从 4G 到 5G：核心网演进对 APN 机制的影响

在移动通信技术飞速发展的今天，我们正经历着从 4G 到 5G 的深刻变革。这场变革不仅仅是无线接入技术的升级，更是一场核心网架构的全面革新。作为移动通信网络中至关重要的组成部分，核心网的演进对用户的接入方式、业务体验乃至整个网络的运营模式都产生了深远的影响。其中，接入点名称（Access Point Name，APN）作为 4G 网络中定义用户接入数据网络和提供服务的关键标识，在 5G 时代面临着新的挑战与机遇。本文将深入探讨从 4G 到 5G 核心网的演进过程，重点分析其对 APN 机制的影响，并阐述 5G 引入的 DNN、网络切片和 QoS 等新特性如何重塑移动数据业务的未来。

1. 4G 核心网（EPC）与 APN 机制

1.1 4G 核心网（EPC）架构概述

4G LTE（长期演进）网络的核心网被称为演进分组核心（Evolved Packet Core，EPC）。EPC 旨在提供全 IP 的数据服务，其主要网元包括：

• 移动管理实体（Mobility Management Entity，MME）：负责移动性管理、会话管理、用户认证和鉴权。
• 服务网关（Serving Gateway，S-GW）：负责用户面数据转发，是用户平面流量的锚点。
• 分组数据网络网关（Packet Data Network Gateway，P-GW）：负责与外部数据网络（如互联网、企业专网）的连接，执行 IP 地址分配、策略执行和计费等功能。
• 归属用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）：存储用户签约信息，包括用户身份、允许接入的 APN 信息等。
• 策略和计费规则功能（Policy and Charging Rules Function，PCRF）：负责策略控制和计费规则的制定和执行。

在 EPC 架构中，数据平面和控制平面实现了分离，提高了网络的灵活性和可扩展性。

1.2 APN 在 4G 网络中的作用

在 4G EPC 网络中，APN 是用户终端（UE）接入数据网络时用于识别和选择特定数据网络或服务的逻辑名称。每个 APN 通常对应一个特定的 P-GW，从而将用户流量路由到相应的外部网络。APN 的主要作用包括：

• 数据网络选择：通过不同的 APN，用户可以选择接入互联网、企业内部网或其他特定的数据服务网络。例如，一个运营商可能提供"internet"APN 用于通用上网，以及"wap"APN 用于WAP服务。
• IP 地址分配：P-GW 根据 APN 信息为用户分配 IP 地址。
• 策略控制：PCRF 可以根据 APN 来应用不同的策略，例如带宽限制、流量计费规则等。
• QoS 控制：不同的 APN 可以关联不同的 QoS 参数，以满足不同业务对服务质量的要求。
• 安全性：APN 也可以用于实现不同网络之间的隔离，提高安全性。

用户终端在发起数据连接请求时，会携带 APN 信息发送给 MME，MME 进一步将此信息传递给 S-GW 和 P-GW，最终建立起用户与外部数据网络之间的连接。

2. 5G 核心网（5GC）的演进与变革

2.1 5G 核心网（5GC）架构概述

5G 核心网（5GC）是基于服务化架构（Service-Based Architecture，SBA）设计的新一代核心网。SBA 的核心思想是将核心网功能解耦为一系列独立的网络功能（Network Function，NF），这些 NF 通过统一的服务总线相互通信。这种架构极大地提高了网络的灵活性、可编程性和可扩展性，为未来多样化的业务需求奠定了基础。

5GC 的主要网络功能包括：

• 接入和移动性管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）：负责接入管理、移动性管理、注册管理、连接管理和安全上下文管理等。类似于 4G 中的 MME。
• 会话管理功能（Session Management Function，SMF）：负责会话管理，包括会话建立、修改、释放，IP 地址分配，以及与 UPF 的控制面交互。类似于 4G 中的 P-GW 的控制面功能。
• 用户面功能（User Plane Function，UPF）：负责用户面数据转发，是用户平面流量的锚点，实现数据包路由、转发、策略执行和计费。类似于 4G 中的 S-GW 和 P-GW 的用户面功能。
• 统一数据管理（Unified Data Management，UDM）：存储用户签约数据、认证凭证、移动性管理和会话管理相关数据。类似于 4G 中的 HSS。
• 策略控制功能（Policy Control Function，PCF）：负责策略控制和计费规则。类似于 4G 中的 PCRF。
• 认证服务器功能（Authentication Server Function，AUSF）：负责认证。
• 网络切片选择功能（Network Slice Selection Function，NSSF）：协助 AMF 选择合适的网络切片。

2.2 5G 核心网的主要特点

• 服务化架构（SBA）：所有网络功能以服务的形式提供和消费，提高了模块化和互操作性。
• 控制面与用户面分离（CUPS）：进一步深化了 4G 的 CUPS 思想，用户面和控制面可以独立部署和扩展，实现更加灵活的资源管理。
• 网络切片（Network Slicing）：5GC 最具变革性的特性之一，允许在同一物理网络基础设施上创建多个逻辑隔离的虚拟网络切片，以满足不同业务场景的特定需求（例如 eMBB、uRLLC、mMTC）。
• 边缘计算（Edge Computing）：UPF 可以部署在网络边缘，将数据处理能力推向用户，降低时延，提高带宽效率。
• 云原生（Cloud Native）：5GC 基于容器、微服务等云原生技术构建，实现自动化部署、弹性伸缩和故障自愈。

3. APN 机制在 5G 核心网中的演进：DNN 的引入

在 5G 核心网中，APN 的概念并没有被完全废弃，而是被数据网络名称（Data Network Name，DNN）所取代和扩展。DNN 在 5G 中的作用与 APN 在 4G 中类似，但其内涵和功能得到了极大的丰富。

3.1 DNN 的概念与作用

DNN 是 5G 中用于标识用户所请求接入的数据网络或服务的逻辑名称。它仍然是 UE 访问外部数据网络的入口标识，但其背后的机制和所能提供的功能更加强大和灵活。

• 数据网络识别：DNN 明确指示 UE 希望连接到哪个数据网络，例如互联网、企业专网、工业物联网平台等。
• UPF 选择：SMF 会根据 DNN 和其他策略信息选择合适的 UPF 来承载用户数据流量。
• PDU 会话建立：UE 发起 PDU 会话（相当于 4G 中的 PDN 连接）请求时，会携带 DNN 信息，SMF 利用此信息建立相应的 PDU 会话。
• 策略控制与计费：PCF 可以基于 DNN 应用精细化的策略和计费规则。

3.2 DNN 与 APN 的异同

特性	4G (APN)	5G (DNN)
目的	标识数据网络和选择 P-GW	标识数据网络和选择 SMF/UPF
架构	EPC，紧密耦合的 P-GW	5GC，服务化架构，控制面/用户面分离（SMF/UPF）
灵活性	相对固定，主要用于路由到不同的外部网络	更高，可以与网络切片、边缘计算等深度结合
关联对象	主要与 P-GW 关联	与 SMF、UPF 关联，并可作为网络切片选择的辅助信息
演进趋势	向 DNN 演进，部分场景仍兼容 APN	主要使用 DNN，但为兼容 4G 设备会支持 APN 的转换和映射

在 5G 时代，DNN 不仅延续了 APN 的基本功能，更与 5G 核心网的诸多新特性深度融合，为运营商提供了更精细化的网络管理和更丰富的业务能力。

4. 核心网演进对 APN/DNN 机制的影响：网络切片与 QoS

4.1 网络切片对 APN/DNN 机制的影响

网络切片是 5G 核心网最具创新性的特性之一。它允许在同一物理网络基础设施上创建多个逻辑隔离的虚拟网络，每个切片都可以根据特定的业务需求进行定制，包括独立的网络功能、资源分配、策略和 QoS 参数。

• DNN 与网络切片的协同：
• 切片选择：UE 在发起 PDU 会话请求时，除了携带 DNN 信息外，还可以携带网络切片选择辅助信息（S-NSSAI，Single Network Slice Selection Assistance Information）。AMF 会结合 DNN 和 S-NSSAI 来选择最合适的网络切片。
• 业务隔离：不同的 DNN 可以被映射到不同的网络切片中，从而实现不同业务之间的完全隔离。例如，一个 DNN 可以专门用于连接物联网设备，部署在资源受限但连接数量庞大的切片中；另一个 DNN 可以用于连接自动驾驶汽车，部署在具有超低时延和高可靠性保障的切片中。
• 资源定制：每个网络切片都可以拥有独立的 SMF 和 UPF 实例，以及定制化的 QoS 和安全策略。这意味着即使是相同的 DNN，在不同的网络切片中也可能获得完全不同的服务体验。
• 增强的灵活性：网络切片结合 DNN 机制，为运营商提供了前所未有的灵活性，可以为垂直行业提供定制化的 5G 网络服务。例如，为智慧工厂提供高可靠、低时延的切片，为远程医疗提供高带宽、高安全的切片。

4.2 QoS（服务质量）机制在 5G 中的演进与 DNN 的关联

QoS 是衡量网络服务质量的关键指标，包括带宽、时延、抖动、丢包率等。在 4G 到 5G 的演进过程中，QoS 机制也得到了显著增强，并与 DNN 紧密关联。

• 4G QoS 机制：
• 在 4G EPC 中，QoS 主要通过 QCI（QoS Class Identifier）来标识，每个 QCI 对应一组预定义的 QoS 特性（如优先级、时延预算、丢包率）。
• APN 可以与特定的 QCI 关联，从而为该 APN 下的所有业务提供相应的 QoS 保障。
• PCRF 根据策略为用户和业务应用 QoS 规则。
• 5G QoS 机制：
• 5G 引入了更灵活和精细的 QoS 机制，主要通过 5QI（5G QoS Identifier）来标识。5QI 同样对应一组 QoS 参数，但其粒度更细，支持更多的业务场景。
• 除了 5QI，5G 还引入了 ARP（Allocation and Retention Priority）、GFBR（Guaranteed Flow Bit Rate）、MFBR（Maximum Flow Bit Rate）等参数，以更精确地控制业务流量。
• DNN 与 5G QoS：
• 在 5G 中，DNN 可以与特定的 5QI 以及其他 QoS 参数关联。这意味着针对不同的数据网络（由 DNN 标识），可以应用不同的 QoS 策略。
• 通过 DNN，运营商可以为特定类型的业务（例如，视频流、VoNR、物联网数据）提供差异化的 QoS 保障，从而优化用户体验和网络资源利用率。
• 结合网络切片，QoS 的控制能力进一步增强。在不同的网络切片中，即使是相同的 DNN，也可以通过切片级的策略配置，获得完全不同的 QoS 保障。例如，在面向企业应用的切片中，可能为某个 DNN 提供更高的优先级和带宽保障。

5. 核心网演进对未来网络的影响

从 4G 到 5G 核心网的演进，以及 DNN 机制的引入和与网络切片、QoS 的深度融合，将对未来的移动通信网络产生多方面的影响：

• 业务创新：5G 核心网的灵活性和可编程性，结合 DNN 和网络切片，将催生出更多样化的业务模式和应用场景。垂直行业将能够根据自身需求定制专属网络，例如工业互联网、车联网、远程医疗、智慧城市等。
• 网络运营效率提升：服务化架构和云原生技术使得核心网的部署、运维和升级更加高效。自动化和智能化将贯穿网络的整个生命周期。
• 用户体验优化：通过 DNN 和 QoS 的精细化控制，运营商可以为用户提供更加个性化、高质量的服务体验，尤其是在超高清视频、VR/AR、实时游戏等对带宽和时延要求较高的应用场景。
• 边缘计算的普及：5GC 中 UPF 的下沉部署能力，结合 DNN 对本地数据网络的识别，将加速边缘计算的普及，进一步降低时延，提升数据处理效率，并支持更多创新型边缘应用。
• 安全性增强：网络切片可以实现不同业务之间的逻辑隔离，有助于提高网络的整体安全性。同时，5G 的认证和鉴权机制也得到了增强。
• 开放性与合作：5G 核心网的开放性和接口标准化，将促进不同厂商和行业之间的合作，共同推动 5G 生态系统的发展。

结论

从 4G 到 5G 的核心网演进是一场深刻的技术变革，它不仅带来了网络架构的全面升级，更对传统的 APN 机制产生了深远的影响。5G 引入的 DNN 概念，结合网络切片和更精细化的 QoS 机制，为移动数据网络带来了前所未有的灵活性、可编程性和定制化能力。

APN 作为 4G 时代的核心网标识，其基本功能在 5G 时代由 DNN 继承并扩展。DNN 不仅仅是一个简单的网络接入点名称，它更是 5G 时代连接物理网络与虚拟切片、实现差异化服务、支持垂直行业定制化的关键桥梁。随着 5G 技术的不断成熟和广泛应用，我们将看到 DNN 在驱动业务创新、优化用户体验和构建智能社会方面发挥越来越重要的作用。这场核心网的演进，无疑为移动通信的未来描绘了一幅更加广阔和精彩的蓝图。