云化5G专网技术白皮书

云化5G专网技术白皮书ODCC-2023-03005 1 [编号ODCC-2023-03005] 云化5G专网技术白皮书 开放数据中心委员会2023-09发布 云化5G专网技术白皮书ODCC-2023-03005 版权声明 ODCC（开放数据中心委员会）发布的各项成果，受《著作权法》保护，编制单位共同享有著作权。 转载、摘编或利用其它方式使用ODCC成果中的文字或者观点的，应注明来源：“开放数据中心委员会ODCC”。 对于未经著作权人书面同意而实施的剽窃、复制、修改、销售、改编、汇编和翻译出版等侵权行为，ODCC及有关单位将追究其法律责任，感谢各单位的配合与支持。 I 云化5G专网技术白皮书ODCC-2023-03005 编写组 项目经理： 张久仙中移（苏州）软件技术有限公司工作组长： 王超阿里云计算有限公司贡献专家： 郝文杰中移（苏州）软件技术有限公司赵立芬中移（苏州）软件技术有限公司张飞中移（苏州）软件技术有限公司徐军中移（苏州）软件技术有限公司杨柳天翼云科技有限公司 张亮天翼云科技有限公司 蒋星思科（中国）有限公司 凌军思科（中国）有限公司 黄浩思科（中国）有限公司 吴鹏思科（中国）有限公司 石磊深圳艾灵网络有限公司潘自全深圳艾灵网络有限公司 II 云化5G专网技术白皮书ODCC-2023-03005 引言 2019年6月6日工业和信息化部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电四家运营商发放5G商用牌照，中国正式进入5G商用元年。在消费者领域从无到有的5G终端出货量4年后提升到了国内全部手机出货量的78.8%，成为市场主流，为了保障消费者的5G使用体验，四大运营商也基于适度超前布局的策略四年在国内5G基站总数建设达到293.7万个，占移动基站总数的26%；覆盖所有地级市城区、县城城区，以上基础设施的能力也支撑5G移动电话用户达6.76亿户，占移动电话用户的39.5%。 在5G技术出现之后业界的关注点除了在消费者领域以外，更看重对于面向企业的应用场景。赋能千行百业是业界对于5G技术的期待，而能满足这样期待的实际技术方案就是5G专网。中国发放5G牌照以来，国家出台多项政策大力支持5G专网建设。《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》中明确要求“支持各地结合区域需求，建设5G行业虚拟专网，探索建网新模式，形成区域先导效应”，提出到2023年“建成超过3000个5G行业虚拟专网”； 《“十四五”信息通信行业发展规划》中明确要求“面向行业应用需求，推动5G行业虚拟专网建设模式、运营服务、技术方案创新与成熟，促进5G行业虚拟专网规模化发展”，提出全国5G虚拟专网数量要从2020年底的800个增长到2025年底的5000个，年均增速44%。在政策推动及业内各方的共同努力下，5G专网发展驶入快车 III 云化5G专网技术白皮书ODCC-2023-03005 道。工信部数据显示，截至2022年9月，全国已累计部署5G行业专网超10000个，远超政策文件预期目标。 在专网建设绝对数量得到提升的同时，国家同步也关注5G走入工厂，提出要打造5G全连接工厂，进一步拓展“5G+工业互联网”典型应用场景，促进5G在工业生产中由“局部单点”向“生产全局”、由“外围应用”向“生产核心”创新发展，加快工业企业数字化转型步伐。2022年9月，工业和信息化部发布《5G全连接工厂建设指南》，明确了5G全连接工厂建设的总体要求、建设内容和建设路径，标志着“5G+业互联网”由起步探索阶段迈向精耕细作阶段。到了这个精耕细作阶段我们会发现对于5G专网的下一步建设优化提出了新的需求和挑战。 IV 云化5G专网技术白皮书ODCC-2023-03005 目录 版权声明I 编写组II 引言III 术语与缩略语VII 一、背景1 二、5G网络技术架构4 （一）基站5 （二）5G核心网6 （三）传输网8 三、5G专网现状10 （一）工业专网，一网到底10 （二）专网从定制化到服务化，一目了然11 （三）云网业协同，1+1+1＞313 （四）专网云化技术趋近成熟15 （五）交付运维效率亟待提升16 四、云化5G专网关键技术17 （一）OpenAPI17 （二）云边互联18 （三）网络加速18 （四）CPU绑核19 （五）大页内存19 （六）租户隔离20 V 云化5G专网技术白皮书ODCC-2023-03005 （七）容器技术21 （八）灰度升级22 五、构建云化5G网络23 （一）典型业务场景23 （二）5G云梯26 （三）边缘智能小站（EIS）27 （四）边缘智能云（EIC）29 （五）容器服务（KCS）30 （六）思科5G企业专网31 （七）艾灵5G工业专网33 六、技术展望35 （一）无线云化演进35 （二）UPF网元白盒化35 （三）网元无状态化改造36 （四）5G与企业网络融合36 （五）容灾设计37 （六）5G数字化运营38 VI 云化5G专网技术白皮书ODCC-2023-03005 术语与缩略语 5GC 5G核心网 5GCoreNetwork AMF 接入和移动管理 AccessandMobilityManagementFunction AUSF 鉴权服务功能 AuthenticationServerFunction DN 数据网络 DataNetwork DPDK 数据平面开发工具包 DataPlaneDevelopmentKit MEP 边缘计算平台 Multi-accessEdgeComputePlatform NEF 网络能力开放功能 NetworkExposureFunction NFV 网络功能虚拟化 NetworkFunctionsVirtualization NRF 网络存储功能 NetworkRepositoryFunction NSMF 网络切片管理功能 NetworkSliceManagementFunction NSSF 网络切片选择功能 NetworkSliceSelectionFunction PaaS 平台即服务 PlatformasaService PCF 策略控制功能 PolicyControlFunction SDN 软件定义网络 SoftwareDefinedNetwork SMF 会话管理功能 SessionManagementFunction SMSF 短消息服务功能 ShortMessageServiceFunction SRIOV 单根I/O虚拟化 SingleRootI/OVirtualization UDM 统一的数据管理 UnifiedDataManagement UPF 用户面功能 UserPlaneFunction VII 云化5G专网技术白皮书ODCC-2023-03005 一、背景 数字中国中把5G和算力等视为重要的基础设施，一方面天地一体网络演进对产品数字化提供了连接基座，另一方面网络也开始从硬件为主体的架构向虚拟化、云化、服务化的方向发展，以期实现弹性资源分配、敏捷灵活组网、自动智能运行等目标。 从5G运营商的需求角度分析，首先，5G网络需要支持大带宽、低时延和广连接，本身对边缘云就提出了要求。其次，面向5G行业应用，客户需要连接能力、算力资源、应用等的一揽子解决方案。而利用云服务商的软件堆栈和服务能力加速IT应用创新，这这也为运营商和云服务商合作提出了要求。 从公有云的发展角度分析，首先，国内公有云市场已经形成了阿里云、华为云、天翼云、移动云等巨头相互争霸的局面，竞争高度激烈，亟需开拓新的市场。其次，以天翼云和移动云为代表的公有云技术快速发展，具备了承载网元的基本条件。最后，面向政企客户数字化转型，云服务商拥有大量的客户群体和上云实践，也将5G专网视为通向更高价值服务和构建企业数字化转型的重要抓手。 商业模式方面，中国电信的5G专网分为“致远”（与公网共享）“比邻”（与公网部分共享）“如翼”（独立部署）三类服务模式。中国移动采用5G专网BAF商业模式，对内牵引5G建设的资源投放，重构运维、服务、支撑体系，对外提供“简单易懂、按单点菜”的灵活套餐匹配客户关键需求，包含流量、带宽、基站数、运营、运 1 云化5G专网技术白皮书ODCC-2023-03005 维服务等多种计费量纲，并提炼多档高频组合套餐，满足多样化付费需求，如图1所示。 图1中国移动5G专网BAF商业模式 5GC和RAN侧CUPS分离架构，SBA特性等，以及公有云技术快速发展，都为云服务商承载5G网络奠定了基础。宏观上，公有云方案仍处于探索阶段。国外AWS从最初与运营商合作提供服务于5GMEC的IT类服务，到为5G专网、5G公网的NFV网元提供承载平台，逐步演进到将5G专网作为AWS的一项云服务。微软收购AT&T的网络云，打造AFO。谷歌也推出无线专网解决方案。 国内目前虽然未有大规模、稳定的商用案例，但是国内各云商和运营商纷纷布局，国内天翼云在探索基于公有云承载5GC网络，且有小规模实践效果。腾讯、阿里等等也希望深入5G技术研发。2022年4月19日，中国电信与腾讯联合发布5G电竞专网解决方案，在天翼云上部署自研5GC、电竞专网运营管理系统，配合现场部署 的UPF、5G小站等设备，打造了WiFi﹢5G双发选收的赛事网络保障 方案。将网络部署时间缩短至数小时，且针对电竞场景进行深度优 2 云化5G专网技术白皮书ODCC-2023-03005 化，拥有超低时延、高可靠性、网络隔离能力且集成了腾讯安全能力。已经在王者荣耀职业等联赛中应用。2023年中国移动基于一体化集成模式，推出按需集成UPF、Lite-5GC、MEP、BBU、IMS等能力的5G专网定制化的集成解决方案。采用通过自研+联合研发模式，打造5G专网边缘一体化的集成解决方案和产品，有效降低5G核心网产品集采价格和建设成本，助力公司数智化赋能生产和社会治理。2020年3月10日阿里达摩院宣布成立XG实验室，专注于5G技术与应用创新。主要聚焦在5G基础设施（多种形态的5G专网、白盒基站、云化核心网、开放UPF、MEC虚拟化及资源调度）、音视频编解码及传输协议、5G应用创新等方面。已经在探索轻量化/容器化5GC产品架构设计。 因此，公有云快速发展及5G对算力需求，促进了云网更深层次的融合。 3 云化5G专网技术白皮书ODCC-2023-03005 二、5G网络技术架构 5G网络技术架构是指为实现5G移动通信而设计的网络架构。它是以前一代移动通信网络的演进和改进，旨在提供更高的数据传输速率、更低的延迟、更大的容量和更好的网络连接稳定性。以下是5G网络技术架构的主要组成部分： 1.用户设备（UserEquipment，UE）：用户设备是指连接到5G网络的移动设备，如智能手机、平板电脑、物联网设备等。用户设备通过空中接口与5G基站进行通信。 2.基站（BaseStation）：基站是5G网络的无线接入点，负责与用户设备进行通信。5G基站采用了新的技术标准，如多输入多输出（MIMO）、波束赋形（Beamforming）和大规模天线阵列 （MassiveMIMO），以提供更高的数据速率和更好的网络覆盖。 3.核心网（CoreNetwork）：核心网是5G网络的中枢，负责处理和路由用户数据、控制信令和提供网络服务。5G核心网采用了新的架构，如5G核心网（5GC）或EvolvedPacketCore（EPC），以支持更高的数据传输速率和更低的延迟。 4.边缘计算（EdgeComputing）：5G网络技术架构还涉及边缘计算技术，将计算和存储资源移动到更接近用户的位置，以降低网络延迟并提供更快的响应速度。边缘计算可以支持5G网络中的实时应用和服务，如智能城市、工业自动化和虚拟现实等。 4 云化5G专网技术白皮书ODCC-2023-03005 5.软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）：为了提高网络的灵活性和可编程性，5G网络技术架构采用了软件定义网络和网络功能虚拟化的技术。SDN可