商用5G已经投入现网使用,但是由于技术安全和商业利益等方面原因,设备商没有开放5G源代码的愿望。这样,学术界在进行5G相关理论研究或验证时,就会遇到缺少实验环境的困难,因而亟需一种开放的5G体系联通学术界和工业界—开源5G。一方面,开源5G与现有5G一样,需要为海量用户提供高清视频、高速上网、物联网等多样化服务,也要求开源5G的接入网和核心网要具有大容量、低时延、多承载的能力,这些能力如何通过虚拟化实现是开源5G的难题之一;另一方面,由于移动数据流量具有时间和空间分布不均匀特性,随着5G基站部署的致密化,用户设备在5G基站间的频繁切换成为常态,这也会使得开源5G核心网节点间的负载存在差异且实时变化,因此,如何实现开源5G核心网节点间的负载均衡也成为另一个难题。面对网络虚拟化和负载分布不均衡的挑战,传统的硬件与软件紧耦合的核心网架构已经无法适应开源5G的要求。随着通用硬件计算能力的提升,基于X86硬件平台以及虚拟化技术实现开源5G核心网的快速开发和演进成为可能。本文在深入研究虚拟化技术和5G标准的基础上,使用虚拟化技术实现了负责用户设备接入、消息转发等功能的AMF服务原型系统,并对AMF服务中的负载均衡问题进行了深入研究。首先,基于开源工具和3GPP标准设计了开源5G核心网AMF架构。本文采用Pistache微服务框架开发了 AMF微服务功能;同时,为了实现N1/N2接口,使用开源序列化工具Protobuf解决了 NGAP协议的传输难题,使用自主开发的序列化工具解决了 NAS协议的传输难题,并对这两种协议的逻辑和接口进行了开发和封装研究。实验表明本文开发的AMF原型系统可以实现用户设备接入5G网络的完整流程,既验证了 5G核心网虚拟化技术的可行性,又为核心网其它功能的开发奠定了基础。其次,针对终端设备接入5G基站时,一个AMF集群内不同AMF实例可能存在的负载不均衡的问题,本文通过对AMF原型和用户模拟器的整合开发,搭建了可验证AMF负载均衡算法和架构性能的负载均衡实验平台,并通过对相关负载均衡算法的对比试验,对不同算法的性能与适用场景进行了分析和验证,结果表明权重轮询、最小连接数负载均衡算法能适应多种场景、负载均衡效果最好。