【摘要】新業(yè)務(wù)對5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營提出了新的要求，因此結(jié)合業(yè)務(wù)愿景，分析EPC核心網(wǎng)架構(gòu)存在的局限和NGC網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)選擇，給出NGC網(wǎng)絡(luò)階段部署計劃和三級DC網(wǎng)絡(luò)組織，通過云化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)，實現(xiàn)敏捷部署、彈性伸縮、智能開放的5G核心網(wǎng)架構(gòu)。
【關(guān)鍵詞】EPC NGC NFV 網(wǎng)絡(luò)切片 數(shù)據(jù)中心
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000 中圖分類號：TN929.531 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-1010(2018)01-0000-00
引用格式：徐大偉,何力毅,周新榮. 核心網(wǎng)從EPC向NGC的演進(jìn)[J]. 移動通信, 2017,42(1): 00-00.
Core Network Evolution Deployment from EPC to NGC
XU Dawei, HE Liyi, ZHOU Xinrong
(China Information Technology Designing & Consulting Institute Co., Ltd., Shanghai 200050, China)
[Abstract] Businesses and technologies promote the evolution of core network architecture. According to business visions, this paper analyzes the limitation of EPC network architecture and the choice of key technologies of NGC network firstly, then presents NGC network stage deployment plan and three level DC network organization.The evolution of cloud-based network achieves NGC architecture with agile deployment, flexible scalability and smart capability.
[Key words] Evolved Packet Core Next Generation Core Network Function Virtualization network slicing data center
1 引言
未來5G將會催生4k/8k、VR/AR、全息通信、V2X、網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧產(chǎn)業(yè)、萬物互聯(lián)等應(yīng)用，推動社會發(fā)生深刻變革，使社會各個領(lǐng)域更加高效運(yùn)轉(zhuǎn)，提升用戶體驗與生活質(zhì)量。新業(yè)務(wù)對5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營提出了新的要求：大帶寬、低時延、本地化的傳輸能力，大連接、多場景、彈性高效的網(wǎng)絡(luò)能力，快速、低成本的建設(shè)運(yùn)營能力。而現(xiàn)有傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡(luò)所承載的業(yè)務(wù)相對單一，核心網(wǎng)設(shè)備軟硬件耦合度高，網(wǎng)元功能固化，開發(fā)周期長、代價大，且功能定制繁瑣，無法滿足新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)彈性、敏捷、智能、開放的特點。復(fù)雜固化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也導(dǎo)致了復(fù)雜的業(yè)務(wù)上線流程，加劇業(yè)務(wù)部署的難度，延長運(yùn)營商的業(yè)務(wù)開通和創(chuàng)新周期。
下文將從運(yùn)營商現(xiàn)有EPC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析入手，結(jié)合5G標(biāo)準(zhǔn)研究與NFV技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，研究核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)部署方案，支持核心網(wǎng)的敏捷部署、迭代開發(fā)和智能開放。
2 核心網(wǎng)架構(gòu)現(xiàn)狀
2.1 EPC架構(gòu)現(xiàn)狀
傳統(tǒng)EPC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，主要網(wǎng)元包括MME、S-GW、P-GW和HSS，實際組網(wǎng)中，S-GW和P-GW可以合設(shè)。MME是EPS移動性管理和會話管理的信令處理實體；SGW是一個終止于E-UTRAN接口的業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)，對每一個與EPS相關(guān)的UE，在一個時間點上都有一個SGW為之服務(wù)；PGW是面向PDN終結(jié)于SGi接口的網(wǎng)關(guān)，如果UE訪問多個PDN，UE將對應(yīng)一個或多個PGW；HSS是用于存儲用戶簽約信息的數(shù)據(jù)庫。
在EPC架構(gòu)中，SGSN功能分裂成MME和S-GW，MME專注于控制面功能，通過與HSS的交互完成用戶的接入控制，并負(fù)責(zé)S-GW與基站之間的路由協(xié)商；S-GW專注于數(shù)據(jù)面處理，包括GTP的封裝、解封裝、上下行GTP數(shù)據(jù)報文的轉(zhuǎn)發(fā)等。數(shù)據(jù)從終端用戶到達(dá)P-GW，通過GTP隧道的方式逐段從基站送到P-GW，S-GW和P-GW上保留了GTP隧道的建立、刪除、更新等GTP控制功能。
圖1 傳統(tǒng)EPC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖
2.2 EPC架構(gòu)局限分析
傳統(tǒng)EPC核心網(wǎng)控制面與數(shù)據(jù)面分離不徹底，且數(shù)據(jù)面功能過于集中，EPC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在如表1所示局限，難以滿足5G業(yè)務(wù)的需求：
表1 EPC架構(gòu)局限分析
針對傳統(tǒng)EPC核心網(wǎng)面臨的問題，未來5G網(wǎng)絡(luò)為了能夠更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的激增，核心網(wǎng)架構(gòu)需要支持本地分流、控制面與數(shù)據(jù)面分離、控制面集中化、以及基于通用硬件平臺實現(xiàn)軟硬件解耦等，從而具備靈活性和可擴(kuò)展性。
3 5G核心網(wǎng)架構(gòu)演進(jìn)
5G網(wǎng)絡(luò)通過光纖般的接入速率、“零”時延和高可靠、千億設(shè)備的連接能力、多樣化場景的一致體驗、超百倍的能效提升，實現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”。與4G相比，5G具有更強(qiáng)性能：體驗速率更快（4G×100）、連接數(shù)密度更高（4G×10）、空口時延更低（4G×0.2）；5G具有更多場景：增強(qiáng)移動寬帶場景eMBB（增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實、云端機(jī)器人……）、低功耗廣覆蓋場景mMTC（海量物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市……）、低時延高可靠場景uRLLC（車聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)……），5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成全新一代基礎(chǔ)設(shè)施，打造跨行業(yè)融合新生態(tài)，打造萬物互聯(lián)的新世界。
業(yè)務(wù)愿景、SDN/NFV技術(shù)驅(qū)動5G系統(tǒng)架構(gòu)研究項目關(guān)注的熱點技術(shù)方向包括：1）網(wǎng)絡(luò)切片、2）QoS、3）移動性管理、4）會話管理、5）用戶面和會話連續(xù)性、6）新型接口、7）互通和演進(jìn)、8）融合接入等。業(yè)務(wù)需求和5G技術(shù)關(guān)聯(lián)如圖2所示：
圖2 業(yè)務(wù)需求與5G技術(shù)關(guān)聯(lián)示意圖
借鑒IT領(lǐng)域的“微服務(wù)”設(shè)計理念，3GPP SA2工作組提出基于服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)SBA（Service-based architecture），如圖3所示，將網(wǎng)絡(luò)功能定義為多個相對獨(dú)立可被靈活調(diào)用的服務(wù)模塊：統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫UDM、認(rèn)證服務(wù)器功能AUSF、接入及移動性管理功能AMF、會話管理功能SMF、用戶面功能UPF、能力開放功能NEF和功能注冊NRF。
5G SBA架構(gòu)進(jìn)行控制面重構(gòu)，重新定義控制面網(wǎng)絡(luò)功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能去耦合，使得功能可靈活組合，并能獨(dú)自演進(jìn)和更新；采用服務(wù)化接口，可被多個網(wǎng)絡(luò)功能對端復(fù)用調(diào)用，提高接口實現(xiàn)效率。
圖3 基于服務(wù)的5G系統(tǒng)架構(gòu)圖
相比EPC架構(gòu)，NGC將以徹底云化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)網(wǎng)元微模塊化、原子化，按需靈活組合上線；實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，各垂直行業(yè)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)邏輯隔離；C/U徹底分離，C面模塊化設(shè)計靈活組合，U面按需分布，利于計算邊緣化；構(gòu)建DC部署的云化基礎(chǔ)設(shè)施。
4 5G核心網(wǎng)演進(jìn)部署
根據(jù)5G標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)鏈成熟程度，運(yùn)營商可于2018年至2019年進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)試點、試商用，2020年起考慮商用部署。NFV技術(shù)是5G核心網(wǎng)基礎(chǔ)，5G網(wǎng)絡(luò)部署時間倒逼NFV盡快商用，而NFV部署是一個漸進(jìn)的過程，可以從控制到轉(zhuǎn)發(fā)、從增量到存量、從核心到邊緣、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點DC化等原則有序推進(jìn)核心網(wǎng)虛擬化。
如圖4所示，5G網(wǎng)絡(luò)將構(gòu)建以三級DC基礎(chǔ)架構(gòu)的云化網(wǎng)絡(luò)，一級DC部署服務(wù)全國、大區(qū)或全省的業(yè)務(wù)、控制面網(wǎng)元；二級DC部署服務(wù)本地網(wǎng)的業(yè)務(wù)、控制面及部分用戶面網(wǎng)；三級DC部署接入層以及邊緣計算類網(wǎng)元。云資源池中硬件采用通用硬件服務(wù)器，以x86架構(gòu)為主，ARM架構(gòu)為輔，存儲從集中存儲逐步向服務(wù)器存儲過渡；虛擬層VIM以O(shè)penstack為主，Hypervisor以KVM為主，后續(xù)可向容器類中間件演進(jìn)。
圖4 三級DC云化網(wǎng)絡(luò)示意圖
DC內(nèi)組網(wǎng)采用Spine/Leaf的分層架構(gòu)，如圖5所示，接入交換機(jī)負(fù)責(zé)各種物理資源連接，按管理/存儲/業(yè)務(wù)三個平面進(jìn)行物理隔離，并分別成對配置；核心交換機(jī)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)DC內(nèi)部的東西向流量；邊界設(shè)備（Border leaf）負(fù)責(zé)對外業(yè)務(wù)出口，成對配置；如果資源池服務(wù)器/存儲數(shù)量較少，可不部署接入層交換機(jī)，邊界設(shè)備與核心交換機(jī)合設(shè)。
圖5 DC內(nèi)部組網(wǎng)示意圖
初期，不同的DC之間如有互通需要，主要通過已有承載網(wǎng)互通；后期，城域承載網(wǎng)絡(luò)和骨干承載網(wǎng)絡(luò)分別實現(xiàn)融合，最終DC間通信逐步融合為目標(biāo)云承載網(wǎng)。
5G建設(shè)初期，NGC在熱點區(qū)域部署，和EPC之間通過Nx接口進(jìn)行互操作：
（1）基于NFV平臺，引入NGC；
（2）HSS和UDM全融合，實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理；
（3）EPC和NGC共UP，控制面通過Nx接口傳遞UE上下文；
（4）隨著傳統(tǒng)EPC設(shè)備老舊退網(wǎng)，逐步向NGC遷移。
中后期，核心網(wǎng)逐步實現(xiàn)云化，EPC逐步融合演進(jìn)，實現(xiàn)統(tǒng)一核心網(wǎng)：
（1）NFV云化三層解耦，全網(wǎng)統(tǒng)一管理編排；
（2）隨著傳統(tǒng)EPC設(shè)備老舊退網(wǎng)，逐步向NGC遷移，支持EPC與NGC融合組網(wǎng)；
（3）支持3GPP和Non-3GPP多種接入方式；
（4）支持端到端的網(wǎng)絡(luò)切片。
5 總結(jié)與展望
本文首先分析EPC核心網(wǎng)架構(gòu)存在的局限和NGC網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)需求，結(jié)合NFV技術(shù)提出三級DC云化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和NGC網(wǎng)絡(luò)階段部署計劃。在后期的運(yùn)營商N(yùn)GC網(wǎng)絡(luò)試點、試商用部署中，會進(jìn)一步深入研究VNF需求模型、DC間網(wǎng)絡(luò)組織和NFV電信級可靠性等問題。
參考文獻(xiàn)：
[1] IMT-2020(5G)推進(jìn)組. 5G愿景與需求白皮書[S]. 2014.
[2] 楊峰義. 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2017.
[3] IMT-2020(5G)推進(jìn)組. 5G概念白皮書[S]. .2015.
[4] IMT-2020(5G)推進(jìn)組. 低時延高可靠通信場景、需求及性能指標(biāo)研究報告[R]. 2014.
[5] 熊偉. EPC核心網(wǎng)接口帶寬流量的規(guī)劃設(shè)計[J]. 移動通信, 2015,39(2): 17-20.
[6] 薛淼,符剛,朱斌,等. 基于SDN/NFV的核心網(wǎng)演進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 郵電設(shè)計技術(shù), 2014(3): 16-22.
[7] 苗杰. 移動核心網(wǎng)虛擬化影響和演進(jìn)分析[J]. 郵電設(shè)計技術(shù), 2015(2): 33-36.
[8] 曹亙,李佳俊,李軼群,等. 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展[J]. 移動通信, 2017,41(2): 32-37.
[9] 于建偉,張保華,于娟娟,等. 面向5G的NFV核心網(wǎng)演進(jìn)方案研究[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2017,30(1): 42-47.
[10] 李平,王雪,于大吉. 5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方案及運(yùn)營思路探討[J]. 郵電設(shè)計技術(shù), 2017(3): 5-9.
[11] 楊旭. EPC向5G核心網(wǎng)架構(gòu)演進(jìn)探討[C]//面向5G的LTE網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研討會(2017)論文集. 2017: 5.
作者簡介
徐大偉：高級工程師，現(xiàn)任職于中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司上海分公司，從事核心網(wǎng)絡(luò)相關(guān)咨詢、設(shè)計工作。
何力毅：高級工程師，現(xiàn)任職于中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司上海分公司，從事核心網(wǎng)絡(luò)相關(guān)咨詢、設(shè)計工作。
周新榮：高級工程師，現(xiàn)任職于中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司上海分公司，從事核心網(wǎng)絡(luò)相關(guān)咨詢、設(shè)計工作。
