0 引言

    第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)能夠以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和性能,，賦能應(yīng)急管理,、交通運(yùn)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(shí)延和高可靠性的網(wǎng)絡(luò)能力，在應(yīng)急通信保障,、地質(zhì)災(zāi)害,、監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急救援等業(yè)務(wù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用場(chǎng)景,。

    5G技術(shù)為基于公網(wǎng)構(gòu)建應(yīng)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(diǎn)和不確定因素。應(yīng)急通信場(chǎng)景提出了快捷組網(wǎng),、配置簡(jiǎn)單,、易于維護(hù)等需求，現(xiàn)有5G標(biāo)準(zhǔn)SBA架構(gòu)依然存在網(wǎng)元較多,、業(yè)務(wù)過程復(fù)雜,、配置復(fù)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(shì)，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面下沉的同時(shí),，進(jìn)一步下沉控制面,，最大化保證應(yīng)急專網(wǎng)的安全性和網(wǎng)絡(luò)管理的自主性，成為應(yīng)急通信行業(yè)新的解決方案,。

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

1 核心網(wǎng)輕量化的必要性

    作為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的核心部分,，核心網(wǎng)起到承上啟下的作用，主要負(fù)責(zé)處理終端用戶的移動(dòng)管理,、會(huì)話管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)三嫶笄覐?fù)雜的功能^[1-2],。

    較之以往移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization,，NFV)云原生的設(shè)計(jì)思想,，基于x86平臺(tái)的通用服務(wù)器和優(yōu)化后的OpenStack等開源虛擬化平臺(tái)，通過軟件化,、模塊化和服務(wù)化(Service-based Architecture,，SBA)方式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，在服務(wù)化架構(gòu)下,，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能(Network Function,，NF)獨(dú)立自治，無論新增,、升級(jí)還是改造都不會(huì)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(fù)責(zé)用戶的移動(dòng)性和接入管理；SMF(Session Management Function)負(fù)責(zé)用戶會(huì)話管理功能,；UDM(Unified Data Management)負(fù)責(zé)前臺(tái)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理,，包括用戶標(biāo)識(shí)、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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)后臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,，其中,，UDR用于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，支持PCF存儲(chǔ)和檢索策略數(shù)據(jù),，支持NEF存儲(chǔ)和檢索用于能力開放的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及應(yīng)用數(shù)據(jù),，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能(UDSF)用于存儲(chǔ)特定的非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)?？刂泼媾c網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)功能相關(guān)的NF包括網(wǎng)絡(luò)開放功能NEF、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)功能NRF和網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能NSSF,。其中,，NEF負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的對(duì)外開放，NRF負(fù)責(zé)NF進(jìn)行登記和管理,，NSSF用于管理網(wǎng)絡(luò)切片相關(guān)的信息,。

    傳統(tǒng)核心網(wǎng)通過專用硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn),，軟件的復(fù)雜性和可靠性要求導(dǎo)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(shí)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(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)功能的技術(shù),，通?？梢栽趩蝹€(gè)硬件服務(wù)器實(shí)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(diǎn),，可以根據(jù)企業(yè)的實(shí)際需求靈活進(jìn)行方案設(shè)計(jì),，最大化保證企業(yè)專網(wǎng)的安全性和網(wǎng)絡(luò)管理的自主性，有效降低建網(wǎng)成本以及組網(wǎng)與維護(hù)的復(fù)雜度,。輕量級(jí)5G核心網(wǎng)具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)功能的技術(shù)，通?？梢栽趩蝹€(gè)硬件服務(wù)器實(shí)現(xiàn)所有網(wǎng)元功能,。

2.1 當(dāng)前核心網(wǎng)架構(gòu)的不足

    5G架構(gòu)定義為基于服務(wù)的架構(gòu)，控制面引入基于服務(wù)的體系架構(gòu)(SBA),，每個(gè)NF對(duì)外提供服務(wù)化的接口,。當(dāng)前架構(gòu)在面向?qū)＞W(wǎng)應(yīng)用中存在諸多不足：

    (1)標(biāo)準(zhǔn)定義的系統(tǒng)架構(gòu)網(wǎng)元過多，網(wǎng)元之間分工比較細(xì),、交互流程過多,，不利于核心網(wǎng)提供高效的業(yè)務(wù)服務(wù)能力；

    (2)配置復(fù)雜,，不利于緊急狀態(tài)下提供快速上線網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)能力,；

    (3)網(wǎng)元數(shù)量過多加大了系統(tǒng)復(fù)雜性，同時(shí)對(duì)設(shè)備能耗需求較大,，不利于長(zhǎng)時(shí)間的通信,，特別是應(yīng)急通信場(chǎng)景應(yīng)用；

    (4)網(wǎng)元數(shù)量過多加大了部署上的難度,，達(dá)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(wù)初始上線時(shí)需要進(jìn)行服務(wù)注冊(cè)，增加系統(tǒng)業(yè)務(wù)的復(fù)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(jiǎn)便的需求,，輕量核心網(wǎng)較之傳統(tǒng)核心網(wǎng)進(jìn)行了諸多改進(jìn)。

2.2.1 簡(jiǎn)化配置

    一方面，通過提供典型配置模板,，在應(yīng)急場(chǎng)景下選擇合適的模板即可開展業(yè)務(wù),；另一方面，基于5G核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)與控制面分離的特點(diǎn),，規(guī)范所有網(wǎng)元通過RESTful接口對(duì)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(huì)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(hù)PCC規(guī)則表,。

    (3)AUSF&UDR集成到UDM

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

2.2.3 策略優(yōu)化

    (1)網(wǎng)元選擇

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

    (2)策略控制

    標(biāo)準(zhǔn)下的策略控制由PCF動(dòng)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(chǎng)景提前預(yù)設(shè),，廠家版本中可提供基本場(chǎng)景下的配置模板,，管理員可根據(jù)實(shí)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(rèn)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(dòng)運(yùn)行

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

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

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

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

    5G 核心網(wǎng)對(duì)外體現(xiàn)為AMF、SMF,、UPF,、UDM 4個(gè)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(jìn)行物理拓?fù)渥詣?dòng)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(jìn)行默認(rèn)配置修改和配置模板選擇,，可查看拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其默認(rèn)配置,。

    (3)UPF作為用戶面功能實(shí)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(jìn)行默認(rèn)配置修改和配置模板選擇，可使用show命令查看拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其配置,。

    (4)外部網(wǎng)管對(duì)接通過OAM模塊適配SBI接口對(duì)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(huì)話建立同切片網(wǎng)元的交付過程,。

    (6)認(rèn)證流程由UDM內(nèi)部認(rèn)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(fù)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(yīng)急通信場(chǎng)景解決方案

3.1 應(yīng)用場(chǎng)景

    應(yīng)急通信通常指當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施被破壞時(shí),，為達(dá)到特殊通信保障需求的臨時(shí)緊急通信網(wǎng)絡(luò),。國家應(yīng)急管理部2018年提出打造“公專互補(bǔ),、寬窄融合,、固移融合”多維無線通信網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)，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(xiǎn)救災(zāi)等應(yīng)急場(chǎng)景下，5G核心網(wǎng)輕量和易部署的特點(diǎn)將發(fā)揮重要的作用,。

    當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時(shí),，災(zāi)區(qū)原有基礎(chǔ)通信設(shè)施、道路設(shè)施,、電力設(shè)施等會(huì)遭受不同程度的損壞,，第一時(shí)間的受災(zāi)信息有效傳輸和現(xiàn)場(chǎng)指揮調(diào)度是災(zāi)害救援的關(guān)鍵。

    (1)本地公用網(wǎng)絡(luò)的快速恢復(fù)

    對(duì)于自然災(zāi)害導(dǎo)致傳輸網(wǎng)絡(luò)中斷的受災(zāi)場(chǎng)景,，由于本地5G基站和省級(jí)核心網(wǎng)連接中斷,，將導(dǎo)致業(yè)務(wù)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(jìn)行人工同步的前提下,，可以基于基本完好的災(zāi)區(qū)基站快速恢復(fù)本地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信，滿足基本通信需求,。

    (2)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)快速構(gòu)建

    對(duì)于自然災(zāi)害導(dǎo)致本地通信網(wǎng)絡(luò)基本癱瘓的受災(zāi)場(chǎng)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(huì)由于用戶突增導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞,。該場(chǎng)景下的應(yīng)急通信要求具有非常高的機(jī)動(dòng)性,、靈活性和適應(yīng)性,。基于應(yīng)急通信車,、便攜式基站和系留式無人機(jī)等方式,，使用輕量核心網(wǎng)臨時(shí)構(gòu)建覆蓋災(zāi)區(qū)的5G現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，在保證現(xiàn)場(chǎng)各救援隊(duì)伍通信調(diào)度的同時(shí),，也可以進(jìn)一步服務(wù)于受災(zāi)群眾,。

3.2 解決方案

    以現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信系統(tǒng)快速構(gòu)建場(chǎng)景為例，方案采用系留式無人機(jī)作為飛行平臺(tái),，為應(yīng)急通信服務(wù)需求提供信號(hào)覆蓋。該系統(tǒng)主要功能包括：

    (1)實(shí)時(shí)采集應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)狀況,；

    (2)解決現(xiàn)場(chǎng)通信覆蓋,；

    (3)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)救援隊(duì)伍之間的溝通交流；

    (4)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)與指揮中心的溝通交流,；

    (5)為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急資源調(diào)配提供技術(shù)支撐,。

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

    該系統(tǒng)由無人機(jī)平臺(tái)、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(jī)平臺(tái)包括無人機(jī)、光電混合纜,、線纜自動(dòng)收放線箱和地面控制臺(tái),。小型化室外基站由5G BBU、機(jī)載4G RRU,、機(jī)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(luò)通信,。同時(shí),，可以直接連接本地下沉的輕量核心網(wǎng)，5G終端同時(shí)支持使用公網(wǎng)SIM卡實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)通信和使用私網(wǎng)SIM卡實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信私有網(wǎng)絡(luò)的連接,。

4 結(jié)論

    本文從快速構(gòu)建應(yīng)急通信專網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景入手,，分析輕量5G核心網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合應(yīng)急保障典型案例進(jìn)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(shì),，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面下沉的同時(shí),，進(jìn)一步下沉控制面,，最大化保證應(yīng)急專網(wǎng)的安全性和網(wǎng)絡(luò)管理的自主性，成為應(yīng)急通信行業(yè)新的解決方案,。

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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)