面向未來移動(dòng)通信的核心網(wǎng)架構(gòu)

谷俊江

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司，廣東 廣州 510623）

0 引 言

核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要是以虛擬化網(wǎng)絡(luò)和軟件所定義的網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，不僅可以讓核心網(wǎng)的接口以及相關(guān)協(xié)議變得更加簡單，而且可以非常方便地搭建智能化管理模塊。因此，它可以讓未來的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)變得更加自動(dòng)化，讓5G網(wǎng)絡(luò)在任何環(huán)境下都可以正常工作[1]。同時(shí)，虛擬化核心架構(gòu)也可以很好地集成各種功能，相互分離處理模塊和用戶模塊，從而更好地分布式處理核心網(wǎng)[2]。

1 以4G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的核心網(wǎng)虛擬化

在4G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架中，核心網(wǎng)一般是由一系列物理網(wǎng)元組成的。這些物理網(wǎng)元之間在標(biāo)準(zhǔn)化接口的作用下可以實(shí)現(xiàn)相互通信。4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要是對控制界面和用戶界面進(jìn)行分別控制的架構(gòu)，其中控制面網(wǎng)元主要可以概括為移動(dòng)管理實(shí)體（MME）、服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）、歸屬簽約服務(wù)器（HSS）以及策略和計(jì)費(fèi)規(guī)則功能（PCRF），作用是對用戶進(jìn)行接入管理、鑒權(quán)移動(dòng)性管理，還包括對會話進(jìn)行管理、對策略進(jìn)行控制等一系列功能。用戶面網(wǎng)元主要包括服務(wù)網(wǎng)關(guān)（SGW）、PDN GW等，主要作用是轉(zhuǎn)發(fā)用戶的數(shù)據(jù)包、管理隧道以及管理地址。雖然對于4G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架而言，控制界面與用戶界面相互分離，但是在SGW和PDN GW中仍然存在著一部分關(guān)于控制面的功能。這部分的主要功能是對會話進(jìn)行管理、對相應(yīng)的IP地址進(jìn)行必要的分配以及建立起用戶面GTP隧道[3-4]。

在對核心網(wǎng)進(jìn)行虛擬化時(shí)，最簡單的一種方法是將4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的所有物理網(wǎng)進(jìn)行單獨(dú)虛擬化，即在通用硬件上和軟件平面上可以分別實(shí)現(xiàn)MME、SGSN、HSS、PCRF等所有控制面網(wǎng)元的所有功能。通過對用戶面網(wǎng)元和對PDN GW進(jìn)行必要的拆開，形成GW控制面功能和GW轉(zhuǎn)發(fā)面功能兩種形式，且可以讓GW轉(zhuǎn)發(fā)這項(xiàng)功能集成到交換設(shè)備上，使各種操作變得更加簡便。對于SGW、PDN GW等其他控制面功能，可以將其虛擬化成為GW控制器。當(dāng)GW控制器經(jīng)過虛擬化后，可以在SDN接口協(xié)議的相應(yīng)輔助作用下，對SDN交換設(shè)備中的GW轉(zhuǎn)發(fā)器進(jìn)行相應(yīng)的控制，其中具體的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于4G架構(gòu)的核心網(wǎng)虛擬化

圖1 中，GW控制器主要負(fù)責(zé)GW轉(zhuǎn)發(fā)面位置的選擇以及對一些隧道協(xié)議的建立。當(dāng)接收到MME/SGSN規(guī)劃建立的響應(yīng)請求后，相應(yīng)地選擇出比較合適OFS作為這個(gè)會話的GW轉(zhuǎn)發(fā)面。GW控制器負(fù)責(zé)的主要任務(wù)是相應(yīng)地分配GTP隧道中的信息，建立一個(gè)會話轉(zhuǎn)發(fā)表。在SDN控制器的相應(yīng)作用下，將這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)表發(fā)送給OFS。在這個(gè)結(jié)構(gòu)框架中，GW控制器、SGSN/MME之間可以非常方便地形成S4/S11接口，從而可以進(jìn)行相應(yīng)的通信，且通信時(shí)不會對4G架構(gòu)以及相關(guān)的各項(xiàng)流程產(chǎn)生任何影響。

2 面向未來的移動(dòng)通信核心網(wǎng)架構(gòu)

2.1 集成虛擬核心網(wǎng)架構(gòu)

在對虛擬核心網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行建立前，一個(gè)前提條件就是不會改變4G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。在虛擬化平臺上的網(wǎng)元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，所有的信息都是共享的，這樣可以有效減少網(wǎng)元間的接口和信令交互，有效縮短各種時(shí)延，提升通信效率。同時(shí)，在虛擬化平臺上可以非常方便地實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)元的所有功能。已經(jīng)集成的核心網(wǎng)軟件包可以有效減少網(wǎng)元之間的接口，從而簡化各項(xiàng)流程，有效縮短時(shí)延，提升系統(tǒng)的便捷程度[5]。

2.2 多張網(wǎng)絡(luò)并存的核心網(wǎng)

5G網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的多樣性，因此可以滿足不同場景下的不同實(shí)際需要。5G網(wǎng)絡(luò)不僅要求能夠支撐其非常密集的網(wǎng)絡(luò)，而且應(yīng)該滿足各種各樣的海量連接，同時(shí)應(yīng)該滿足傳輸過程的高速和可靠要求。在5G網(wǎng)絡(luò)的所有場景中，并沒有要求其在同一時(shí)間支持所有的性能。如果咋一張網(wǎng)絡(luò)就可以滿足對所有要求進(jìn)行支持，不僅對網(wǎng)絡(luò)具有非常高的要求，而且對于網(wǎng)絡(luò)性能的各種優(yōu)化也存在諸多不利條件。在5G條件下，網(wǎng)絡(luò)會具有更多更高的要求，如果單純用一張網(wǎng)絡(luò)就實(shí)現(xiàn)對所有的功能進(jìn)行支持，其困難較大。但是，如果運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，就可以方便地構(gòu)建新的移動(dòng)核心網(wǎng)，只需將原來的版本以及相應(yīng)的功能告訴編碼器，就可以主動(dòng)地對核心網(wǎng)分配相應(yīng)的硬件資源、對相應(yīng)的軟件進(jìn)行必要的加載、對網(wǎng)元進(jìn)行實(shí)例化以及相應(yīng)的配置，且可以分配網(wǎng)元之間的所有鏈路。圖2為多張核心網(wǎng)同時(shí)存在的未來網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行模式。

圖2中，運(yùn)營商將同時(shí)運(yùn)用兩張?zhí)摂M核心網(wǎng)，其中一個(gè)核心網(wǎng)是人與人之間進(jìn)行相互通信的網(wǎng)絡(luò)，第二張網(wǎng)絡(luò)主要是在物聯(lián)網(wǎng)情況下的專用核心網(wǎng)。運(yùn)營商不僅可以通過利用專用的網(wǎng)絡(luò)來為物聯(lián)網(wǎng)提供相應(yīng)的終端服務(wù)，還可以考慮物聯(lián)網(wǎng)的所有特點(diǎn)，從而進(jìn)行有針對性的優(yōu)化。對于不一樣的虛擬核心網(wǎng)，還可以轉(zhuǎn)發(fā)所有的基礎(chǔ)設(shè)施，從而更好地實(shí)現(xiàn)資源共享。

2.3 智能管理

利用智能管理可以主動(dòng)地對所有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的資源配置，而且對于正在運(yùn)行中的網(wǎng)絡(luò)，還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，考慮網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)行情況，進(jìn)行恰當(dāng)且有效的調(diào)整，以使網(wǎng)絡(luò)始終處于最好的運(yùn)行情況。在5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，通過對NFV進(jìn)行引進(jìn)以及相應(yīng)的運(yùn)用，使得多個(gè)核心網(wǎng)在同一時(shí)間同時(shí)運(yùn)行成為可能。但是，這樣帶來的最大問題是使核心網(wǎng)的配置工作以及日常的維修工作變得異常繁瑣。因此，為了更好地達(dá)到專用核心網(wǎng)同時(shí)運(yùn)行的目的，需要相關(guān)技術(shù)人員對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)安裝，以及相應(yīng)的部署工作和配置與維修工作。為了更好地實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的智能管理，首先需要收集正在運(yùn)行的所有網(wǎng)絡(luò)情況；其次需要收集必要的空閑資源；最后需要仔細(xì)收集所有與業(yè)務(wù)有關(guān)聯(lián)的信息。所有必要信息收集完成后，應(yīng)該對所有信息進(jìn)行分析。之所以對信息進(jìn)行收集，主要目的是了解并掌握終端的所有模式，并且以掌握的信息為依據(jù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化。對于網(wǎng)絡(luò)智能管理系統(tǒng)而言，不僅需要對各種信息進(jìn)行必要收集，而且需要對收集的信息進(jìn)行處理。此外，還需要一定的接口，目的是讓運(yùn)營商的管理人員更清楚地配置信息。常見的一些信息主要包括策略信息和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)要求。對于策略信息而言，主要指的是可以對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)的部署策略以及一些優(yōu)化策略等；而對于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求而言，主要指的是企業(yè)或者政府等一些具體的客戶的實(shí)際需求。所以，要求網(wǎng)絡(luò)智能管理系統(tǒng)嚴(yán)格按照實(shí)際需求部署和優(yōu)化相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。圖3為未來核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)智能管理系統(tǒng)。

圖2 多張專用核心網(wǎng)并存

圖3 未來核心往里面的網(wǎng)絡(luò)智能管理

3 結(jié) 論

以虛擬化的4G核心網(wǎng)作為主要依據(jù)，對5G網(wǎng)絡(luò)提出了一種比較集成化的虛擬化核心網(wǎng)架構(gòu)。這種核心網(wǎng)架構(gòu)可以對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能化管理，方便多種核心網(wǎng)同時(shí)存在。集成的虛擬化核心網(wǎng)的主要特點(diǎn)是對核心網(wǎng)的所有功能進(jìn)行有效集成，還可以分離處理模塊和用戶模塊，使網(wǎng)絡(luò)非常方便地進(jìn)行所有的分布式處理。同時(shí)，積極引進(jìn)并應(yīng)用智能管理模塊，可以使網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程以及維護(hù)過程變得更加智能化，有效解放勞動(dòng)力。因此，大力發(fā)展集成化的虛擬化核心網(wǎng)架構(gòu)十分必要。

[1] 唐小軍.天津通信公司2014-2016年網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃項(xiàng)目管理研究[D].長春：吉林大學(xué)，2015.

[2] 王計(jì)艷，李 斌，董 勛，等.核心網(wǎng)未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)[J].電信科學(xué)，2015，23（S1）：140-147.

[3] 鄭鵬程，遲喜昌.移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)VOIP組網(wǎng)分析[J].通信電源技術(shù)，2016，33（2）：142-143.

[4] 王 魯 晗， 路 兆 銘， 馬 璐， 等 .一 種 面 向WLAN與蜂窩網(wǎng)融合的核心網(wǎng)架構(gòu)：中國，CN106131832A[P].2016-06-15.

[5] 陸志宏.CloudRAN構(gòu)建面向未來的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[J].移動(dòng)通信，2016，40（17）：20-21.