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如何构建高效5G核心网?

2019-10-10  来源:人民邮电报  作者:中通服咨询设计研究院有限公司 方晓农 梁雪梅

随着5G商用的全面开启,如何构建高质量、强健的网络成为业界关注的焦点,尤其是5G核心网的规划和建设策略,更是直接关系到5G网络的后续发展。与此同时,如何促进5G和工业、交通等行业融合,“孵化”能够颠覆传统生产和生活方式的“杀手级”应用,也成为业界研究和探索的重点。

5G时代,海量的智能终端将会接入网络。面对以自动驾驶为代表的超低时延业务,以智慧城市、智慧家庭为代表的超大连接业务和以AR/VR为代表的超高带宽业务等应用场景,现有核心网已无法满足未来多场景接入和业务的多样性需求。为此, 5GC(5G核心网)系统引入了一系列新技术,包括NFV、服务化架构(SBA)、C/U分离、网络切片以及MEC等来实现及支撑各种新业务场景,为未来面向各行各业的海量应用落地奠定坚实基础。

5G核心网系统结构

根据3GPP规范,5G核心网采用服务化架构(SBA)设计,虚拟化方式实现。

5G核心网控制平面功能采用基于服务的设计理念,来描述控制面网络功能和接口交互,并实现网络功能的服务注册、发现和认证等功能。服务化架构下,控制平面的功能既可以是服务的生产者(Producer),也可以是服务的消费者(Consumer),消费者要访问生产者的服务时,必须使用生产者提供的统一接口来进行访问。

采取服务化(SBA)设计,可以提高功能的重用性,简化业务流程设计,优化参数传递效率,提高网络控制功能的整体灵活性。同一种NF可以被多种NF调用,从而降低NF之间接口定义的耦合度,最终实现整网功能的按需定制,支持不同的业务场景和需求。

5G核心网的关键特性包括:一、控制面采用服务化架构(SBA),接口统一,简化流程;二、控制和承载完全分离,控制面和用户面可分别灵活部署与扩容;三、采用虚拟化技术,实现软硬件解耦,计算和存储资源动态分配;四、支持网络切片,灵活快速按需部署网络;五、支持MEC,有利于低时延、高带宽等创新型业务的部署。

5G核心网关键技术

  图1:5G核心网C/U分离架构。

5G核心网拥有五大关键技术,分别是C/U分离、网络切片、边缘计算、虚拟化技术以及语音业务方案。

C/U分离

现有移动核心网网关设备既包含流量转发功能,也包括部分控制功能(信令处理和业务处理),控制功能和转发功能之间是紧耦合关系。5G核心网实现了控制与转发的彻底分离,网络向控制功能集中化和转发功能分布化的趋势演进,如图1所示。

控制和转发功能分离后,控制面采用逻辑集中的方式实现统一的策略控制,保证灵活的移动流量调度和连接管理,同时减少了北向接口,增强了南向接口可扩展性。转发面将专注于业务数据的路由转发,具有简单、稳定和高性能等特性,便于灵活部署以支持未来高带宽、低时延业务场景需求。

网络切片

5G网络需同时支持eMBB、uRLLC、mMTC等完全不同的业务场景,但实际上很难用一张统一的网络来满足所有业务千差万别的需求。为此,网络切片的概念应运而生。

网络切片是5G网络的重要使能技术,基于网络切片方案来满足不同业务类型、业务场景以及垂直行业的特定需求。网络切片就是利于虚拟化技术,在统一的网络基础设施上,虚拟出多个不同的逻辑网络,来分别满足不同的业务/用户需求。网络可按不同的业务、客户群等多种维度来切分。网络切片是端到端的逻辑子网,涉及核心网、无线接入网、IP承载网和传送网,需要多领域的协同配合。不同的网络切片之间可共享资源也可以相互隔离。3GPP定义的网络切片管理功能包括通信业务管理、网络切片管理、网络切片子网管理。

边缘计算

MEC(移动边缘计算)通过将计算存储能力与业务服务能力向网络边缘迁移,使应用、服务和内容可以实现本地化、近距离、分布式部署,从而在一定程度上解决了eMBB、uRLLC以及mMTC等应用场景的业务需求。5G将MEC理念和需求融入架构设计中,从网络层面支持MEC(业务层面在ETSI定义)。

流量识别和本地分流:5GC识别本地流量和业务,选择UPF并将用户流量路由到本地数据网的App。

会话和业务连续性:在用户或AF发生移动或迁移时保持业务和会话的连续性。

用户面选择和重选:根据AF的要求或其他策略实施用户面的选择或重选。

网络能力开放:5GC和AF通过NEF进行交互实现对网络功能的调用。

QoS和计费:PCF为本地流量提供QoS控制和计费规则。

MEC使得运营商和第三方业务可以部署在靠近用户接入的位置,通过降低时延和负荷来实现高效的业务分发,节省传输带宽,降低运营成本,改善用户体验,加速创新型业务的开发和部署。

虚拟化技术

5GC虚拟化方式主要包括虚机、虚机容器以及裸容器。

虚机方式标准及应用更成熟、隔离性好、更安全,但是启动慢(分钟级)、性能低下、镜像尺寸较大。

容器技术资源利用率高、启动快(秒级)、弹性扩缩容快(秒级),但是隔离性弱、安全风险大,且生态系统不成熟、标准化进度慢,目前在电信领域应用并不成熟。

虚机容器方式介于两者之间,实现难度小,但需要对MANO进行改造以支持容器技术。

虽然5G核心网是原生云、微服务架构,采用容器技术来部署核心网具有更大的灵活性、更高的效率、更低的成本。但是为降低开通和解耦难度,建议5G建设初期采用虚机或虚机容器方式,积累虚拟化经验。

语音业务方案

5G网络建设初期,迅速实现全网覆盖难度较大,为避免频繁切换,保持语音连续性,5G初期建议使用EPS Fallback方案回落到4G,提供VoLTE语音业务。后期当5G网络覆盖性能全面提升时,逐步演进到VoNR。

EPS Fallback方案由于需回落4G,其呼叫建立时延比VoLTE更长。VoNR方案适用于5G信号连续覆盖场景,其呼叫建立时延比VoLTE更短,QoS保障也优于VoLTE。

5G核心网建设策略

建设思路

5GC网络建设应关注以下几方面:

一、4G与5G网络将长期并存、有效协同。考虑到与EPC网络的互操作,5GC部分网元需要与EPC网元合设。

二、5GC采用全新SBA架构,网元及接口数量显著增加、标准成熟时间也不一致。为此,5GC网元需要基于业务需求、规范及设备的成熟度分阶段部署。

三、5GC原生支持NFV,因此5GC网络应采用云化方式部署,实现资源的统一编排、灵活共享。

四、5G核心网实现了彻底的C/U分离,控制面、用户面网元按需独立建设。

五、5G网络建设初期,采用EPS Fallback方式回落4G网络,提供VoLTE语音业务。

组网方式

对于5GC组网,可以采用大区集中与分省部署两种方式。

第一,大区集中式组网。5GC控制面网元(包括SMF、NRF、PCF、UDM、AUSF、NSSF等)主要集中部署在大区DC中心,负责多个省的5G业务,省层面部署5GC控制面网元AMF。用户面网元UPF基于业务应用场景,部署在大区、省、地市和区县层面(见图2)。

大区集中组网架构可以实现集约化运维管理,资源利用率高,但与现网组网方式差异较大,导致方案比较复杂,同时对容灾要求也高。

第二,分省组网。集团层面只部署业务、信令路由/寻址网元(骨干NRF和骨干NSSF等),5GC控制面网元部署在各省DC中心。用户面网元UPF基于业务应用场景,部署在省、地市和区县层面。

分省组网架构可以沿用现有运维管理模式及经验,各省可灵活开展业务,但资源利用率相对较低。

网元部署

(1)分层部署

5GC控制面网元的部署遵循虚拟化、大容量、少局所、集中化原则,应至少设置在两个异局址机房,进行地理容灾。用户面网元按业务需求进行分层部署,比如:设置在省层面,满足VoLTE等业务需求;设置在本地网层面,满足互联网业务需求;设置在边缘,满足MEC业务高带宽、低时延需求。

(2)4G/5G协同

5GC部分网元需具备4G网元功能以实现与4G网络的互操作,包括UDM具备HSS功能、SMF具备PGW-C功能、UPF具备PGW-U功能等。另外,SMF/PGW-C可具备SGW-C功能,UPF/PGW-U可具备SGW-U功能,以避免数据路由的迂回。

(3)分阶段引入

由于5GC各网元标准成熟时间不一致,因此需要基于业务需求、标准规范及设备的成熟度分阶段部署。初期网络建设仅部署5GC商用必需的网元,包括控制面网元AMF、SMF、NRF、PCF、NSSF、UDM、AUSF、BSF等,用户面网元UPF。

在5G网络建设中后期,结合业务需求、标准进展及设备成熟度适时引入其他5GC网元,主要包括NEF(提供统一的网络能力开放)、UDSF(非结构化数据存储功能)、SEPP(用于5G用户国际漫游,与他网运营商5G互通)、SMSF(用于为5G单模终端-物联网终端提供NAS短信服务)、N3IWF(非3GPP接入的互操作网关)、NWDAF(网络大数据分析功能)等网元。

(4)容灾备份

5GC网络采用三级容灾备份机制:VNF组件备份(类似传统设备的板卡备份)、网元备份、资源池备份。通过三级容灾备份机制提高5GC网络整体可靠性。

5GC各网元备份方式包括:AMF、SMF/GW-C、UPF/GW-U采用Pool备份;UDM/AUSF/HSS-FE、PCF采用N 1备份;UDR、NRF、BSF、NSSF采用1 1备份。

同时,5GC网络设备部署在核心节点城市的两个及以上DC机楼,实现了地理容灾。

资源池建设方案

不同于2G、3G、4G移动核心网,5GC原生支持NFV技术,5GC网络NFVI资源池建设应考虑以下方面。

首先,NFVI资源池的选择。5G核心网控制面网元应部署在核心云NFVI。核心云通常覆盖大区、省级机房和部分城域网核心机房。5GC用户面网元UPF结合应用场景部署在核心云或边缘云。边缘云覆盖地市、区县等机房。

对于边缘云承载5GC网元UPF,在某些场景下会受限于机房环境,对NFVI硬件设备数量、重量和功耗方面有精简需求,为此在保证可靠性的前提下,可采用定制化的硬件设备。

其次,NFVI资源池内部组网。资源池内部组网采用Leaf-Spine架构,从设备、端口到链路进行冗余设计。

汇聚交换机EOR负责NFVI资源池内跨机柜流量的互通,以及资源池同外部网络的连接。EOR间采用堆叠技术提高链路冗余。接入交换机TOR负责汇聚机柜内服务器和存储设备的流量。TOR间采用堆叠技术。堆叠端口配置链路聚合,保证流量的负载均衡。

服务器和存储设备端口应配置聚合,通过双上联冗余设计连接到不同TOR,支持负载分担或主备模式,避免网口的单点故障。

根据流量功能和作用的不同,NFVI内部网络可分为四类平面:一、业务网络平面:承载5G网元的业务流量;二、存储网络平面:用于NFVI内存储数据的互联;三、VIM管理平面:承载VIM各组件间的API交互流量、以及相关控制信息;四、OAM平面:主要包括PXE、OAM硬件管理等用途。PXE网络用于操作系统的远程安装、引导及升级。OAM网络主要用于承载远程监控NFVI的网管流量。

周边网络或系统建设

引入5G网络,会对周边网络及系统带来建设改造需求,具体体现在两个方面。

第一,对相关网络的能力需求:4G与5G网络互操作需要对现网EPC网络进行能力升级。5G用户的语音业务需要对现网VoLTE IMS网络进行能力升级以支持EPS Fallback方案。如果采用HTTP Proxy组网,可能会涉及对现网DRA信令网进行能力升级。

第二,对支撑系统的能力需求:部署MANO,包括VIM、VNFM及NFVO的建设,VNFM部署通常采用与5GC网元同一设备厂家。EMS是VNF业务网络管理系统,网管EMS应按北向接口接入上级综合网管系统。同时,需对现有计费系统及业务开通系统进行升级改造,以支撑4G用户向5G网络迁移。此外,需评估分析5G对现有其他支撑系统(如综合网管、信令监测系统、安全系统等)的影响,制定合理的系统升级改造方案。

  图2:大区集中组网架构。

总工点评:

当前,5G商用时代全面开启。从整个产业上看,5G技术日趋成熟,相关系统、芯片、终端等产品基本达到商用水平。与此同时,我国的电信运营商也在积极推进5G商用,陆续发布了各自的5G部署计划,并与垂直行业开展了深度合作,尤其是围绕工业互联网、车联网等重点领域,合力推进5G应用发展。面对未来美好的应用前景,特别是基于5G万物互联时代的开启,如何推进5G核心网技术的持续创新,如何构建更加强健的网络是探索的重点。

——中通服咨询设计研究院有限公司总工程师 朱晨鸣

关键词:核心网 NEF 网元 信令路由 SGW-U