5G CUPS技術(shù)在4G移動(dòng)核心網(wǎng)的應(yīng)用

吳成林，許馳，陶偉宜

（華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

1 引言

5G技術(shù)正在快速發(fā)展和完善中，從各運(yùn)營(yíng)商的官方報(bào)道來(lái)看，我國(guó)5G正式的商用日期預(yù)計(jì)為2020年左右，2020年以后4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)將長(zhǎng)期并存。我國(guó)目前的4G移動(dòng)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)并沒(méi)有因等待5G技術(shù)成熟而停止發(fā)展，根據(jù)工信部《2017年通信業(yè)統(tǒng)計(jì)公報(bào)》以及最近公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2017年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量消費(fèi)達(dá)246億GB，比上年增長(zhǎng)162.7%，全年月戶均移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量達(dá)到1 775 MB/月/戶，是上一年的2.3倍，2018年3月當(dāng)月戶均移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入流量達(dá)到3.29 GB，比去年同期增長(zhǎng)160%。隨著各運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)上網(wǎng)不限量流量套餐業(yè)務(wù)的全國(guó)推廣以及大流量流媒體互動(dòng)類業(yè)務(wù)的應(yīng)用，移動(dòng)用戶的流量仍然有非常大的增長(zhǎng)空間，這就意味著現(xiàn)有的4G移動(dòng)核心網(wǎng)仍然需要大規(guī)模建設(shè)。

當(dāng)前階段運(yùn)營(yíng)商4G核心網(wǎng)的建設(shè)需要考慮既能滿足移動(dòng)流量的爆發(fā)式增長(zhǎng)需求，又能保證技術(shù)的先進(jìn)、合理和高效，并符合未來(lái)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。本文結(jié)合當(dāng)前4G核心網(wǎng)的發(fā)展需求，分析研究5G提出的CUPS（Control and User Plane Separation，控制面和用戶面分離）技術(shù)在4G核心網(wǎng)的應(yīng)用，探索更佳、更優(yōu)的核心網(wǎng)解決方案，以便更好地支撐運(yùn)營(yíng)商的4G移動(dòng)網(wǎng)核心網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

2 CUPS技術(shù)分析

在5G的系統(tǒng)架構(gòu)中將傳統(tǒng)媒體網(wǎng)關(guān)設(shè)備的控制面和用戶面分離，具體表現(xiàn)為SMF（Session Management Function，會(huì)話管理功能）負(fù)責(zé)會(huì)話管理、IP地址分配、UPF（User Plane Function，用戶面節(jié)點(diǎn)）的選擇和控制等控制面的功能，UPF負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)包檢測(cè)、策略執(zhí)行等用戶面的功能。為了更早、更廣泛地發(fā)揮CUPS技術(shù)的價(jià)值，3GPP把5G的CUPS技術(shù)理念引入到4G EPC核心網(wǎng)。相對(duì)傳統(tǒng)用戶面和控制面一體的S/PGW設(shè)備（SGW和PGW的合體），EPC的CUPS是指S/PGW的用戶面和控制面在架構(gòu)上分離，即分為S/PGW-C和S/PGW-U。CUPS架構(gòu)的S/PGW增加了網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)營(yíng)的彈性和靈活性，用戶面和控制面可以分布式部署也可以集中部署，控制面和用戶面設(shè)備還可以獨(dú)立建設(shè)；CUPS技術(shù)可將用戶面的S/PGW-U設(shè)備靠近無(wú)線側(cè)設(shè)置，用戶可以就近通過(guò)S/PGW-U出移動(dòng)網(wǎng)訪問(wèn)業(yè)務(wù)，從而縮短業(yè)務(wù)路徑、降低業(yè)務(wù)應(yīng)用的時(shí)延。另外CUPS架構(gòu)下網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容更簡(jiǎn)單，用戶面和控制面相互獨(dú)立，可以各自按需分別擴(kuò)容，兩者沒(méi)有必然的同時(shí)擴(kuò)容關(guān)系，如果用戶增長(zhǎng)、流量未增長(zhǎng)，只需擴(kuò)容控制面設(shè)備。此外控制面和用戶面可以獨(dú)立演進(jìn)發(fā)展，不受彼此的約束，如控制面可以向SDN發(fā)展，用戶面可以向云化、虛擬化方向發(fā)展，兩者互不影響。

圖1 SGW和PGW分設(shè)的CUPS架構(gòu)圖

在CUPS架構(gòu)中，S/PGW的控制面S/PGW-C負(fù)責(zé)用戶IP地址分配和管理以及承載綁定等功能；S/PGW的用戶面S/PGW-U負(fù)責(zé)IP包的轉(zhuǎn)發(fā)、承載/APN的流量管制、業(yè)務(wù)檢測(cè)（DPI）等功能，其他更多的處理是控制面和用戶面共同分工完成?？刂泼婧陀脩裘骈g的接口為Sx接口（具體Sxa為SGW-C與SGW-U的接口，Sxb為PGW-C與PGW-U的接口），控制面通過(guò)Sx接口終結(jié)GTP-C以及Gx、Gy、Gz等接口的Diameter信令，通過(guò)Sx接口控制面向用戶面下發(fā)數(shù)據(jù)包配置規(guī)則，如數(shù)據(jù)包檢測(cè)規(guī)則、包處理規(guī)則（如轉(zhuǎn)發(fā)、復(fù)制、緩存、丟棄等）、QoS策略規(guī)則、流量使用報(bào)告規(guī)則等，此外Sx接口還負(fù)責(zé)控制面和用戶面關(guān)聯(lián)的建立、更新、釋放，控制面和用戶面間的心跳檢測(cè)、控制面對(duì)用戶面負(fù)載的控制等。CUPS架構(gòu)的控制面和用戶面并沒(méi)有嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，一個(gè)控制面可以管理多個(gè)用戶面，同樣一個(gè)用戶面可以被多個(gè)控制面分享，一個(gè)終端用戶可以被一個(gè)控制面控制，可以通過(guò)多個(gè)用戶面訪問(wèn)不同的PDN。圖1和圖2分別是SGW、PGW分設(shè)時(shí)及合設(shè)時(shí)的CUPS架構(gòu)圖，其中TDF是可選設(shè)備。

3 CUPS技術(shù)在4G核心網(wǎng)EPC的應(yīng)用

3.1 CUPS在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

圖2 SGW和PGW合設(shè)的CUPS邏輯架構(gòu)圖

目前運(yùn)營(yíng)商的4G核心網(wǎng)EPC的網(wǎng)關(guān)采用SGW與PGW合設(shè)的設(shè)備，設(shè)備硬件為ATCA架構(gòu)。SGW/PGW一般集中設(shè)置在省會(huì)不同局址的機(jī)房，形成1～2個(gè)Serving Area覆蓋全省的所有移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)由終端發(fā)起，通過(guò)eNodeB接入到運(yùn)營(yíng)商的IP專網(wǎng)，用戶的業(yè)務(wù)流在省會(huì)匯聚后接入到SGW/PGW，再由SGW/PGW進(jìn)行路由出移動(dòng)網(wǎng)，訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。流程示意如圖3所示。當(dāng)前的組網(wǎng)屬于省內(nèi)集中模式，流量需經(jīng)省內(nèi)的IP專網(wǎng)匯聚后再出移動(dòng)網(wǎng)，對(duì)IP專網(wǎng)的帶寬有較高的要求。另外國(guó)內(nèi)各運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)開(kāi)展了CDN下沉到地市的工作，以便把寬帶用戶訪問(wèn)的內(nèi)容貼近用戶使得用戶能快速訪問(wèn)，這既改善了寬帶用戶的體驗(yàn)，又降低了承載網(wǎng)的帶寬壓力，但移動(dòng)網(wǎng)當(dāng)前的省內(nèi)集中模式無(wú)法享受CDN下沉地市帶來(lái)的這些益處。

面對(duì)當(dāng)前的移動(dòng)流量快速增長(zhǎng)，4G核心網(wǎng)的建設(shè)仍然有相對(duì)現(xiàn)網(wǎng)數(shù)倍容量的建設(shè)需求，這就為4G核心網(wǎng)引入CUPS技術(shù)帶來(lái)契機(jī)。4G核心網(wǎng)EPC引入CUPS架構(gòu)設(shè)備時(shí)，S/PGW的控制面和用戶面可以分開(kāi)設(shè)置，其中S/PGW-C仍然集中部署，S/PGW-U下沉到地市分散部署，靠近用戶側(cè)。當(dāng)移動(dòng)用戶從部署CUPS設(shè)備的地市接入時(shí)，MME選擇對(duì)應(yīng)的S/PGW-C和S/PGW-U為用戶服務(wù)，用戶訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的控制流路徑和現(xiàn)網(wǎng)路徑基本一致，但業(yè)務(wù)的媒體流從本地的S/PGW-U出移動(dòng)網(wǎng)（Local breakout），媒體流不需要再去省會(huì)繞圈，這不僅減輕了對(duì)IP專網(wǎng)的帶寬壓力，同時(shí)也可以讓用戶就近訪問(wèn)下沉地市CDN的互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容，從而給移動(dòng)互聯(lián)用戶帶來(lái)更快的4G網(wǎng)速體驗(yàn)。

CUPS技術(shù)的引入沒(méi)有改變運(yùn)營(yíng)商當(dāng)前的集中運(yùn)營(yíng)的管理架構(gòu)。核心網(wǎng)設(shè)備的配置操作、策略控制、規(guī)則發(fā)布等仍然是在集中設(shè)置的S/PGW-C上進(jìn)行，設(shè)置在地市的S/PGW-U功能更簡(jiǎn)化，主要負(fù)責(zé)媒體面的路由轉(zhuǎn)發(fā)，業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)期間S/PGW-U基本不直接操作，設(shè)備的維護(hù)要求較低。另外因控制面和用戶面分離，設(shè)備功能更集中和簡(jiǎn)化，相應(yīng)設(shè)備處理能力的容量比傳統(tǒng)架構(gòu)的S/PGW容量更大，這也符合運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)的集約化運(yùn)營(yíng)要求。

3.2 CUPS在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

CUPS架構(gòu)的EPC核心網(wǎng)也更有利于物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)優(yōu)化和發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商的物聯(lián)網(wǎng)一般集中部署

圖3 CUPS架構(gòu)的建設(shè)方案

地出網(wǎng)，可以降低對(duì)IP承載網(wǎng)的帶寬壓力。CUPS技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也很好地驗(yàn)證了CUPS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

采用SDN、NFV等技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于CUPS架構(gòu)的EPC核心網(wǎng)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，尤其是控制面的SDN技術(shù)研究、用戶面的NFV技術(shù)的研究以及相應(yīng)的MANO的實(shí)現(xiàn)。這些新技術(shù)的成熟應(yīng)用將使得移動(dòng)核心網(wǎng)可以部署在運(yùn)營(yíng)商的云基礎(chǔ)設(shè)施之上，屆時(shí)移動(dòng)核心網(wǎng)的建設(shè)將更加靈活，彈性擴(kuò)縮容也將成為可能。