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核心网从EPC向NGC的演进

关键词:EPC NGC 5G网络

时间:2018-08-01 11:10:03      来源:网络

未来5G将会催生4k/8k、VR/AR、全息通信、V2X、网联无人机、远程医疗、智慧产业、万物互联等应用,推动社会发生深刻变革,使社会各个领域更加高效运转,提升用户体验与生活质量。新业务对5G网络建设和运营提出了新的要求:大带宽、低时延、本地化的传输能力,大连接、多场景、弹性高效的网络能力,快速、低成本的建设运营能力。而现有传统移动网络所承载的业务相对单一,核心网设备软硬件耦合度高,网元功能固化,开发周期长、代价

1   引言

未来5G将会催生4k/8k、VR/AR、全息通信、V2X、网联无人机、远程医疗、智慧产业、万物互联等应用,推动社会发生深刻变革,使社会各个领域更加高效运转,提升用户体验与生活质量。新业务对5G网络建设和运营提出了新的要求:大带宽、低时延、本地化的传输能力,大连接、多场景、弹性高效的网络能力,快速、低成本的建设运营能力。而现有传统移动网络所承载的业务相对单一,核心网设备软硬件耦合度高,网元功能固化,开发周期长、代价大,且功能定制繁琐,无法满足新一代网络架构弹性、敏捷、智能、开放的特点。复杂固化的网络架构也导致了复杂的业务上线流程,加剧业务部署的难度,延长运营商的业务开通和创新周期。

下文将从运营商现有EPC网络架构分析入手,结合5G标准研究与NFV技术应用现状,研究核心网网络的演进部署方案,支持核心网的敏捷部署、迭代开发和智能开放。

2   核心网架构现状

2.1  EPC架构现状

传统EPC网络架构如图1所示,主要网元包括MME、S-GW、P-GW和HSS,实际组网中,S-GW和P-GW可以合设。MME是EPS移动性管理和会话管理的信令处理实体;SGW是一个终止于E-UTRAN接口的业务网关,对每一个与EPS相关的UE,在一个时间点上都有一个SGW为之服务;PGW是面向PDN终结于SGi接口的网关,如果UE访问多个PDN,UE将对应一个或多个PGW;HSS是用于存储用户签约信息的数据库。

在EPC架构中,SGSN功能分裂成MME和S-GW,MME专注于控制面功能,通过与HSS的交互完成用户的接入控制,并负责S-GW与基站之间的路由协商;S-GW专注于数据面处理,包括GTP的封装、解封装、上下行GTP数据报文的转发等。数据从终端用户到达P-GW,通过GTP隧道的方式逐段从基站送到P-GW,S-GW和P-GW上保留了GTP隧道的建立、删除、更新等GTP控制功能。



图1    传统EPC网络架构图


2.2  EPC架构局限分析

传统EPC核心网控制面与数据面分离不彻底,且数据面功能过于集中,EPC网络架构存在如表1所示局限,难以满足5G业务的需求:


表1    EPC架构局限分析


针对传统EPC核心网面临的问题,未来5G网络为了能够更好地适应网络数据流量的激增,核心网架构需要支持本地分流、控制面与数据面分离、控制面集中化、以及基于通用硬件平台实现软硬件解耦等,从而具备灵活性和可扩展性。

3   5G核心网架构演进

5G网络通过光纤般的接入速率、“零”时延和高可靠、千亿设备的连接能力、多样化场景的一致体验、超百倍的能效提升,实现“信息随心至,万物触手及”。与4G相比,5G具有更强性能:体验速率更快(4G×100)、连接数密度更高(4G×10)、空口时延更低(4G×0.2);5G具有更多场景:增强移动宽带场景eMBB(增强/虚拟现实、云端机器人……)、低功耗广覆盖场景mMTC(海量物联网、智慧城市……)、低时延高可靠场景uRLLC(车联网、网联无人机……),5G网络构成全新一代基础设施,打造跨行业融合新生态,打造万物互联的新世界。

业务愿景、SDN/NFV技术驱动5G系统架构研究项目关注的热点技术方向包括:1)网络切片、2)QoS、3)移动性管理、4)会话管理、5)用户面和会话连续性、6)新型接口、7)互通和演进、8)融合接入等。业务需求和5G技术关联如图2所示:



图2    业务需求与5G技术关联示意图


借鉴IT领域的“微服务”设计理念,3GPP SA2工作组提出基于服务的系统架构SBA(Service-based architecture),如图3所示,将网络功能定义为多个相对独立可被灵活调用的服务模块:统一数据库UDM、认证服务器功能AUSF、接入及移动性管理功能AMF、会话管理功能SMF、用户面功能UPF、能力开放功能NEF和功能注册NRF。

5G SBA架构进行控制面重构,重新定义控制面网络功能,实现网络功能去耦合,使得功能可灵活组合,并能独自演进和更新;采用服务化接口,可被多个网络功能对端复用调用,提高接口实现效率。



图3    基于服务的5G系统架构图


相比EPC架构,NGC将以彻底云化的网络架构为基础,实现网元微模块化、原子化,按需灵活组合上线;实现网络切片,各垂直行业应用的网络逻辑隔离;C/U彻底分离,C面模块化设计灵活组合,U面按需分布,利于计算边缘化;构建DC部署的云化基础设施。

4   5G核心网演进部署

根据5G标准、产业链成熟程度,运营商可于2018年至2019年进行5G网络试点、试商用,2020年起考虑商用部署。NFV技术是5G核心网基础,5G网络部署时间倒逼NFV尽快商用,而NFV部署是一个渐进的过程,可以从控制到转发、从增量到存量、从核心到边缘、网络节点DC化等原则有序推进核心网虚拟化。

如图4所示,5G网络将构建以三级DC基础架构的云化网络,一级DC部署服务全国、大区或全省的业务、控制面网元;二级DC部署服务本地网的业务、控制面及部分用户面网;三级DC部署接入层以及边缘计算类网元。云资源池中硬件采用通用硬件服务器,以x86架构为主,ARM架构为辅,存储从集中存储逐步向服务器存储过渡;虚拟层VIM以Openstack为主,Hypervisor以KVM为主,后续可向容器类中间件演进。



图4    三级DC云化网络示意图


DC内组网采用Spine/Leaf的分层架构,如图5所示,接入交换机负责各种物理资源连接,按管理/存储/业务三个平面进行物理隔离,并分别成对配置;核心交换机负责转发DC内部的东西向流量;边界设备(Border leaf)负责对外业务出口,成对配置;如果资源池服务器/存储数量较少,可不部署接入层交换机,边界设备与核心交换机合设。



图5    DC内部组网示意图


初期,不同的DC之间如有互通需要,主要通过已有承载网互通;后期,城域承载网络和骨干承载网络分别实现融合,最终DC间通信逐步融合为目标云承载网。

5G建设初期,NGC在热点区域部署,和EPC之间通过Nx接口进行互操作:

(1)基于NFV平台,引入NGC;

(2)HSS和UDM全融合,实现统一数据管理;

(3)EPC和NGC共UP,控制面通过Nx接口传递UE上下文;

(4)随着传统EPC设备老旧退网,逐步向NGC迁移。

中后期,核心网逐步实现云化,EPC逐步融合演进,实现统一核心网:

(1)NFV云化三层解耦,全网统一管理编排;

(2)随着传统EPC设备老旧退网,逐步向NGC迁移,支持EPC与NGC融合组网;

(3)支持3GPP和Non-3GPP多种接入方式;

(4)支持端到端的网络切片。

5   总结与展望

本文首先分析EPC核心网架构存在的局限和NGC网络关键技术需求,结合NFV技术提出三级DC云化网络架构和NGC网络阶段部署计划。在后期的运营商NGC网络试点、试商用部署中,会进一步深入研究VNF需求模型、DC间网络组织和NFV电信级可靠性等问题。

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