轻量化5g核心网技术产业进展如何？|时延|专网|运营商|服务器|云平台-欧洲杯足彩官网

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）星空体育网站入口官网手机版的解决方案，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星空体育网站入口官网手机版的解决方案优势，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”星空体育网站入口官网手机版的解决方案（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 微软移动通信网络星空体育网站入口官网手机版的解决方案架构

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专网星空体育网站入口官网手机版的解决方案，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专网星空体育网站入口官网手机版的解决方案可实现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专网星空体育网站入口官网手机版的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产品和相关星空体育网站入口官网手机版的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

责编/版式：盖贝贝

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监制：刘启诚