边缘计算以及灵活的业务支持是业界对完整5G系统的功能期望，也是移动通信产业发展新机会。但当前4G移动数据流量爆发对网络容量和业务模式的冲击，不同运营商频谱资源、5G定位和部署计划的差异，使得一些运营商希望利用现有的设备和技术，在成熟业务领域及早启动5G商用组网，获得领先地位。

3   5G组网进展综述

3GPP标准分阶段支持多种5G组网架构[2]，具体可以分为三个子阶段，如图2所示。

第一个子阶段为2017年12月完成的基于EPC的非独立组网标准（option3），此版本只引入5G新空口（NR），控制面锚定在4G基站（LTE）侧。EPC扩展接入、签约和计费功能支持NR接入，用户面利用NR和LTE双连接提升热点带宽容量，增强移动宽带业务能力。

第二子阶段为2018年6月完成基于5GC可独立组网标准（option2），此版本采用端到端5G系统，含5G基站和服务化架构的5GC，并通过N26接口实现与EPC的互操作。此架构提供支持增强移动宽带和基础低时延高可靠业务的能力，提供网络切片、边缘计算新功能。

第三个子阶段旨在支持更多基于5GC的组网方案，为运营商提供更多选择。其中，option4在option2的基础上，借助增强LTE（eLTE）空口实现用户面与NR的双连接能力;option5是独立组网方案，支持eLTE接入5GC;option7要求eLTE接入5GC互连，NR空口仍作为从站（SeNB）。子阶段三标准化工作计划在2019年3月份冻结。

如图3所示，5GC支持各种接入技术，作为目标架构的演进方向已经成为全球业界的共识。然而，在5G部署初期，选择独立组网（option2）或是非独立组网方案（option3），如何实现4G系统与5G系统共存和平滑演进，需要运营商从业务技术创新节奏、商用部署复杂度和现网成本保护等方面进行综合评估。

4   NSA和SA部署方案对比

初期5G组网方案在核心网方面有两种选择：一是升级现网EPC支持非独立组网的option3部署架構;二是新建5GC，支持独立组网option2方案，推动架构和基础设施的跨越发展。需要特别指出，5G网络部署正好与NFV平台建设相重叠，因此5G组网方案进一步展开为：

（1）利用传统硬件，升级EPC软件支持非独立组网的option3部署架构;

（2）升级虚拟化vEPC，支持非独立组网的option3部署架构;

（3）新建5GC，支持独立组网option2部署架构。

综上所述，非独立组网无法提供完整的5G能力，与未来网络目标架构不兼容，表面上能占据首发的先机，但失去的可能是4G现网稳定性和5G新兴市场机会。与之相对，独立组网方案是运营商网络架构和业务能力的跨越式发展，全面满足万物互联的5G愿景，信息基础设施的适当超前发展有利于推动5G全产业生态的成熟。

从目前发布的商用计划来看，除了极个别运营商选择用5G做增强的固定无线接入系统外，全球大部分运营商都选择了“云化组网→EPC升级→5GC”的演进路线。以中国移动为代表的中国运营商集团率先提出面向5GC独立组网行动计划[3]，从头开始规划端到端完整的5G网络建设，探索技术革新和产业升级相融共进的道路。

5   5G独立组网部署推进步骤建议

在5G商用有限的时间窗口期内，完成独立组网所需的基础设施云化改造、5GC服务化架构部署、4G/5G兼容共存以及网络配套系统改造是重大的挑战，需要全产业界坚定信心，合理规划和持续推进。

5G独立组网实施从时间上大体上分为两个阶段，如图4所示，2018年到2020年为电信云建设阶段，完成数据中心组网、NFV系统集成以及5G系统概念和组网验证，保证5GC达到规模组网的功能要求;2020年以后为核心网融合部署阶段，利用云平台灵活部署和快速迭代的优势，持续性地上线新功能和新业务，促进4G/5G融合。

（1）电信云建设阶段重点完成电信网基础设施云化部署和5GC功能验证，NFV作为5G独立组网的必要使能技术，需要先于5G组网完成部署，并不断积累NFV平台集成、业务管理与编排以及资源调度的运行经验。针对移动核心网业务，运营商可利用电信设备制造商开展初始阶段的NFV平台集成，收敛多厂家、多类别的软硬件资源，支持软硬件解耦甚至三层解耦能力，综合利用加速方案提升信令处理和数据转发性能。

组网方面可采用“中心-边缘”两级数据中心的组网方案。中心级数据中心一般部署于大区或省会中心城市，主要用于承载全网集中部署的网络功能，如网管/运营系统、业务与资源编排以及5GC控制面功能和互联网出口网关等。边缘级数据中心一般部署于地市级汇聚和接入局点，主要用于卸载本地业务数据流，部署边缘计算网关和业务平台，以及特定业务切片的核心网功能。数据中心间通过SDN（软件定义网络，Software Defined Network）控制器联动提供跨数据中心的灵活组网支持。

基于电信云，运营商可同步推进EPC升级和5GC概念验证。EPC侧重验证升级的控制/转发平面分离架构，并为非独立组网做好必要的准备。5GC重点验证新功能特性和接口协议，确定5GC部署初期必选功能、接口及业务流程，有针对性地开展面向商用的功能验证和性能加固工作，明确5GC业务功能与NFV平台的对接方案。

（2）核心网融合部署阶段的重点是完善5G核心网相关的配套系统建设，并实现4G/5G互操作，利用NFV平台快速业务上线、灵活功能迭代的特性，运营商可以在部署初期上线一个较小规模的5G网络，根据实际业务需求和市场反馈，灵活选择网络架构和功能，按需扩展，实现4G/5G核心网共存、互操作和融合，最终达成5G融合核心网的架构目标。

在上一阶段功能验证的基础上开展5GC SA组网试验，并平滑过渡到规模组网。这一阶段重点对5GC开展不同应用场景下的架构、功能和性能验证，包括MME和AMF间N26接口互操作方案、4G/5G功能合设方案、物理/虚拟化设备组池方案、5GC HTTP信令网建设方案和语音方案的选型和验证工作。

随着5GC全面部署以及传统设备规模的收缩，5G将逐步演进至全云化融合核心网架构，即EPC和5GC能够部署在相同的基础设施上，容纳更多类型的接入技术，并在R16的服务框架下共享更多的公共服务，如路由、负载调度和统一数据库等，EPC和5GC的网元功能可以根据第三方对接入、转发等综合业务需求灵活编排，构建网络切片，满足多样化、复合型业务场景的接入和组网需求。

6   结论

在5G部署初期存在基于5GC的独立组网和基于EPC的非独立组网两种方案，不同组网选项对5G商用能力和目标架构演进存在影响。为实现5G网络基础设施和业务能力的跨越式发展，全面满足万物互联的愿景，运营商宜完整规划端到端5G网络建设，积极推动5GC独立组网行动计划落地，持续推进网络基础设施云化转型和5G核心网新架构商用成熟，面向垂直行业拓展新业务模式，进而促进信息化社会从“万物互联”到“万物智联”的发展。

参考文献：

[1] 3GPP TS 23.501. System Architecture for the 5G System， v15.2.0[S]. 2018.

[2] 3GPP TS 29.501. 5G System; Principles and Guidelines for Services Definition; v15.0.0[S]. 2018.

[3] 杜滢，朱浩，杨红梅，等. 5G移动通信技术标准综述[J]. 电信科学， 2018（8）： 2-9.

[4] 杨旭，肖子玉，邵永平，等. 面向5G的核心网演进规划[J]. 电信科学， 2018（6）： 162-170.

[5] IMT-2020（5G）推进组. 5G核心网云化部署需求与关键技术白皮书[S]. 2018.

[6] 王慶扬，谢沛荣，熊尚坤，等. 5G关键技术与标准综述[J].电信科学， 2017（11）： 112-122.

[7] 孙韶辉，高秋彬，杜滢，等. 5G移动通信系统设计与标准化进展[J]. 北京邮电大学学报， 2018（11）.

[8] 5G网络架构设计与标准化进展[J]. 电信科学， 2016（4）： 126-132.

[9] IMT-2020（5G）推进组. 5G网络架构设计白皮书[S]. 2016.

[10] IMT-2020（5G）推进组. 5G网络技术架构白皮书[S]. 2015.