5G轻量化核心网总体方案研究与设计

本文深入探讨5G核心网的架构、关键技术和功能,提出5G轻量化核心网设计方案,旨在为垂直行业提供定制化的、安全可靠的本地化5G专网,促进各行业数字化转型。

【摘  要】随着全球各行业数字化转型需求的急剧增长以及5G网络标准和技术的逐渐成熟,5G行业专网成为一大研究热点。在分析了5G核心网的架构、网元功能和关键技术后,提出了5G轻量化核心网总体方案的设计,为全面赋能垂直行业,定制部署资源专用、安全可靠的本地化5G专网提供技术参考。

【关键词】5G核心网;轻量化;网络融合

0   引言

当前,各垂直行业的有线网络布线调整频率高耗时长,Wi-Fi网络可靠性、移动性和稳定性差,传统频率专网带宽小、网络和终端成本高、制式相对落后,不利于行业发展,而具备大带宽(eMBB)、高可靠低时延(uRLLC)、广连接(mMTC)等能力的5G新型网络[1]可弥补以上网络缺陷,推动各行各业数字化转型。因此本文在研究和分析了5G核心网的架构、网元功能和关键技术后提出了5G轻量化核心网总体方案的设计原则,可为运营商利用现有网络资源优势,依托授权频谱,独立部署资源专用的本地化定制5G专网提供技术支撑。

1   5G核心网简介

核心网在网络中发挥着至关重要的作用,它是全接入和全业务的管理中枢。

1.1  系统架构

5GC(5G core,5G核心网)对4G核心网进行了解耦重构,其控制面网元之间基于SBI(Service-based Interface,服务化接口)[2]进行交互,借助NFV和SDN等新技术部署,开启了传统电信网络向IT技术全面转型的

### 5G轻量化核心网SDN控制器集成的通信架构及实现方式 在5G网络架构中,轻量化核心网(Lightweight Core Network)SDN控制器的集成是实现高效、灵活、智能化网络管理的关键技术之一。这种集成通过将5G核心网的功能模块化、虚拟化,并SDN的集中控制机制相结合,实现对网络资源的动态调度和优化管理。 #### 通信架构设计 5G轻量化核心网通常基于服务化架构(Service-Based Architecture, SBA),将传统核心网中的网元(如AMF、SMF、UPF等)以服务的形式解耦,支持灵活部署和按需扩展。SDN控制器通过这些服务化网元进行交互,实现对网络流量的集中控制和调度。 在通信架构中,SDN控制器5G核心网之间的通信主要通过以下方式实现: 1. **控制面数据面分离**:SDN的核心特性是将网络设备的控制面数据面分离。在5G轻量化核心网中,用户面功能(UPF)作为数据面实体,接受SDN控制器的统一调度,实现对数据流的精细化管理。这种架构使得网络具备更高的灵活性和可编程性。 2. **南向接口通信**:SDN控制器通过南向接口(如OpenFlow、P4、NETCONF等)UPF等数据面设备进行通信,下发流表规则、路由策略等控制信息。这些规则决定了数据包的转发路径、QoS策略以及安全策略等。 3. **北向接口通信**:SDN控制器通过北向接口上层应用或管理系统(如5G核心网控制面网元AMF、SMF)进行交互,提供网络状态信息、拓扑结构、链路质量等数据,同时接收来自控制面的指令,如路径计算、流量调度等。 #### 实现方式 在实现5G轻量化核心网SDN控制器集成的过程中,以下几个关键技术点尤为重要: 1. **虚拟化云原生架构**:5G核心网功能(如AMF、SMF、UPF)通常部署在虚拟化或容器化环境中,支持弹性扩展和灵活部署。SDN控制器同样以云原生方式部署,能够5G核心网服务进行高效协同。 2. **动态路径规划流量调度**:基于SDN控制器的全局网络视图,结合5G核心网的业务需求(如QoS等级、时延要求等),可以动态计算最优转发路径。例如,在多UPF部署场景中,SDN控制器可以根据用户位置、链路负载、服务类型等因素,选择最合适的UPF节点进行数据转发,从而优化网络性能。 3. **QoSQoE保障机制**:SDN控制器可以通过对链路带宽、时延、丢包率等指标的实时监控,动态调整流量调度策略,确保高优先级业务(如URLLC、视频流媒体)获得足够的网络资源保障[^3]。 4. **安全隔离机制**:在5G网络中,不同业务类型(如eMBB、URLLC、mMTC)对网络安全性隔离性有不同要求。SDN控制器可以通过策略驱动的方式,对不同业务流实施差异化安全策略,包括访问控制、加密通道建立、流量隔离等。 5. **自动化运维故障恢复**:SDN控制器可网络管理系统集成,实现对5G核心网设备的自动化配置、故障检测快速恢复。例如,当某条链路或UPF节点发生故障时,SDN控制器可以迅速切换到备用路径或节点,保障业务连续性。 #### 示例:基于SDN的UPF选择路径优化 以下是一个简化的Python伪代码示例,展示SDN控制器如何根据链路状态和UPF负载选择最优路径: ```python def select_optimal_upf(smf_request, upf_list, link_status): optimal_upf = None min_latency = float('inf') for upf in upf_list: # 检查链路可用性 if link_status[upf]['available'] and upf['load'] < upf['capacity']: # 获取当前链路时延 latency = get_link_latency(smf_request.user_location, upf.location) if latency < min_latency: min_latency = latency optimal_upf = upf if optimal_upf: return { "selected_upf": optimal_upf.id, "latency": min_latency, "path": calculate_path(smf_request.user_location, optimal_upf.location) } else: return {"error": "No suitable UPF found"} ``` 该函数模拟了SDN控制器在接收到SMF的请求后,如何根据链路状态和UPF负载选择最优的UPF节点,并计算转发路径。
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