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如何構建高效5G核心網?

2019-10-10  來源:人民郵電報  作者:中通服谘詢設計研究院有限公司 方曉農 梁雪梅

隨著5G商用的全麵開啟,如何構建高質量、強健的網絡成為業界關注的焦點,尤其是5G核心網的規劃和建設策略,更是直接關係到5G網絡的後續發展。與此同時,如何促進5G和工業、交通等行業融合,“孵化”能夠顛覆傳統生產和生活方式的“殺手級”應用,也成為業界研究和探索的重點。

5G時代,海量的智能終端將會接入網絡。麵對以自動駕駛為代表的超低時延業務,以智慧城市、智慧家庭為代表的超大連接業務和以AR/VR為代表的超高帶寬業務等應用場景,現有核心網已無法滿足未來多場景接入和業務的多樣性需求。為此, 5GC(5G核心網)係統引入了一係列新技術,包括NFV、服務化架構(SBA)、C/U分離、網絡切片以及MEC等來實現及支撐各種新業務場景,為未來麵向各行各業的海量應用落地奠定堅實基礎。

5G核心網係統結構

根據3GPP規範,5G核心網采用服務化架構(SBA)設計,虛擬化方式實現。

5G核心網控製平麵功能采用基於服務的設計理念,來描述控製麵網絡功能和接口交互,並實現網絡功能的服務注冊、發現和認證等功能。服務化架構下,控製平麵的功能既可以是服務的生產者(Producer),也可以是服務的消費者(Consumer),消費者要訪問生產者的服務時,必須使用生產者提供的統一接口來進行訪問。

采取服務化(SBA)設計,可以提高功能的重用性,簡化業務流程設計,優化參數傳遞效率,提高網絡控製功能的整體靈活性。同一種NF可以被多種NF調用,從而降低NF之間接口定義的耦合度,最終實現整網功能的按需定製,支持不同的業務場景和需求。

5G核心網的關鍵特性包括:一、控製麵采用服務化架構(SBA),接口統一,簡化流程;二、控製和承載完全分離,控製麵和用戶麵可分別靈活部署與擴容;三、采用虛擬化技術,實現軟硬件解耦,計算和存儲資源動態分配;四、支持網絡切片,靈活快速按需部署網絡;五、支持MEC,有利於低時延、高帶寬等創新型業務的部署。

5G核心網關鍵技術

  圖1:5G核心網C/U分離架構。

5G核心網擁有五大關鍵技術,分別是C/U分離、網絡切片、邊緣計算、虛擬化技術以及語音業務方案。

C/U分離

現有移動核心網網關設備既包含流量轉發功能,也包括部分控製功能(信令處理和業務處理),控製功能和轉發功能之間是緊耦合關係。5G核心網實現了控製與轉發的徹底分離,網絡向控製功能集中化和轉發功能分布化的趨勢演進,如圖1所示。

控製和轉發功能分離後,控製麵采用邏輯集中的方式實現統一的策略控製,保證靈活的移動流量調度和連接管理,同時減少了北向接口,增強了南向接口可擴展性。轉發麵將專注於業務數據的路由轉發,具有簡單、穩定和高性能等特性,便於靈活部署以支持未來高帶寬、低時延業務場景需求。

網絡切片

5G網絡需同時支持eMBB、uRLLC、mMTC等完全不同的業務場景,但實際上很難用一張統一的網絡來滿足所有業務千差萬別的需求。為此,網絡切片的概念應運而生。

網絡切片是5G網絡的重要使能技術,基於網絡切片方案來滿足不同業務類型、業務場景以及垂直行業的特定需求。網絡切片就是利於虛擬化技術,在統一的網絡基礎設施上,虛擬出多個不同的邏輯網絡,來分別滿足不同的業務/用戶需求。網絡可按不同的業務、客戶群等多種維度來切分。網絡切片是端到端的邏輯子網,涉及核心網、無線接入網、IP承載網和傳送網,需要多領域的協同配合。不同的網絡切片之間可共享資源也可以相互隔離。3GPP定義的網絡切片管理功能包括通信業務管理、網絡切片管理、網絡切片子網管理。

邊緣計算

MEC(移動邊緣計算)通過將計算存儲能力與業務服務能力向網絡邊緣遷移,使應用、服務和內容可以實現本地化、近距離、分布式部署,從而在一定程度上解決了eMBB、uRLLC以及mMTC等應用場景的業務需求。5G將MEC理念和需求融入架構設計中,從網絡層麵支持MEC(業務層麵在ETSI定義)。

流量識別和本地分流:5GC識別本地流量和業務,選擇UPF並將用戶流量路由到本地數據網的App。

會話和業務連續性:在用戶或AF發生移動或遷移時保持業務和會話的連續性。

用戶麵選擇和重選:根據AF的要求或其他策略實施用戶麵的選擇或重選。

網絡能力開放:5GC和AF通過NEF進行交互實現對網絡功能的調用。

QoS和計費:PCF為本地流量提供QoS控製和計費規則。

MEC使得運營商和第三方業務可以部署在靠近用戶接入的位置,通過降低時延和負荷來實現高效的業務分發,節省傳輸帶寬,降低運營成本,改善用戶體驗,加速創新型業務的開發和部署。

虛擬化技術

5GC虛擬化方式主要包括虛機、虛機容器以及裸容器。

虛機方式標準及應用更成熟、隔離性好、更安全,但是啟動慢(分鍾級)、性能低下、鏡像尺寸較大。

容器技術資源利用率高、啟動快(秒級)、彈性擴縮容快(秒級),但是隔離性弱、安全風險大,且生態係統不成熟、標準化進度慢,目前在電信領域應用並不成熟。

虛機容器方式介於兩者之間,實現難度小,但需要對MANO進行改造以支持容器技術。

雖然5G核心網是原生雲、微服務架構,采用容器技術來部署核心網具有更大的靈活性、更高的效率、更低的成本。但是為降低開通和解耦難度,建議5G建設初期采用虛機或虛機容器方式,積累虛擬化經驗。

語音業務方案

5G網絡建設初期,迅速實現全網覆蓋難度較大,為避免頻繁切換,保持語音連續性,5G初期建議使用EPS Fallback方案回落到4G,提供VoLTE語音業務。後期當5G網絡覆蓋性能全麵提升時,逐步演進到VoNR。

EPS Fallback方案由於需回落4G,其呼叫建立時延比VoLTE更長。VoNR方案適用於5G信號連續覆蓋場景,其呼叫建立時延比VoLTE更短,QoS保障也優於VoLTE。

5G核心網建設策略

建設思路

5GC網絡建設應關注以下幾方麵:

一、4G與5G網絡將長期並存、有效協同。考慮到與EPC網絡的互操作,5GC部分網元需要與EPC網元合設。

二、5GC采用全新SBA架構,網元及接口數量顯著增加、標準成熟時間也不一致。為此,5GC網元需要基於業務需求、規範及設備的成熟度分階段部署。

三、5GC原生支持NFV,因此5GC網絡應采用雲化方式部署,實現資源的統一編排、靈活共享。

四、5G核心網實現了徹底的C/U分離,控製麵、用戶麵網元按需獨立建設。

五、5G網絡建設初期,采用EPS Fallback方式回落4G網絡,提供VoLTE語音業務。

組網方式

對於5GC組網,可以采用大區集中與分省部署兩種方式。

第一,大區集中式組網。5GC控製麵網元(包括SMF、NRF、PCF、UDM、AUSF、NSSF等)主要集中部署在大區DC中心,負責多個省的5G業務,省層麵部署5GC控製麵網元AMF。用戶麵網元UPF基於業務應用場景,部署在大區、省、地市和區縣層麵(見圖2)。

大區集中組網架構可以實現集約化運維管理,資源利用率高,但與現網組網方式差異較大,導致方案比較複雜,同時對容災要求也高。

第二,分省組網。集團層麵隻部署業務、信令路由/尋址網元(骨幹NRF和骨幹NSSF等),5GC控製麵網元部署在各省DC中心。用戶麵網元UPF基於業務應用場景,部署在省、地市和區縣層麵。

分省組網架構可以沿用現有運維管理模式及經驗,各省可靈活開展業務,但資源利用率相對較低。

網元部署

(1)分層部署

5GC控製麵網元的部署遵循虛擬化、大容量、少局所、集中化原則,應至少設置在兩個異局址機房,進行地理容災。用戶麵網元按業務需求進行分層部署,比如:設置在省層麵,滿足VoLTE等業務需求;設置在本地網層麵,滿足网上体育投注官网業務需求;設置在邊緣,滿足MEC業務高帶寬、低時延需求。

(2)4G/5G協同

5GC部分網元需具備4G網元功能以實現與4G網絡的互操作,包括UDM具備HSS功能、SMF具備PGW-C功能、UPF具備PGW-U功能等。另外,SMF/PGW-C可具備SGW-C功能,UPF/PGW-U可具備SGW-U功能,以避免數據路由的迂回。

(3)分階段引入

由於5GC各網元標準成熟時間不一致,因此需要基於業務需求、標準規範及設備的成熟度分階段部署。初期網絡建設僅部署5GC商用必需的網元,包括控製麵網元AMF、SMF、NRF、PCF、NSSF、UDM、AUSF、BSF等,用戶麵網元UPF。

在5G網絡建設中後期,結合業務需求、標準進展及設備成熟度適時引入其他5GC網元,主要包括NEF(提供統一的網絡能力開放)、UDSF(非結構化數據存儲功能)、SEPP(用於5G用戶國際漫遊,與他網運營商5G互通)、SMSF(用於為5G單模終端-物聯網終端提供NAS短信服務)、N3IWF(非3GPP接入的互操作網關)、NWDAF(網絡网上体育投注网址分析功能)等網元。

(4)容災備份

5GC網絡采用三級容災備份機製:VNF組件備份(類似傳統設備的板卡備份)、網元備份、資源池備份。通過三級容災備份機製提高5GC網絡整體可靠性。

5GC各網元備份方式包括:AMF、SMF/GW-C、UPF/GW-U采用Pool備份;UDM/AUSF/HSS-FE、PCF采用N 1備份;UDR、NRF、BSF、NSSF采用1 1備份。

同時,5GC網絡設備部署在核心節點城市的兩個及以上DC機樓,實現了地理容災。

資源池建設方案

不同於2G、3G、4G移動核心網,5GC原生支持NFV技術,5GC網絡NFVI資源池建設應考慮以下方麵。

首先,NFVI資源池的選擇。5G核心網控製麵網元應部署在核心雲NFVI。核心雲通常覆蓋大區、省級機房和部分城域網核心機房。5GC用戶麵網元UPF結合應用場景部署在核心雲或邊緣雲。邊緣雲覆蓋地市、區縣等機房。

對於邊緣雲承載5GC網元UPF,在某些場景下會受限於機房環境,對NFVI硬件設備數量、重量和功耗方麵有精簡需求,為此在保證可靠性的前提下,可采用定製化的硬件設備。

其次,NFVI資源池內部組網。資源池內部組網采用Leaf-Spine架構,從設備、端口到鏈路進行冗餘設計。

匯聚交換機EOR負責NFVI資源池內跨機櫃流量的互通,以及資源池同外部網絡的連接。EOR間采用堆疊技術提高鏈路冗餘。接入交換機TOR負責匯聚機櫃內服務器和存儲設備的流量。TOR間采用堆疊技術。堆疊端口配置鏈路聚合,保證流量的負載均衡。

服務器和存儲設備端口應配置聚合,通過雙上聯冗餘設計連接到不同TOR,支持負載分擔或主備模式,避免網口的單點故障。

根據流量功能和作用的不同,NFVI內部網絡可分為四類平麵:一、業務網絡平麵:承載5G網元的業務流量;二、存儲網絡平麵:用於NFVI內存儲數據的互聯;三、VIM管理平麵:承載VIM各組件間的API交互流量、以及相關控製信息;四、OAM平麵:主要包括PXE、OAM硬件管理等用途。PXE網絡用於操作係統的遠程安裝、引導及升級。OAM網絡主要用於承載遠程監控NFVI的網管流量。

周邊網絡或係統建設

引入5G網絡,會對周邊網絡及係統帶來建設改造需求,具體體現在兩個方麵。

第一,對相關網絡的能力需求:4G與5G網絡互操作需要對現網EPC網絡進行能力升級。5G用戶的語音業務需要對現網VoLTE IMS網絡進行能力升級以支持EPS Fallback方案。如果采用HTTP Proxy組網,可能會涉及對現網DRA信令網進行能力升級。

第二,對支撐係統的能力需求:部署MANO,包括VIM、VNFM及NFVO的建設,VNFM部署通常采用與5GC網元同一設備廠家。EMS是VNF業務網絡管理係統,網管EMS應按北向接口接入上級綜合網管係統。同時,需對現有計費係統及業務開通係統進行升級改造,以支撐4G用戶向5G網絡遷移。此外,需評估分析5G對現有其他支撐係統(如綜合網管、信令監測係統、安全係統等)的影響,製定合理的係統升級改造方案。

  圖2:大區集中組網架構。

總工點評:

當前,5G商用時代全麵開啟。從整個產業上看,5G技術日趨成熟,相關係統、芯片、終端等產品基本達到商用水平。與此同時,我國的電信運營商也在積極推進5G商用,陸續發布了各自的5G部署計劃,並與垂直行業開展了深度合作,尤其是圍繞工業网上体育投注官网、車聯網等重點領域,合力推進5G應用發展。麵對未來美好的應用前景,特別是基於5G萬物互聯時代的開啟,如何推進5G核心網技術的持續創新,如何構建更加強健的網絡是探索的重點。

——中通服谘詢設計研究院有限公司總工程師 朱晨鳴

關鍵詞:核心網 NEF 網元 信令路由 SGW-U