轻量化5G核心网的实现方式

自2019年6月我国发放5G商用牌照以来，5G基础设施建设不断完善，5G用户数量迅速增长。同时，5G to B优势不断凸显，行业用户对网络可靠性、数据保密性等需求愈加迫切。由于基于公网的5G核心网难以满足专网需求，越来越多的行业用户明确提出了建设5G to B专用核心网的诉求。轻量化5G核心网（5G Lightweight Core Network，简称轻量化5GC）基于主流的专网建网模式研发，是产业界探索灵活便捷、低成本的5G行业专网的一大发展方向。

轻量化5GC的实现方式

传统通信系统通过专用硬件平台实现核心网部署。核心网软硬件配置较为复杂，且具有高可靠性要求，因此，产业界只有部分专业设备厂商具备核心网产品的研发制造能力。进入5G时代后，核心网将控制面和用户面彻底分离，原有架构下的网元被拆分为多个网络功能，这种方案更加匹配服务化架构，各个网络功能形成独立体系，新增、升级网元不会影响其他网元。

5G核心网分离架构明确了各网元间的分工，为轻量化5GC的实现提供了保障。轻量化5GC设备是一种利用较少资源实现核心网主要功能的技术产品，通常在单个硬件服务器上就能实现全部的核心网网元功能。同时，轻量化5GC设备具有体积小、能耗低、可裁剪、价格低等特点，充分降低了企业建网成本、网络运维复杂度。企业可以根据自身业务需求灵活定制核心网方案，最大程度地保障了专网安全性与数据自主性。在企业探索5G专网建设的背景下，轻量级5GC设备具有广阔的市场空间。

5G核心网的核心功能包括以安全方式建立会话、转发用户数据以及为移动终端提供数据连接等，具体包括接入和移动性管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）、用户面功能（UPF）、统一数据管理功能（UDM）、统一数据存储库（UDR）、鉴权服务器功能（AUSF）及网络储存功能（NRF）等（见图1）。

图1 5GC核心功能架构

目前，轻量化5GC基于标准5GC功能架构进行了面向行业用户的定制化裁剪。其中，拥有简式结构的轻量化5GC产品集成AMF、SMF、UDM和UPF四大网络功能。

现阶段，轻量化5GC的部署方式可归纳为3种。一是云部署模式。轻量化5GC各网络功能整体部署在云计算厂商的云平台上，5GC的全部网元均在云平台上运行，并接受云平台的统一管理。企业用户的5G基站经由网络专线接入云平台，通过5GC实现互联，进而形成一张完整的5G专网。企业用户在该模式下可按照业务需求定制软件功能，利用云计算厂商提供的资源池化及调度能力，灵活调整5G专网配置，与云平台上的其他业务系统实现无缝集成。二是一体机部署模式。轻量化5GC部署在一体机上，并在企业机房内以独立设备的形态运行。该模式中5GC各网元均运行在一体机中，使得核心网部署具有较强的场地适应能力，方便企业现场灵活使用，并通过内部网络与企业用户的5G基站及其他信息系统进行对接，形成一体化的5G专网。在此模式下，企业用户应具备系统管理能力，自行对5G专网进行配置管理。三是混合部署模式。企业根据自身的保密要求和业务模式将轻量化5GC灵活拆分，其中一部分网元采用云化方式部署，另一部分网元采用一体机方式部署。通常情况下，5GC控制面网元部署在云厂商提供的云平台上，5GC数据面网元部署在企业机房的一体机中。该模式下，企业用户既可以借助云平台的能力对5G控制面实现弹性部署及高可用保障，又能够利用一体机的独立部署特性，一定程度上满足数据保密需求。

轻量化5GC的产品现状

轻量化5GC面向制造、能源、交通、政务等领域开展定制化服务，应用场景以园区/大企业专网、企业跨域局域网、物联网、应急通信等为主。轻量化5GC的垂直行业应用需求主要来自于各类数据采集和工业自动化，适配制造业、能源与公用事业、运输及物流行业等业务场景。当前三大运营商在垂直行业已实施的5G专网重点项目以制造业、电力、港口为主，在智慧制造、智慧工厂、智能电网、智慧港口、车联网领域均进行了5G专网应用落地，主要业务涵盖设备远程操控、数据海量采集、现场移动作业等场景。

面向行业应用，运营商针对轻量化5GC广泛开展产品研发和应用试验，利用定制化5G网络补充现有公网能力。其中，中国电信天翼云轻量化5GC采用云原生架构（见图2），可以依据客户业务需求灵活地选择UPF设备和部署方式，进而面向车联网、工业控制、智慧园区等行业及中小企业，提供多样、差异、灵活的5G行业专网服务，具备灵活部署、极简高效、安全可靠等优势，实现了“一键部署”、“小时级开通”、用户自服务等特性，可以面向垂直行业提供“5G网络即插即用”的专网级网络服务能力。

图2  天翼云轻量化5GC示意

中国移动推出轻量化5G核心网OpenUPF一体机（详见图3），使得5G可以在真正有业务需求的园区、楼宇、厂区、港口等热点地区精确、快速覆盖。OpenUPF一体机中具有基于开源、N4解耦设计的自研UPF，轻量化、模块化的设计理念，虚拟化、软件化的实现方式，OTII通用服务器、白盒设备，低功耗的便携半高小机柜。小型SPN保障了端到端的硬切片管道、高安全隔离性和确定性时延。

图3  中国移动OpenUPF服务架构

中国联通面向企业5G专网建设需求发布了5G轻量化一体机。5G专网一体机EdgePack集5G独立专网、边缘算力、行业应用于一体，以多种规格配置满足工业企业不同的应用场景和网络能力需求。5G边缘一体机EdgePOD聚焦5G边缘能力，将算力服务下沉至工业园区，满足企业对生产的高可靠性、高安全性需求，结合定制化边缘增值服务，实现5G边缘应用“即插即用”。

通信设备厂商也积极按照产业需求研发打造小型软硬一体化5GC。中兴通讯发布了面向5G行业专网的小型化i5GC（即行业5G核心网）解决方案，i5GC深度融合、优化5G核心网功能，采用2U通用服务器实现了多网元的一体化，可根据用户对安全性、流量处理和自主程度等的多样化需求进行灵活定制，为不同场景提供用户面功能（UPF）下沉、流量就近转发、用户数据本地管理等不同的功能组合和部署形态。三星于2020年宣布可提供商用的基于云原生的5G SA核心网产品，该产品通过微服务架构、容器执行环境、端到端灵活编排、自动化CI/CD、开源平台服务等功能，满足用户业务快速开发部署与业务创新、迭代，实现降本增效。5G C市场的开拓也给予了中小型厂商发展机会，诸多厂家积极进入轻量化5GC市场。IPLOOK与新华三基于传统4G企业专网推出轻量化5G核心网，拓展企业专网市场。艾灵网络开发了基于云原生架构的轻量化5GC，针对工业场景实现“零修改”网络能力开放功能，有效支撑了5GC的灵活定制功能。

云服务提供商依托公有云和行业解决方案优势，积极“进军”5G专网市场。微软于2020年9月推出面向运营商数字化转型的“Azure for operators”解决方案（见图4）。亚马逊于2020年7月发布了《基于AWS的5G网络演进》，提出可基于AWS部署可扩展、安全可靠、降本的运营商级别5G云原生核心网与边缘网络。阿里巴巴推出基于开源与公有云的小型化All in One极简5GC。

图4 微软移动通信网络解决方案架构

此外，高校、科研院所也在积极开展试验研究。北京邮电大学通过精简5G核心网网元数量和功能，将AMF、SMF、UPF网元部署在树莓派开发板上，实现了两台终端的VoIP视频通话。基于此轻量化核心网方案，利用低轨宽带卫星构建起了北京与济南5G专网间的骨干网络（试点），实现了低轨卫星网络与地面5G专网的互联互通。

垂直行业轻量化5GC应用探索

垂直行业数字化转型迫切需要灵活敏捷的5G专网，以实现行业专用、部署灵活、运维简单、功能可定制等功能，满足企业的安全需求。目前，产业界已经开始使用轻量化5GC设备，将5G核心网下沉至园区、厂房、矿井、港口等场景中。

宁波舟山港作为全球吞吐量最大的港口，在智能理货方面对网络时延、稳定性、安全性要求非常高。因此，舟山港采用阿里XG实验室研发的轻量化5GC，实现了5G核心网功能下沉。该核心网设备按照运营商入网测试标准打造，通过异地网络容灾、5G网络虚拟化、按需分流等技术创新，支持多种无线资源配置方式，还可根据运营商管控要求进行网元功能、部署架构和信令流程的灵活调整，帮助企业以最小代价实现5G专网部署。该设备帮助宁波舟山港配置了网络综合性能最优、可控性及安全性最高的5G专网环境，让港口智能理货实现毫秒级响应，极大提高了作业效率，也为更多5G港口智能化应用提供了坚实的网络基础。

在采矿业，新华三研发的可按矿企用户需求量身定制、“一台服务器即可完成部署”的智慧矿山5G专网解决方案，让矿山企业可通过较低成本，实现稳定可靠的5G信号覆盖，解决矿企隧道通信中面临的信号干扰难题。经多次井下实际业务场景验证，新华三智慧矿山5G专网解决方案可实现800~1000米井下巷道覆盖、单小区近700 Mbit/s的高带宽上行速率和10 ms低时延要求，可以保障5G视频通话、胶轮车视频语音双向通信等应用场景。在井下视距不可见、信号存在遮挡的情况下，新华三智慧矿山5G专网解决方案依然展现出可有效覆盖500米距离的强信号绕射能力，保障高清视频、语音通信清晰顺畅。

结语

轻量化5GC基于3GPP标准，结合垂直行业用网特点，对面向公网业务的5G核心网进行了性能裁剪及功能定制，在降低成本的同时满足了行业用户的5G应用需求，符合当前垂直行业数字化转型发展的实际需要。在运营商、设备商、互联网云服务商和高校的共同努力下，轻量化5GC产品和相关解决方案已逐步进入市场，面向高度碎片化的企业应用场景，助力企业运用5G网络开展数字化转型。随着5G与工业融合的不断深入，轻量化5GC将在工业智能化过程中体现出更大价值，轻量化5GC相关产业发展前景将愈发广阔。

作者：中国信息通信研究院工程师 管子健、中国信息通信研究院高级工程师 陈雄华

编辑：黄飞