0 引言

    第五代移動通信技術(5G)能夠以全新的網絡架構和性能，賦能應急管理、交通運輸、醫療健康等垂直行業的信息化發展。5G憑借大帶寬、低時延和高可靠性的網絡能力，在應急通信保障、地質災害、監測預警、應急救援等業務領域具有廣泛應用場景。

    5G技術為基于公網構建應急通信專網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、配置簡單、易于維護等需求，現有5G標準SBA架構依然存在網元較多、業務過程復雜、配置復雜等不足。輕量5G核心網以其低成本、可裁剪、低功耗的優勢，在數據轉發面下沉的同時，進一步下沉控制面，最大化保證應急專網的安全性和網絡管理的自主性，成為應急通信行業新的解決方案。

    本文從基于構建應急通信專網應用場景入手，分析輕量5G核心網的實現架構和關鍵技術，并結合應急保障典型案例進行部署方案的探索。

1 核心網輕量化的必要性

    作為移動通信網絡的核心部分，核心網起到承上啟下的作用，主要負責處理終端用戶的移動管理、會話管理和數據傳輸等龐大且復雜的功能^[1-2]。

    較之以往移動通信網絡設備基于專有硬件設備而言，5G核心網提出分離式架構，一方面通過網絡功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)云原生的設計思想，基于x86平臺的通用服務器和優化后的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)方式構建網絡，在服務化架構下，各個網絡功能(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和接入網等不同層面，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)負責前臺數據的統一處理，包括用戶標識、用戶簽約數據、鑒權數據等；AUSF(Authentication Server Function)配合UDM專門負責用戶鑒權數據相關的處理；UDR(Unified Data Repository)和UDSF(Unstructured Data Strorage Network Function)負責后臺數據存儲功能，其中，UDR用于存儲結構化數據，支持PCF存儲和檢索策略數據，支持NEF存儲和檢索用于能力開放的結構化數據以及應用數據，非結構化數據存儲功能(UDSF)用于存儲特定的非結構化的數據?？刂泼媾c網絡平臺功能相關的NF包括網絡開放功能NEF、網絡存儲功能NRF和網絡切片選擇功能NSSF。其中，NEF負責網絡數據的對外開放，NRF負責NF進行登記和管理，NSSF用于管理網絡切片相關的信息。

    傳統核心網通過專用硬件平臺實現，軟件的復雜性和可靠性要求導致核心網設備技術門檻較高，業界只有少數主流設備商具備核心網產品研發和制造能力。5G核心網的解耦和分離架構使得設備網元間分工清晰，從而為實現輕量5G核心網提供了可能。輕量5G核心網是一種可以采用較少資源實現核心網功能的技術，通?？梢栽趩蝹€硬件服務器實現所有網元功能。該類型核心網產品具有成本低、體積小、功耗低、可裁剪的特點，可以根據企業的實際需求靈活進行方案設計，最大化保證企業專網的安全性和網絡管理的自主性，有效降低建網成本以及組網與維護的復雜度。輕量級5G核心網具有廣泛的應用場景。

2 5G輕量核心網技術

    輕量5G核心網技術是指采用較少資源實現核心網功能的技術，通?？梢栽趩蝹€硬件服務器實現所有網元功能。

2.1 當前核心網架構的不足

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

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

    (2)配置復雜，不利于緊急狀態下提供快速上線網絡業務能力；

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

    (4)網元數量過多加大了部署上的難度，達不到快速組網的目的；

    (5)網元數量過多在系統業務初始上線時需要進行服務注冊，增加系統業務的復雜度。

2.2 輕量核心網關鍵技術

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

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務；另一方面，基于5G核心網轉發與控制面分離的特點，規范所有網元通過RESTful接口對接網管系統，避免UPF和其他網元配置不統一。

2.2.2 整合網元

    (1)NSSF集成到AMF^[3]

    切片選擇功能網元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部獲取相關切片信息，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管理本地策略數據維護PCC規則表。

    (3)AUSF&UDR集成到UDM

    認證網元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內部直接處理，減少了認證流程。

2.2.3 策略優化

    (1)網元選擇

    在接入和會話流程中，為降低網元之間的交付，提升業務能力，網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動態生成，涉及的交互流程較多，提供配置命令快速生成策略規則。

2.2.4 智能部署

    (1)配置模板

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

    ①公共配置模板：N2組網配置、N4組網配置、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網元啟動：5G 核心網VM啟動后由OAM模塊加載默認配置模板。

    ②基站側物理連接：當連接了BBU，5G核心網收到BBU接入消息后分配IP地址標識N2組網連接關系。

    ③UPF側物理連接：當連接了UPF，5G核心網收到UPF接入消息后分配IP地址標識N4組網連接關系。

2.3 系統架構

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

    (1)5G核心網作為控制中心，提供發現管理BBU和UPF的功能，BBU、UPF、5G核心網物理連接后通過發現協議進行物理拓撲自動上線(打通物理通道)。

    (2)5G核心網作為控制面功能，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，可查看拓撲結構及其默認配置。

    (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命令查看拓撲結構及其配置。

    (4)外部網管對接通過OAM模塊適配SBI接口對接到網管。

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

    (6)認證流程由UDM內部認證管理模塊完成和其他網元的交互，減少AUSF網元的中轉過程。

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

    (8)UDR由UDM內部的簽約數據管理模塊完成簽約數據的管理，減少了UDM作為中轉者的角色和消息量。

    輕量化5GC網元功能如表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絡設施被破壞時，為達到特殊通信保障需求的臨時緊急通信網絡。國家應急管理部2018年提出打造“公?；パa、寬窄融合、固移融合”多維無線通信網絡目標，并提出“系統化、扁平化、立體化、智能化、人性化”發展要求。在搶險救災等應急場景下，5G核心網輕量和易部署的特點將發揮重要的作用。

    當自然災害發生時，災區原有基礎通信設施、道路設施、電力設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場指揮調度是災害救援的關鍵。

    (1)本地公用網絡的快速恢復

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

    (2)現場應急通信系統快速構建

    對于自然災害導致本地通信網絡基本癱瘓的受災場景，一方面無法利用現有公網設施通信；另一方面即使未被破壞的公網設施也會由于用戶突增導致網絡阻塞。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?；趹蓖ㄐ跑?、便攜式基站和系留式無人機等方式，使用輕量核心網臨時構建覆蓋災區的5G現場應急通信網絡，在保證現場各救援隊伍通信調度的同時，也可以進一步服務于受災群眾。

3.2 解決方案

    以現場應急通信系統快速構建場景為例，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。該系統主要功能包括：

    (1)實時采集應急現場狀況；

    (2)解決現場通信覆蓋；

    (3)實現現場救援隊伍之間的溝通交流；

    (4)實現現場與指揮中心的溝通交流；

    (5)為現場應急資源調配提供技術支撐。

    無人機的飛行高度可根據需求在0～200 m之間進行調整，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不斷的供電。相應的系統架構如圖6所示。

    該系統由無人機平臺、5G小型化室外基站和輕量核心網組等部分組成。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支持通過衛星鏈路回傳到公網核心網，可用于廣域網絡通信。同時，可以直接連接本地下沉的輕量核心網，5G終端同時支持使用公網SIM卡實現公網通信和使用私網SIM卡實現應急通信私有網絡的連接。

4 結論

    本文從快速構建應急通信專網的應用場景入手，分析輕量5G核心網的實現架構和關鍵技術，并結合應急保障典型案例進行部署方案的探索。輕量5G核心網以其低成本、可裁剪、低功耗的優勢，在數據轉發面下沉的同時，進一步下沉控制面，最大化保證應急專網的安全性和網絡管理的自主性，成為應急通信行業新的解決方案。

參考文獻

[1] 3GPP TS 23.501.System architecture for the 5G system；stage 2[S].2018.

[2] 3GPP TS 23.502.Procedures for the 5G system；stage 2[S].2018.

[3] 3GPP TS 29.518.5G system；access and mobility management services；stage 3[S].2019.

[4] 3GPP TS 29.244.Interface between the control plane and the user plane nodes；stage 3[S].2018.

[5] 3GPP TS 29.512.Session management policy control service；stage 3[S].2018.

[6] 3GPP TS 29.508.5G system；session management event exposure service；stage 3[S].2018.

[7] 3GPP TS 29.502.5G system：session management services；stage 3[S].2019.

[8] 3GPP TS 29.503.Unified data management services[S].2019.

[9] 3GPP TS 38.415.PDU session user plane protocol[S].2018.

[10] 3GPP TS 29.507.Access and mobility policy control service[S].2019.

[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)