0 引言

    第五代移动通信技术(5G)能够以全新的网络架构和性能，赋能应急管理、交通运输、医疗健康等垂直行业的信息化发展。5G凭借大带宽、低时延和高可靠性的网络能力，在应急通信保障、地质灾害、监测预警、应急救援等业务领域具有广泛应用场景。

    5G技术为基于公网构建应急通信专网的可能性提供了理论支撑，但也存在着各种缺点和不确定因素。应急通信场景提出了快捷组网、配置简单、易于维护等需求，现有5G标准SBA架构依然存在网元较多、业务过程复杂、配置复杂等不足。轻量5G核心网以其低成本、可裁剪、低功耗的优势，在数据转发面下沉的同时，进一步下沉控制面，最大化保证应急专网的安全性和网络管理的自主性，成为应急通信行业新的解决方案。

    本文从基于构建应急通信专网应用场景入手，分析轻量5G核心网的实现架构和关键技术，并结合应急保障典型案例进行部署方案的探索。

1 核心网轻量化的必要性

    作为移动通信网络的核心部分，核心网起到承上启下的作用，主要负责处理终端用户的移动管理、会话管理和数据传输等庞大且复杂的功能^[1-2]。

    较之以往移动通信网络设备基于专有硬件设备而言，5G核心网提出分离式架构，一方面通过网络功能虚拟化(Network Function Virtualization，NFV)云原生的设计思想，基于x86平台的通用服务器和优化后的OpenStack等开源虚拟化平台，通过软件化、模块化和服务化(Service-based Architecture，SBA)方式构建网络，在服务化架构下，各个网络功能(Network Function，NF)独立自治，无论新增、升级还是改造都不会影响其他NF；另一方面，控制面和用户面的彻底分离，使得用户面功能摆脱集约化部署的约束，可以灵活部署于核心网和接入网等不同层面，如图1所示。

    其中，AMF(Access and Mobility Management Function)负责用户的移动性和接入管理；SMF(Session Management Function)负责用户会话管理功能；UDM(Unified Data Management)负责前台数据的统一处理，包括用户标识、用户签约数据、鉴权数据等；AUSF(Authentication Server Function)配合UDM专门负责用户鉴权数据相关的处理；UDR(Unified Data Repository)和UDSF(Unstructured Data Strorage Network Function)负责后台数据存储功能，其中，UDR用于存储结构化数据，支持PCF存储和检索策略数据，支持NEF存储和检索用于能力开放的结构化数据以及应用数据，非结构化数据存储功能(UDSF)用于存储特定的非结构化的数据。控制面与网络平台功能相关的NF包括网络开放功能NEF、网络存储功能NRF和网络切片选择功能NSSF。其中，NEF负责网络数据的对外开放，NRF负责NF进行登记和管理，NSSF用于管理网络切片相关的信息。

    传统核心网通过专用硬件平台实现，软件的复杂性和可靠性要求导致核心网设备技术门槛较高，业界只有少数主流设备商具备核心网产品研发和制造能力。5G核心网的解耦和分离架构使得设备网元间分工清晰，从而为实现轻量5G核心网提供了可能。轻量5G核心网是一种可以采用较少资源实现核心网功能的技术，通常可以在单个硬件服务器实现所有网元功能。该类型核心网产品具有成本低、体积小、功耗低、可裁剪的特点，可以根据企业的实际需求灵活进行方案设计，最大化保证企业专网的安全性和网络管理的自主性，有效降低建网成本以及组网与维护的复杂度。轻量级5G核心网具有广泛的应用场景。

2 5G轻量核心网技术

    轻量5G核心网技术是指采用较少资源实现核心网功能的技术，通常可以在单个硬件服务器实现所有网元功能。

2.1 当前核心网架构的不足

    5G架构定义为基于服务的架构，控制面引入基于服务的体系架构(SBA)，每个NF对外提供服务化的接口。当前架构在面向专网应用中存在诸多不足：

    (1)标准定义的系统架构网元过多，网元之间分工比较细、交互流程过多，不利于核心网提供高效的业务服务能力；

    (2)配置复杂，不利于紧急状态下提供快速上线网络业务能力；

    (3)网元数量过多加大了系统复杂性，同时对设备能耗需求较大，不利于长时间的通信，特别是应急通信场景应用；

    (4)网元数量过多加大了部署上的难度，达不到快速组网的目的；

    (5)网元数量过多在系统业务初始上线时需要进行服务注册，增加系统业务的复杂度。

2.2 轻量核心网关键技术

    为了满足低成本和部署简便的需求，轻量核心网较之传统核心网进行了诸多改进。

2.2.1 简化配置

    一方面，通过提供典型配置模板，在应急场景下选择合适的模板即可开展业务；另一方面，基于5G核心网转发与控制面分离的特点，规范所有网元通过RESTful接口对接网管系统，避免UPF和其他网元配置不统一。

2.2.2 整合网元

    (1)NSSF集成到AMF^[3]

    切片选择功能网元NSSF^[4]以模块方式集成到AMF，如图2所示，用户接入和会话建立过程直接在其内部获取相关切片信息，减少了通过SBI到NSSF的繁琐过程^[5-7]。

    (2)PCF集成到SMF

    将策略控制网元PCF功能以模块的方式集成到SMF^[8]，如图3所示，由SMF管理本地策略数据维护PCC规则表。

    (3)AUSF&UDR集成到UDM

    认证网元AUSF^[9-11]以模块方式集成到UDM，如图4所示，认证过程直接在其内部快速处理。此外，Steering of Roaming(SoR)保护、UE Parameter Update(UPU保护)均可以在UDM内部直接处理，减少了认证流程。

2.2.3 策略优化

    (1)网元选择

    在接入和会话流程中，为降低网元之间的交付，提升业务能力，网元选择全部采用本地策略选择。

    (2)策略控制

    标准下的策略控制由PCF动态生成，涉及的交互流程较多，提供配置命令快速生成策略规则。

2.2.4 智能部署

    (1)配置模板

    根据通用场景提前预设，厂家版本中可提供基本场景下的配置模板，管理员可根据实际情况提前创建配置模板备用，主要包括：

    ①公共配置模板：N2组网配置、N4组网配置、PLMN配置、TAC配置；

    ②AMF配置模板：认证信息配置；

    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)版本启动运行

    ①网元启动：5G 核心网VM启动后由OAM模块加载默认配置模板。

    ②基站侧物理连接：当连接了BBU，5G核心网收到BBU接入消息后分配IP地址标识N2组网连接关系。

    ③UPF侧物理连接：当连接了UPF，5G核心网收到UPF接入消息后分配IP地址标识N4组网连接关系。

2.3 系统架构

    5G 核心网对外体现为AMF、SMF、UPF、UDM 4个网元，AUSF、PCF、UDR均集成到主要网元中，以子功能的方式呈现，如图5所示。

    (1)5G核心网作为控制中心，提供发现管理BBU和UPF的功能，BBU、UPF、5G核心网物理连接后通过发现协议进行物理拓扑自动上线(打通物理通道)。

    (2)5G核心网作为控制面功能，通过OAM模块配置、告警、跟踪、日志管理，可通过Telnet或SSH登录到CLI进行默认配置修改和配置模板选择，可查看拓扑结构及其默认配置。

    (3)UPF作为用户面功能实体，有自己的OAM，通过OAM模块配置、告警、跟踪、日志管理，可通过Telnet或SSH登录到CLI进行默认配置修改和配置模板选择，可使用show命令查看拓扑结构及其配置。

    (4)外部网管对接通过OAM模块适配SBI接口对接到网管。

    (5)切片选择网元由AMF内部的切片管理模块代替，减少用户接入、会话建立同切片网元的交付过程。

    (6)认证流程由UDM内部认证管理模块完成和其他网元的交互，减少AUSF网元的中转过程。

    (7)策略控制由AMF、SMF内部的策略管理模块完成静态策略的管理，减少复杂的策略控制流程交互。

    (8)UDR由UDM内部的签约数据管理模块完成签约数据的管理，减少了UDM作为中转者的角色和消息量。

    轻量化5GC网元功能如表1所示。

3 应急通信场景解决方案

3.1 应用场景

    应急通信通常指当前通信网络设施被破坏时，为达到特殊通信保障需求的临时紧急通信网络。国家应急管理部2018年提出打造“公专互补、宽窄融合、固移融合”多维无线通信网络目标，并提出“系统化、扁平化、立体化、智能化、人性化”发展要求。在抢险救灾等应急场景下，5G核心网轻量和易部署的特点将发挥重要的作用。

    当自然灾害发生时，灾区原有基础通信设施、道路设施、电力设施等会遭受不同程度的损坏，第一时间的受灾信息有效传输和现场指挥调度是灾害救援的关键。

    (1)本地公用网络的快速恢复

    对于自然灾害导致传输网络中断的受灾场景，由于本地5G基站和省级核心网连接中断，将导致业务受阻。通过本地部署5G轻量核心网，在保证用户签约数据进行人工同步的前提下，可以基于基本完好的灾区基站快速恢复本地移动网络通信，满足基本通信需求。

    (2)现场应急通信系统快速构建

    对于自然灾害导致本地通信网络基本瘫痪的受灾场景，一方面无法利用现有公网设施通信；另一方面即使未被破坏的公网设施也会由于用户突增导致网络阻塞。该场景下的应急通信要求具有非常高的机动性、灵活性和适应性。基于应急通信车、便携式基站和系留式无人机等方式，使用轻量核心网临时构建覆盖灾区的5G现场应急通信网络，在保证现场各救援队伍通信调度的同时，也可以进一步服务于受灾群众。

3.2 解决方案

    以现场应急通信系统快速构建场景为例，方案采用系留式无人机作为飞行平台，为应急通信服务需求提供信号覆盖。该系统主要功能包括：

    (1)实时采集应急现场状况；

    (2)解决现场通信覆盖；

    (3)实现现场救援队伍之间的沟通交流；

    (4)实现现场与指挥中心的沟通交流；

    (5)为现场应急资源调配提供技术支撑。

    无人机的飞行高度可根据需求在0～200 m之间进行调整，并通过与地面收放线箱连接的光电复合线缆为其提供持续不断的供电。相应的系统架构如图6所示。

    该系统由无人机平台、5G小型化室外基站和轻量核心网组等部分组成。其中，无人机平台包括无人机、光电混合缆、线缆自动收放线箱和地面控制台。小型化室外基站由5G BBU、机载4G RRU、机载5G AAU和室外型BBU组成。

    室外型BBU支持通过卫星链路回传到公网核心网，可用于广域网络通信。同时，可以直接连接本地下沉的轻量核心网，5G终端同时支持使用公网SIM卡实现公网通信和使用私网SIM卡实现应急通信私有网络的连接。

4 结论

    本文从快速构建应急通信专网的应用场景入手，分析轻量5G核心网的实现架构和关键技术，并结合应急保障典型案例进行部署方案的探索。轻量5G核心网以其低成本、可裁剪、低功耗的优势，在数据转发面下沉的同时，进一步下沉控制面，最大化保证应急专网的安全性和网络管理的自主性，成为应急通信行业新的解决方案。

参考文献

[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，王秋红1，张少伟1，侯继江2

(1.中国电信股份有限公司研究院，北京102209；2.中国电信股份有限公司，北京100033)