5G-Advanced(Rel-18/19)不仅是无线接入网的性能提升,更是核心网架构的一次深刻变革。本文聚焦服务化架构(SBA)通信模型演进、NWDAF数据分析体系重构和能量感知核心网三大核心技术方向,从协议原理层面解读其设计动机与工程实现要点。
5G Rel-15引入的SBA架构,要求所有NF(Network Function)通过NRF进行服务发现,再直接与目标NF建立HTTP/2连接。这种模型A(直连通信)在NF数量较少的试验网中可以工作,但在商用网络中暴露出致命问题:
Rel-16引入的SCP(Service Communication Proxy,TS 29.500)从根本上改变了这一架构。
3GPP TS 23.501定义了四种SBA通信模型:
模型A:NF ←→ NRF ←→ NF(无SCP,直连发现+直连通信)
模型B:NF ←→ SCP ←→ NF(无NRF发现,SCP内嵌路由表)
模型C:NF ←→ SCP ←→ NRF ←→ SCP ←→ NF(SCP代理发现+通信)
模型D:NF ←→ SCP ←→ NF(NF直接查NRF,通过SCP通信)
| 特性 | 模型A | 模型B | 模型C | 模型D |
|---|---|---|---|---|
| 服务发现 | NF直接查NRF | SCP内置路由 | SCP代理查NRF | NF直接查NRF |
| 服务通信 | NF直连 | SCP中转 | SCP中转 | SCP中转 |
| NRF负载 | 高 | 无 | 低 | 中 |
| NF改造量 | 大 | 大 | 小 | 中 |
| 适用场景 | 实验室 | 小型专网 | 运营商商用网 | 混合部署 |

图表 1
模型C中SCP最关键的能力是委托发现(Discovery Delegation),其工作流程如下(TS 29.500 Section 6.2):
伪代码:SCP路由决策逻辑
func RouteRequest(req ServiceRequest):
target_nf_type = req.headers["3gpp-Sbi-Target-Nf-Type"]
service_name = req.headers["3gpp-Sbi-Service-Name"]
// Step 1: 查询本地路由缓存
cached_instances = RouteCache.Lookup(target_nf_type, service_name)
if cached_instances is empty:
// Step 2: 委托NRF发现
nf_profiles = NRF.Discover(
target_nf_type = target_nf_type,
service_name = service_name,
snssai_list = req.headers["3gpp-Sbi-Snssai"],
dnn = req.headers["3gpp-Sbi-Dnn"]
)
// Step 3: 过滤+缓存
cached_instances = FilterByCapacity(nf_profiles)
RouteCache.Update(target_nf_type, service_name, cached_instances)
// Step 4: 负载均衡选择
target = LoadBalancer.Select(cached_instances, strategy="round-robin")
// Step 5: 转发
return Forward(req, target.endpoint)
Rel-18对SCP架构进行了多项增强(TS 23.501 Rel-18 Section 6.2.2):
Rel-19进一步推进: - 5GS_CDIR(5G System Communication Enhancement for Data Reporting):优化数据上报的SBA通信路径 - SBA安全增强:OAuth 2.0令牌在SCP代理链中的传递机制优化
坑点1:SCP路由缓存TTL设置 NRF返回的NF Profile有validity period(默认30秒),SCP的路由缓存必须遵守此TTL,否则会将流量转发到已下线的NF实例。建议TTL设置为NRF返回值的80%,留出缓冲。
坑点2:HTTP/2连接复用 SCP需要维护到NF Producer的长连接池。当NF实例扩缩容时,SCP需要及时更新连接池。建议开启HTTP/2 GOAWAY帧处理,配合NF实例的graceful shutdown。
NWDAF(Network Data Analytics Function)是5G-Advanced核心网最关键的智能化组件,其架构在Rel-15到Rel-19经历了根本性重构:
| 版本 | 架构变化 | 关键能力 |
|---|---|---|
| Rel-15 | 单一NWDAF实体 | 网络负载分析 |
| Rel-16 | 引入ML模型管理 | QoE预测、移动性预测 |
| Rel-17 | 拆分AnLF+MTLF | 分析逻辑与模型训练分离 |
| Rel-18 | 引入ADRF、增强数据采集 | 闭环自动化、联邦学习支持 |
| Rel-19 | 端到端智能闭环 | NWDAF驱动的网络自优化 |
Rel-17将原NWDAF拆分为两个逻辑功能(TS 23.288 Section 6.2):
AnLF(Analytics Logical Function)— 分析逻辑功能 - 接收NF/AF的分析订阅请求 - 调用MTLF训练的ML模型执行推理 - 向消费者提供分析结果(如UE移动性预测、网络拥塞预测) - 支持有状态和无状态两种分析模式
MTLF(ML Model Training Logical Function)— 模型训练逻辑功能 - 从NF、OAM、ADRF收集训练数据 - 执行ML模型训练和更新 - 通过Nnwdaf_MLModelProvision服务向AnLF分发模型 - 支持联邦学习(Federated Learning)框架

图表 2
Rel-18引入的ADRF(Analytics Data Repository Function)是NWDAF体系的重要补充(TS 23.288 Rel-18 Section 6.2.3):
ADRF的出现解决了此前NWDAF的一个关键问题:训练数据的生命周期管理。Rel-16/17中,ML模型训练所需的数据仅保存在NWDAF内存中,NWDAF重启后需要重新积累训练数据,导致模型冷启动时间长。ADRF提供持久化存储后,新部署的AnLF可以从ADRF快速加载历史数据,将冷启动时间从数小时缩短到分钟级。
3GPP TS 23.288定义了丰富的分析ID(Analytics ID),覆盖网络运维的各个方面:
| Analytics ID | 描述 | 典型消费者 | 引入版本 |
|---|---|---|---|
| load level info | NF负载水平分析 | PCF, AMF | Rel-15 |
| NF load | 各NF实例负载 | SMF, AMF | Rel-16 |
| network performance | 网络性能统计 | PCF, OAM | Rel-16 |
| UE mobility | UE移动性预测 | AMF, PCF, SMF | Rel-16 |
| UE communication | UE通信模式预测 | PCF, SMF | Rel-16 |
| QoE prediction | 业务体验预测 | PCF, AF | Rel-17 |
| disp. area info | UE分布区域分析 | AMF, RAN | Rel-17 |
| redundant UE info | 冗余UE组分析 | SMF | Rel-18 |
| DN performance | 数据网络性能 | PCF, AF | Rel-18 |
| FED learning | 联邦学习协调 | MTLF | Rel-18 |
Rel-18/19的NWDAF核心目标是实现闭环(Closed-Loop)自动化。以网络拥塞自动缓解为例,完整的信令交互如下(基于TS 23.288 Section 5.2):

图表 3
坑点1:AnLF/MTLF部署比例 AnLF与MTLF可以独立伸缩。实际部署中,AnLF通常需要较多实例(因为要处理实时推理请求),而MTLF可以1-2个实例(训练是批处理任务)。推荐比例AnLF:MTLF = 3:1到5:1。
坑点2:数据采集粒度 NWDAF的数据采集频率直接影响分析精度和系统开销。移动性预测建议采集粒度为1-5秒(通过Nnwdaf_DataManagement的事件订阅),NF负载分析建议粒度为30秒。粒度过细会导致信令风暴。
坑点3:ADRF存储规划 ADRF存储需求与网络规模正相关。大型运营商网络建议按100万用户约500GB/天的原始数据量规划。需要配置数据保留策略(如原始数据保留7天,聚合数据保留90天)。
业界通常认为无线接入网(RAN)占移动网络总能耗的70-80%,但核心网的能耗占比随着流量增长呈上升趋势。根据Intel与运营商的联合测试数据,云原生5GC在满载状态下,单个SMF实例功耗可达200-400W,AMF实例功耗150-300W。在全网维度,核心网能耗占比可达15-25%,优化空间显著。
3GPP SA5工作组在Rel-18/19中建立了完整的能量效率管理框架:
核心网能量感知的关键原则是"在不影响SLA的前提下,最小化激活资源"。
核心思想:根据实时负载动态调整NF实例数量。
伸缩决策算法伪代码:
func AutoScaleSMF(current_load, time_window):
// 获取NWDAF负载预测
prediction = NWDAF.GetAnalytics(
analytics_id = "NF load",
target_nf = "SMF",
time_window = time_window
)
active_instances = GetActiveSMFCount()
if prediction.peak_load < current_load * 0.3:
// 低负载预测:缩容
target_count = max(active_instances - 1, min_instances)
for i in range(active_instances - target_count):
SMF[oldest].GracefulDrain() // 迁移现有会话
SMF[oldest].DeregisterFromNRF()
elif prediction.peak_load > current_load * 0.8:
// 高负载预测:扩容
target_count = active_instances + ceil(prediction.peak_load / target_load_per_instance)
for i in range(target_count - active_instances):
NewSMF = DeploySMFInstance()
NewSMF.RegisterToNRF()
return target_count
关键参数配置建议:
| 参数 | 推荐值 | 说明 |
|---|---|---|
| 缩容冷却时间 | 15-30分钟 | 防止负载波动导致频繁伸缩 |
| 扩容触发阈值 | 70-80% CPU | 留出会话迁移时间窗口 |
| 缩容触发阈值 | 20-30% CPU | 保留足够余量应对突发 |
| 最小实例数 | 2 | 保证高可用 |
| 会话迁移超时 | 300秒 | Graceful Drain最大等待时间 |
当NF实例无法完全缩容时(如保留最小实例数),可以对实例内部计算资源进行节能调度:
用户面功能(UPF)是核心网中实例数量最多的NF。在低流量时段(如凌晨2:00-6:00),大量边缘UPF处于低负载状态。能量感知机制支持:

图表 4
Rel-19在核心网能量管理方面引入了以下新能力(对应Work Item 5GS_EAS,3GPP SP-231005):
坑点1:NRF缓存一致性 NF实例缩容后,其他NF的NRF发现结果缓存可能仍指向已关闭实例。必须确保缩容前执行完整的NRF Deregistration,并设置合理的缓存过期时间(建议≤30秒)。
坑点2:UPF合并导致的时延增加 边缘UPF合并到中心UPF后,端到端时延可能增加10-30ms。需要在PCF中配置差异化的QoS策略,确保URLLC等低时延业务的PDU Session不被迁移。
坑点3:定时模式与突发流量的矛盾 节能策略通常基于历史流量模式(如凌晨低负载),但突发事件(如大型活动直播)可能导致流量突然飙升。建议NWDAF的预测窗口设置多级告警,在预测偏差超过20%时立即触发扩容。
上述三个方向并非孤立发展,而是形成了紧密的协同关系:

图表 5
协同逻辑: 1. SCP为NWDAF提供高效数据通道:SCP的间接通信模型减少了NWDAF采集数据时的信令开销,SCP内嵌的路由缓存避免了每次数据采集都查询NRF 2. NWDAF为能量感知提供决策依据:AnLF的负载预测和流量模式分析是NF伸缩、UPF休眠的核心输入 3. 能量感知操作通过SBA通知机制传播:NF实例伸缩后通过NRF Deregistration/Registration通知所有相关NF
| 规范编号 | 标题 | 核心内容 |
|---|---|---|
| TS 23.501 | 5G系统架构 | SBA通信模型定义、SCP架构 |
| TS 23.502 | 5G系统流程 | NWDAF相关信令流程 |
| TS 23.288 | 5G数据分析架构增强 | NWDAF/AnLF/MTLF/ADRF完整定义 |
| TS 29.500 | 5G SBI技术基础 | HTTP/2、RESTful API设计原则 |
| TS 29.510 | NRF服务接口 | Nnrf服务定义 |
| TS 29.520 | NWDAF服务接口 | Nnwdaf服务定义 |
| TS 28.310 | 能量效率管理 | 5G能量管理框架 |
| TS 28.313 | 网络节能管理 | NES管理服务 |
| TS 33.521 | NWDAF安全保障 | NWDAF SCAS安全要求 |
| TR 23.700-87 | 数据处理增强研究 | NDL可行性研究 |
Q: SCP和传统Diameter信令代理有什么本质区别?
A: 核心区别在于代理粒度和协议层。Diameter代理工作在Diameter协议层,主要做消息路由和中继;SCP工作在HTTP/2应用层,不仅做消息路由,还承担服务发现委托、负载均衡、安全认证、流量监控等功能。SCP理解SBI语义(如解析3gpp-Sbi-*头部),能做更智能的路由决策。从部署模式看,Diameter代理通常是一对一的中继,而SCP可以作为整个NF集合的通信枢纽,实现集中化的流量管理。
Q: AnLF和MTLF必须部署在不同物理节点上吗?
A: 不必须。3GPP TS 23.288将AnLF和MTLF定义为逻辑功能,它们可以共部署在同一个物理节点上(小规模网络推荐),也可以分别部署(大规模运营商推荐)。分离部署的核心优势是:AnLF可以水平扩展以应对高并发的推理请求,而MTLF可以配置GPU等加速硬件专注于模型训练。两种部署模式通过Nnwdaf_MLModelProvision服务接口统一交互。
Q: 在现网中如何从Rel-15/16核心网平滑升级到Rel-18/19架构?
A: 推荐分阶段演进策略: - Phase 1:部署SCP,将现有NF从模型A迁移到模型D(NF仍直查NRF,但通过SCP通信)。此阶段NF改动最小,只需配置SCP地址 - Phase 2:部署NWDAF AnLF实例,先接入移动性预测和NF负载分析两个Analytics ID,验证数据采集和分析精度 - Phase 3:部署MTLF和ADRF,启用ML模型训练,逐步增加分析维度 - Phase 4:开启能量感知功能,从SMF/AMF伸缩开始,逐步扩展到UPF合并
Q: NWDAF的ML模型如何避免"灾难性遗忘"?
A: 这是NWDAF在长期运行中的关键问题。当网络拓扑或流量模式发生变化时(如新基站开通、大型活动),新训练的ML模型可能在新模式上表现优异但在旧模式上退化。TS 23.288 Rel-18引入了ML模型版本管理机制:MTLF通过Nnwdaf_MLModelProvision分发模型时携带模型版本号和适用条件(Applicability Criteria),AnLF可以根据输入数据的特征选择合适的模型版本。此外,ADRF中的历史数据可以用于回退训练,确保旧模型能力不丢失。
Q: 核心网能量感知功能需要终端配合吗?
A: 核心网侧的NF伸缩和UPF合并对终端是透明的——PDU Session迁移通过SMF/UPF间的信令完成,终端感知不到。但有两种场景需要终端配合:一是跨AMF的Registration迁移(Rel-19引入的AMF间UE上下文迁移),需要终端发起Mobility Registration Update;二是UPF合并后PDU Session的IP地址可能变化,需要通过IPv6多前缀或双栈机制保证业务连续性。总体而言,核心网节能操作对终端的要求很低,这是其相对于RAN节能(需要终端测量上报配合)的重要优势。
本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生(微信ID: gprshome201101)维护,聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。 出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。
[!tip] 51学通信知识星球 星主:爱卫生(微信:gprshome201101)——公众号「51学通信」创办者,19 年通信行业运维与讲师经验,著有《GPRS网络信令实例详解》《EPC原理与实践》《5G核心网原理与实践》三本纸质书(各大电商平台有售)。 星球定位:深耕 5G 核心网、IMS、NFV/AI、云原生等 ICT 领域,主打运维岗位与信令分析。 当前规模:5200 篇主题 / 990 个回答,198 元/年。 加入福利:加入星球后请加爱卫生微信,拉您进知识星球年度陪伴与答疑群——不限量回复您的各种问题,另有群内分享。 AI 加持:51学通信知识星球已作为 skill 接入 WorkBuddy,使用 deepseek-4-flash 在海量星球帖子中精准找贴、找视频、找 FAQ 和案例,做总结、找文档和 PPT 等场景全覆盖。
