最近讀到一篇關于5G核心網的論文《Revolutionary Direction for 5G Mobile Core Network Architecture》，其中對于從4G到5G的演進提出了很多指導性的建議和展望，讀完后感覺受益良多，于是整理其中很多有參考價值的觀點并結合自己的一些體會寫下這篇文章，希望對初學者有所幫助。理解不到位以及表述不清之處，歡迎批評指正。
關于4G核心網EPC的局限性，在之前的兩篇文章《網絡切片——5G前行的助推器》和《之于5G——淺談SDN和NFV》中已經有了詳細的闡述，此處不再贅述。毋庸置疑的是，未來5G核心網應該而且只有克服EPC的這些缺陷，才能面對越來越多樣化的需求，從而實現(xiàn)廣泛而長久的應用。
為了滿足各種各樣新的服務需求，未來5G核心網架構的設計必須要解決以下幾個現(xiàn)存的挑戰(zhàn)：
核心網接入獨立：對于固定接入和各種各樣的無線接入，核心網應該具有匯聚功能，從而保證接入無關。保證接入無關可以降低終端接入系統(tǒng)的復雜性和低效性，以及減少功能冗余。分布式架構：分布式架構可以提高網絡資源利用率，避免數據轉發(fā)低效率、單點失效、RTT時延長、流量超載等問題。控制平面和用戶平面完全分離：核心網絡應該通過開放式接口將數據平面和用戶平面完全分離，這樣有利于雙方各自的獨立演進和按需部署。輕量級的信令支持：對于IOT（Internet Of Things）等服務，核心網應該支持輕量級的信令傳輸，并且簡化相關協(xié)議。高效的移動性管理：高效的移動性管理會帶來更好的資源利用率。針對這些待解決的問題，圖1所示的5G核心網架構可以被加以參考。
從層次概念上劃分，該架構可以分為異構接入網絡和統(tǒng)一核心網絡5GC。
異構接入網絡包括各種各樣的接入技術，比如4G接入、5G接入、WIFI接入等。
統(tǒng)一核心網絡5GC由以下實體組成：
CGW（Converged Gateway）：聚合路由器，負責用戶平面功能，包括接入網絡數據包路由、用戶平面QoS管理和移動性管理。eUCE（edge Unified Control Entity）：和UCE一起負責控制平面功能，包括：用戶終端認證和授權、用戶終端IP分配，CGW選擇、用戶終端會話管理、多種無線接入技術（RAT）之間的協(xié)調，以及在一個CGW下的多個接入網絡的移動性管理。UCE（Unified Control Entity）：負責多個CGWs之間的移動性管理和數據路徑的最優(yōu)化。接下來討論該架構是如何解決上面提出的亟待解決的挑戰(zhàn)的，相信對未來5G核心網的設計會具有不錯的借鑒意義。
(1)控制平面和用戶平面的完全解耦在圖1所示架構中，控制平面功能被放置在eUCE和UCE中，用戶平面功能被放置在CGW中。用戶平面和控制平面之間采用開放接口來提供基本的可伸縮性和靈活性，有了開放式接口的支持，在此基礎上利用虛擬化技術進行網絡切片也是非常方便的。
將兩個平面完全解耦之后，數據轉發(fā)采取IP模式，可以使用IP流模板（比如IP頭部五元組）來替代傳統(tǒng)的GTP進行數據流交付，因此，xBS和CGW可以基于接收到的IP數據包的頭部五元組來進行路由和QoS控制。
(2)分布式網絡架構分布式架構的引進主要用來克服傳統(tǒng)EPC下流量路徑低效率和單點失敗的缺陷。通過將CGWs和eUCEs放置在IP網絡的邊緣，5GC可以提供高效的流量路徑，最小化信號時延，為移動邊緣計算提供更好的支持。
在傳統(tǒng)的異構網絡架構下，流量會被匯聚到一個錨點中，而在未來的5G分布式架構下，流量會被更靈活地進行分布式處理，這會將吞吐量提高至當前的數千倍！
(3)接入獨立網絡在未來的5G中，各種裝置會使用多種不同的接入方式通過多種接口同時接入網絡。5G核心網應該同時滿足使用5G接入、4G接入、wifi接入點接入等多種接入技術的接入，以增加用戶的吞吐量，而不是針對每一種接入技術大費周章建立一個獨立的核心網絡，這就是5G接入獨立/接入無關的含義。
5G接入無關的實現(xiàn)必須仰仗于非接入層（Non-Access Stratum，NAS）信令的設計，即應該保證這些基本的NAS信令能統(tǒng)一應用于各種接入技術。同時，信令的產生應該本著輕量級的設計原則按需產生，所謂的需求包括認證和授權（AAA）、移動性管理（MM）、IP地址分配（Address）、會話管理（SM）等等。這些信令由UE端產生，通過用戶或者5G核心網選擇的接入網絡傳輸到eUCE端。圖3給出了一個按需產生的非接入層信令框架。
在論文《Access independent mobile core》中介紹了接入無關的具體實現(xiàn)，有興趣的讀著可以閱讀參考，如果有機會我也會對這部分做進一步調研和總結。
在LTE中先建立承載通道再進行數據傳輸的這種基于連接的方式將不再適用于處理未來越來越多的服務場景。為了應對各種各樣新出現(xiàn)的使用場景，5G核心網的信令機制應該基于按需NAS的概念進行擴展。每當用戶發(fā)起一個會話，就會自動根據用戶需要使用的服務來產生一個合適的處理程序（合適的非接入層信令）（參照圖3上部的按需求組合產生的三種不同的信令）。
這種機制可以增強網絡的靈活性，降低網絡的信令開銷，同時支持低時延服務。但是其實這種機制存在一種問題，我們現(xiàn)在只是能夠概括出現(xiàn)階段可以想象出的使用場景和服務類型，隨著未來的發(fā)展，會出現(xiàn)更多我們沒有預知的使用場景，這對于這種已知服務類型構造NAS信息的機制是一個很大的挑戰(zhàn)。
(5) 動態(tài)錨機制
EPC下移動性管理采取的是靜態(tài)錨機制，所有的移動終端都是通過一定數量的PGW與運營商網絡相連的，當用戶移動到較遠距離的位置時，這些處于服務狀態(tài)的PGW狀態(tài)在短時間內并不會發(fā)生改變，這種機制會造成流量路徑效率低下的問題。在5G中應該基于分布式移動性管理引進動態(tài)錨機制。如圖4，用戶在CGW1上建立了一個會話session1，eUCE會為其分配一個IP地址，如果用戶移動到CGW2的范圍之內，UE將會為CGW1保留這個IP地址以防用戶重新返回到session1中。但是如果用戶已經開始在CGW2 上發(fā)起一個新的會話session2，UE將會被分配一個新的IP地址來改變其本地地址。
5GC中eUCE負責網關內交付，UCE負責網關間交付，eUCE會動態(tài)地將流量路徑信息發(fā)送給BS和CGW。總之，從EPC向5GC的演進，必然要完成從靜態(tài)管理到動態(tài)管理的演進！
以上介紹的幾個方面都是4G向5G演進中需要考慮的問題，表1對其進行了簡要的歸納和整理。本文介紹的幾個方面也僅僅是宏觀的一些研究方向，具體的實現(xiàn)方式尚待進一步的研究和行業(yè)規(guī)范的制定。
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