一望“5G”技术专题 | 第三期：SA关键技术-SBA

EPC网络在5G时代面临的局限

5G将会渗透到未来社会的各个领域，而且不同领域对于网络的要求是多样化的，例如智能家居、智能电网、智能农业和智能抄表需要大量的额外连接和频繁传输小型数据包的服务支撑；自动驾驶和工业控制要求毫秒级延迟和趋于100%的可靠性，而娱乐信息服务则要求固定的或移动宽带连接。因此，5G网络需要具备更加灵活的架构以支撑不同环境下的业务诉求。

但是，当前3GPP协议定义的网元功能组合复杂，而且存在功能重叠，无法做到为某一种特定的业务类型定制控制功能组合，因此所有不同的业务将共用同一套逻辑控制功能，众多控制功能间的紧耦合性以及网元间接口的复杂性给业务的上线、网络的运维带来了极大的困难，其灵活性不足以支撑5G时代的多业务场景。

SBA网络架构

为了适应未来业务应用对于网络的需求，5G网络架构被寄予了非常高的期望。业界专家们也意识到了这个问题，并结合IT的Cloud Native的理念，将5G网络架构进行了两个方面变革：

1: 将控制面功能抽象成为多个独立的网络服务，希望以软件化、模块化、服务化的方式来构建网络，使网络更加敏捷，匹配5G业务发展的需要。

2: 控制面和用户面的分离，用户面功能脱离“中心”的束缚，用户面可以靠近用户部署，满足5G用户的极致业务体验。

每个网络服务和其他服务在业务功能上解耦，并且对外提供服务化接口，可以通过相同的接口向其它调用者提供服务，将多个耦合接口转变为单一服务接口，从而减少了接口数量。这种架构即是SBA（Service Based Architecture）。

SBA网络架构关键特征

SBA借鉴了IT优秀实践，并结合电信网的现状、特点和发展趋势，进行了革新性的设计，它具备如下关键特征。

01

网络功能解耦

在EPC网络中，PCRF，MME，GW都可以控制QoS，手机用户在激活时，通过协商确定QoS。在5G中，将QoS的控制功能模块化，形成一个功能模块PCF（Policy Control Function）；又如SMF（Session Management Function），就是将MME，SGW，PGW上的会话管理功能模块化。在5G中，就是将这些网络功能解耦，抽象为独立的网络服务，便于后续这些服务灵活支撑网络各种应用。

如下图所示，我们用不同的颜色来类比了解EPC的网元的相关功能在5GC中NF（Network Function）的归属。 

5G将控制面的网元功能进行功能解耦，相同的功能内聚以服务的形式呈现。各解耦后的网络功能抽象为网络的服务后，可独立扩容、独立演进、按需部署。

02

服务化接口

在基于SBA的架构下，控制面的各NF一改传统的点对点通信方式，全部采用了基于服务化架构的SBI(service based interface)串行总线接口协议，传输层统一采用了HTTP/2协议，应用层携带不同的服务消息。

每个NF对外的接口都是统一的服务化接口，也就是下图N系接口（Namf、Nsmf……）。

在5GC中，协议提供了两种形式的参考点：一种是基于服务化接口的参考点，例如控制面NF之间的交互关系；一种是基于传统点对点通信的参考点，例如NF与无线以及外部数据网络连接时的交互关系。

为了帮助大家按照传统去理解5GC各个NF之间以及对外交互的关系，3GPP协议中也提供了传统拓扑结构的架构图。控制面体现基于服务化接口的参考点，如下图中N11、N12等红色部分。控制面和UPF，5GC和无线侧以及外部网络连接时，仍然是基于传统的点对点通信参考点，如N1、N2等青色所示部分。

不难看出，5G核心网的移动性管理、会话管理以及数据传输的核心功能都在，只是做了功能解耦，为了让5GC网络更加灵活、开放以及易扩展，从而应对5G灵活的业务场景。

03

网络服务自发现、自治理

NF的拆分

3GPP为了细化管理，每个网络功能NF在控制平面上又可以提供不同的服务（Netwok Function Service后面简称NFS）。通过不同NFS的组合，最终实现注册、会话管理、移动性管理、鉴权及密钥协商等端到端的移动网络信令流程。 

NFS的自动化管理

每个NF都会有各自的NFS，NF就如同一个人研发工程师，他具备设计、编代码、做测试、管理项目等多种技能（这些能力就可以类比NF中的NFS）。那么在某项具体的工作任务中，是需要你的编码能力还是设计能力（也就是具体要哪个NFS）这个是取决于具体项目要求（具体服务）。

目前协议定义的可能是几十个，随着网络的演进、产品能力的不断增强，未来5G核心网将会提供更多更丰富的NFS，成千上百的NFS如何管理？如果工程师仍然依靠传统手工方式维护这些NFS，则无异于一场灾难。

因此3GPP定义了一个仓库管理员NRF（网络存储功能）来负责所有NFS的自动化管理，包括注册、发现、状态检测。NF上电后会主动向NRF上报自身的NFS的信息，并通过NRF来找到对应的对端NFS。

下图我们以新建一个PDU会话为例，介绍一下NRF如何串联不同NFS来支撑一个业务场景。

首先，AMF、SMF上电后，会主动向NRF请求注册，NRF保存AMF、SMF的信息并标记其为可用。当AMF、SMF提供的服务发生变化或不再提供服务时，向NRF请求更新或去注册。

当AMF-1收到UE发送的会话建立请求后，向NRF请求发现SMF。NRF查询本地维护的NF信息选择可用的SMF-1，并将SMF-1信息发送给AMF-1。AMF-1获取到SMF-1信息后，通过服务化接口调用相应服务实现会话建立。

网络通信路径优化

传统网元之间有着固定的通信链路。但是由于SBA架构的引入，各个NFS之间可以根据需求任意通信。以用户位置信息策略为例，PCF提前订阅了用户的位置变更事件，当AMF中的NFS检测到了位置变更时，发布相应的事件，PCF就可以及时接收到该事件，减少了传统网络的中间环节，优化了通信路径。