核心網(wǎng)從EPC向NGC的演進(jìn)

徐大偉+何力毅+周新榮

【摘 要】新業(yè)務(wù)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)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(jì)劃和三級(jí)DC網(wǎng)絡(luò)組織，通過(guò)云化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)敏捷部署、彈性伸縮、智能開(kāi)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

Core Network Evolution from EPC to NGC

XU Dawei， HE Liyi， ZHOU Xinrong

（China Information Technology Designing & Consulting Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200050， China）

[Abstract] New services pose new requirements to the construction and operation of 5G networks. According to the service prospect， the limitation of EPC network architecture and the key technology selection of NGC network were analyzed. The staged deployment plan and tertiary DC network structure for NGC network were presented. By using cloud-based network architecture evolution， the 5G NGC network architecture with fast deployment， flexile scalability and intelligent capability can be implemented.

[Key words]evolved packet core； next generation core； network function virtualization； network slicing； data center

1 引言

未來(lái)5G將會(huì)催生4k/8k、VR/AR、全息通信、V2X、網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧產(chǎn)業(yè)、萬(wàn)物互聯(lián)等應(yīng)用，推動(dòng)社會(huì)發(fā)生深刻變革，使社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域更加高效運(yùn)轉(zhuǎn)，提升用戶體驗(yàn)與生活質(zhì)量。新業(yè)務(wù)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提出了新的要求：大帶寬、低時(shí)延、本地化的傳輸能力，大連接、多場(chǎng)景、彈性高效的網(wǎng)絡(luò)能力，快速、低成本的建設(shè)運(yùn)營(yíng)能力。而現(xiàn)有傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)所承載的業(yè)務(wù)相對(duì)單一，核心網(wǎng)設(shè)備軟硬件耦合度高，網(wǎng)元功能固化，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、代價(jià)大，且功能定制繁瑣，無(wú)法滿足新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)彈性、敏捷、智能、開(kāi)放的特點(diǎn)。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(zhǎng)運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)開(kāi)通和創(chuàng)新周期。

下文將從運(yùn)營(yíng)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(kāi)發(fā)和智能開(kāi)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(shí)際組網(wǎng)中，S-GW和P-GW可以合設(shè)。MME是EPS移動(dòng)性管理和會(huì)話管理的信令處理實(shí)體；SGW是一個(gè)終止于E-UTRAN接口的業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)，對(duì)每一個(gè)與EPS相關(guān)的UE，在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上都有一個(gè)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(wèn)多個(gè)PDN，UE將對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)PGW；HSS是用于存儲(chǔ)用戶簽約信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。

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(guò)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(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)等。數(shù)據(jù)從終端用戶到達(dá)P-GW，通過(guò)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、刪除和更新等GTP控制功能。

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(guò)于集中，EPC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在如表1所示的局限，難以滿足5G業(yè)務(wù)的需求：

針對(duì)傳統(tǒng)EPC核心網(wǎng)面臨的問(wèn)題，未來(lái)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(tái)實(shí)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(guò)光纖般的接入速率、“零”時(shí)延和高可靠、千億設(shè)備的連接能力、多樣化場(chǎng)景的一致體驗(yàn)、超百倍的能效提升，實(shí)現(xiàn)“信息隨心至，萬(wàn)物觸手及”。與4G相比，5G具有更強(qiáng)性能：體驗(yàn)速率更快（4G×100）、連接數(shù)密度更高（4G×10）、空口時(shí)延更低（4G×0.2）；5G具有更多場(chǎng)景：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶場(chǎng)景eMBB（增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)、云端機(jī)器人等）、低功耗廣覆蓋場(chǎng)景mMTC（海量物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等）、低時(shí)延高可靠場(chǎng)景uRLLC（車(chē)聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)聯(lián)無(wú)人機(jī)等），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)及萬(wàn)物互聯(lián)的新世界。

業(yè)務(wù)愿景、SDN/NFV技術(shù)驅(qū)動(dòng)5G系統(tǒng)架構(gòu)研究項(xiàng)目關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)方向包括：網(wǎng)絡(luò)切片、QoS、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、用戶面和會(huì)話連續(xù)性、新型接口、互通和演進(jìn)和融合接入等。業(yè)務(wù)需求和5G技術(shù)關(guān)聯(lián)如圖2所示。

借鑒IT領(lǐng)域的“微服務(wù)”設(shè)計(jì)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(gè)相對(duì)獨(dú)立可被靈活調(diào)用的服務(wù)模塊：統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)UDM、認(rèn)證服務(wù)器功能AUSF、接入及移動(dòng)性管理功能AMF、會(huì)話管理功能SMF、用戶面功能UPF、能力開(kāi)放功能NEF和功能注冊(cè)NRF。endprint

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(shí)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(gè)網(wǎng)絡(luò)功能對(duì)端復(fù)用調(diào)用，提高接口實(shí)現(xiàn)效率。

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(shí)現(xiàn)網(wǎng)元微模塊化、原子化，按需靈活組合上線；實(shí)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(jì)靈活組合，U面按需分布，利于計(jì)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(yíng)商可于2018年至2019年進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)試點(diǎn)、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(shí)間倒逼NFV盡快商用，而NFV部署是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，可以從控制到轉(zhuǎn)發(fā)、從增量到存量、從核心到邊緣和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jí)DC基礎(chǔ)架構(gòu)的云化網(wǎng)絡(luò)，一級(jí)DC部署服務(wù)全國(guó)、大區(qū)或全省的業(yè)務(wù)、控制面網(wǎng)元；二級(jí)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(jí)DC部署接入層以及邊緣計(jì)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(chǔ)從集中存儲(chǔ)逐步向服務(wù)器存儲(chǔ)過(guò)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)。

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(chǔ)/業(yè)務(wù)三個(gè)平面進(jìn)行物理隔離，并分別成對(duì)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(duì)外業(yè)務(wù)出口，成對(duì)配置；如果資源池服務(wù)器/存儲(chǔ)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)。

初期，不同的DC之間如有互通需要，主要通過(guò)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(shí)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(diǎn)區(qū)域部署，和EPC之間通過(guò)Nx接口進(jìn)行互操作：

（1）基于NFV平臺(tái)，引入NGC；

（2）HSS和UDM全融合，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理；

（3）EPC和NGC共UP，控制面通過(guò)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(shí)現(xiàn)云化，EPC逐步融合演進(jìn)，實(shí)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 結(jié)束語(yǔ)

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(jí)DC云化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和NGC網(wǎng)絡(luò)階段部署計(jì)劃。在后期的運(yùn)營(yíng)商N(yùn)GC網(wǎng)絡(luò)試點(diǎn)、試商用部署中，會(huì)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(jí)可靠性等問(wèn)題。

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