文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.209001
中文引用格式： 朱雪田，王秋紅，張少偉，等. 應急通信場景下的5G輕量核心網應用研究[J].電子技術應用，2020，46(2)：1-4，13.
英文引用格式： Zhu Xuetian，Wang Qiuhong，Zhang Shaowei，et al. Research on lightweight 5GC application in emergency communication[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(2)：1-4，13.
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(yī)療健康等垂直行業(yè)的信息化發(fā)展。5G憑借大帶寬、低時延和高可靠性的網絡能力，在應急通信保障、地質災害、監(jiān)測預警、應急救援等業(yè)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(yè)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(yōu)勢，在數據轉發(fā)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(yè)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(yōu)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。控制面與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(yè)界只有少數主流設備商具備核心網產品研發(fā)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，通常可以在單個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(yè)的實際需求靈活進行方案設計，最大化保證企業(yè)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，通常可以在單個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(yè)務服務能力；
(2)配置復雜，不利于緊急狀態(tài)下提供快速上線網絡業(yè)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(yè)務初始上線時需要進行服務注冊，增加系統業(yè)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(yè)務；另一方面，基于5G核心網轉發(fā)與控制面分離的特點，規(guī)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(guī)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(yōu)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(yè)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(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(chuàng)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(fā)現管理BBU和UPF的功能，BBU、UPF、5G核心網物理連接后通過發(fā)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(tài)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“公專互補、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(fā)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(fā)揮重要的作用。
當自然災害發(fā)生時，災區(qū)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(yè)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(qū)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。基于應急通信車、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(qū)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(xù)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(wèi)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(yōu)勢，在數據轉發(fā)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(yè)新的解決方案。
參考文獻
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[2] 3GPP TS 23.502.Procedures for the 5G system；stage 2[S].2018.
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[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)