核心網(wǎng)向5G的演進

摘 要：隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于不同速率和不同延遲的接入網(wǎng)絡(luò)需求逐漸呈現(xiàn)出層次差異。傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足人類和計算機通信的巨大需求。因此，5G網(wǎng)絡(luò)已成為全球運營商關(guān)注的焦點。不同于4G網(wǎng)絡(luò)的單一場景，5G網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出三種不同的應(yīng)用場景：極端移動寬帶、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)和超可靠通信。根據(jù)5G的應(yīng)用場景和能力需求、5G核心網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有核心網(wǎng)的未來演進策略，為5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：NFV；EPC；C/U分離；IMS

中圖分類號：TN929.5 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）36-0267-02

1 引 言

隨著4G網(wǎng)絡(luò)中的廣泛商業(yè)應(yīng)用，各種速度的無線應(yīng)用層出不窮，對移動網(wǎng)絡(luò)的帶寬和容量提出了更高的要求。同時，對象網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展也帶來了各種需求，如各種延遲、帶寬和連接數(shù)量等。傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)場景單一，網(wǎng)絡(luò)容量有限，對設(shè)備的資源需求量大，不能滿足許多復(fù)雜的運行條件。在新市場的驅(qū)動下，5G技術(shù)已經(jīng)成為世界關(guān)注的焦點，面臨著巨大的人力和計算機通信需求。國內(nèi)外主流管理人員在2020年制定了商業(yè)用途計劃。

移動通信深刻地改變了人們的生活。移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸性增長，海水設(shè)施的連接，新的業(yè)務(wù)，新應(yīng)用的出現(xiàn)，以及第五代移動通信（5G）系統(tǒng)的運行。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）是下一代5G的關(guān)鍵技術(shù)，希望能夠支持數(shù)千倍的帶寬、海量連接、多樣化的服務(wù)和用戶?；谔摂M化和軟件定義的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，我們構(gòu)建了一個5G網(wǎng)絡(luò)，以構(gòu)建靈活靈活的高帶寬需求，為開放資源和新業(yè)務(wù)開發(fā)創(chuàng)建合適的框架，以及進一步開發(fā)適合應(yīng)用的新服務(wù)和新技術(shù)的支持。它提供了一種從網(wǎng)絡(luò)到商業(yè)服務(wù)的經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展的模式。

本文介紹了一個5G核心網(wǎng)，介紹了NFV/SDN層虛擬化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的需求、問題和挑戰(zhàn)。

2 核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀與演進需求

2.1 核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

目前，中國移動已經(jīng)建成了2G/3G/4G融合的核心網(wǎng)絡(luò)，承載著中國移動的語音、短信、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。融合核心網(wǎng)絡(luò)包括以下領(lǐng)域元素設(shè)備：

（1）2G/3G電路域核心網(wǎng)。電路域核心網(wǎng)支持2G/3G基本語音和短消息業(yè)務(wù)，包括MSS、MGW、GMSS、GMGW、e-MSC等設(shè)備。

（2）2G/3G/4G分組區(qū)域核心網(wǎng)。該組的核心網(wǎng)絡(luò)（Pan）支持用戶的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，包括SGSN/Mme、GGSN/sae-05、CG、DNS和PCRF等設(shè)備。

（3）歌舞伎核心網(wǎng)。IP域的核心網(wǎng)包括核心網(wǎng)I/S/ROM/bgcf、mgcf/im-el、DNS、IMSas、接入側(cè)SBC和p-ji。已經(jīng)構(gòu)建的CM配備有組事務(wù)目的地的固定接入語音業(yè)務(wù)。正在建設(shè)的VO智能手機網(wǎng)絡(luò)主要負責(zé)控制和繼續(xù)4G語音。核心網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)。

（4）用戶數(shù)據(jù)域。用戶數(shù)據(jù)域主要是指2G/3G/4G和IMS集成的HSS/HLR設(shè)備，它們負責(zé)不同領(lǐng)域的用戶的注冊、認證和移動性管理。

（5）信號網(wǎng)絡(luò)。信令網(wǎng)絡(luò)包括傳輸7號信令的信令網(wǎng)絡(luò)和傳輸Diameter信令消息的Diameter信令網(wǎng)絡(luò)。信令網(wǎng)絡(luò)由HSTP、HDRA設(shè)備、LSTP和LDRA設(shè)備三層組成，用于跨省傳送信令。

中國移動當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運營的核心網(wǎng)元是由電信設(shè)備供應(yīng)商提供的。制造商提供的設(shè)備硬件可分為兩類，一類是制造商專用硬件，另一類是一般硬件。一些網(wǎng)絡(luò)元件只包含工廠專用硬件，一些網(wǎng)絡(luò)元件只包含一般硬件，而一些網(wǎng)絡(luò)元件包括工廠專用硬件和一般硬件。同時，基于硬件平臺，開發(fā)了中國移動定制的軟件功能。

2.2 核心網(wǎng)絡(luò)演進需求分析與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，4G網(wǎng)絡(luò)已引入大規(guī)模運營。國際通信組織已經(jīng)開始研究5G網(wǎng)絡(luò)。進行了需求調(diào)研和技術(shù)搜索。5G論壇、歐盟優(yōu)點、IMT-20、NGMN和中國IMT-20（5G）公布了5G愿景白皮書。5G人的移動網(wǎng)絡(luò)和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)在各種情況下提供各種應(yīng)用服務(wù)，為用戶提供廣泛、快速、低延遲、低能耗的服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準化工作于2020完成。

現(xiàn)有的融合核心網(wǎng)絡(luò)面臨以下問題，以支持未來的5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。核心網(wǎng)絡(luò)中NFV云的演化是解決這些問題的有力手段。

2.2.1 構(gòu)建和部署模型

電信設(shè)備供應(yīng)商提供和集成了傳統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。軟件和硬件是制造商定制的設(shè)備。它們沒有多功能性。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)備采購和建設(shè)通常每年實施?，F(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的建設(shè)周期、需求響應(yīng)速度和網(wǎng)絡(luò)資源分配能力已經(jīng)不能滿足移動互聯(lián)網(wǎng)和5G時代海量變化的業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。

NFV核心網(wǎng)絡(luò)資源池的集中式建設(shè)將促進網(wǎng)元系統(tǒng)之間的硬件資源共享。功能模塊的軟件部署將加快相應(yīng)的網(wǎng)元需求速度，縮短施工交付周期。

2.2.2 5G網(wǎng)絡(luò)片斷需求

5G網(wǎng)絡(luò)支持網(wǎng)絡(luò)層功能，并為不同的用戶和企業(yè)提供虛擬專用網(wǎng)絡(luò)資源。目前，接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、配電網(wǎng)、核心網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)不能為用戶最終提供資源準備和服務(wù)質(zhì)量保證。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的虛擬化和層次化可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)信息傳輸能力的統(tǒng)一控制。

2.2.3 多節(jié)點控制問題

目前，每個網(wǎng)絡(luò)單元的控制和負載是緊密耦合的，不同網(wǎng)絡(luò)的不同系統(tǒng)接受不同控制中心的控制策略。Mme、HSS、SPR、PCRF和HSS通過每個基礎(chǔ)管理不同級別的通信。他們不能聯(lián)合制定聯(lián)合關(guān)稅和資源安全戰(zhàn)略。

通過引入NFV/SDN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進一步分離了控制負載，將各個系統(tǒng)和平臺放在一起，使系統(tǒng)更加方便地操作和協(xié)作。

中國移動通信集團公司開展了NFV網(wǎng)絡(luò)布局技術(shù)搜索和網(wǎng)絡(luò)試驗，并部署了基于RCH云架構(gòu)和應(yīng)用平臺的南基地。每個設(shè)備制造商提供基于NFV架構(gòu)的IP域控制網(wǎng)絡(luò)元件產(chǎn)品，并且該組參與在山東、河北、陜西和安徽的網(wǎng)絡(luò)測試驗證。

3 NFV核心網(wǎng)目標(biāo)架構(gòu)及演進方案

3.1 5G NFV網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)體系結(jié)構(gòu)

為了滿足5G業(yè)務(wù)指標(biāo)和應(yīng)用場景的需要，每個國際通信組織都發(fā)布了一份5G遠景白皮書。其中，IMT-20（5G）組織在中國提出了全面網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

未來的5G網(wǎng)絡(luò)是一個更加靈活、智能、高效、開放的SDN、NFV和云計算技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。5G網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括三個區(qū)域：訪問云和控制云以及先前的云。接入云支持各種無線接入模式，集成集中式和分布式無線接入網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，適應(yīng)各種類型的返回鏈路，實現(xiàn)更靈活的網(wǎng)絡(luò)布局和有效的無線資源管理。5G網(wǎng)絡(luò)控制功能和數(shù)據(jù)傳輸功能形成集中控制云和高效傳輸云。控制云實現(xiàn)本地和全局會話控制、移動性管理和服務(wù)質(zhì)量保證，為服務(wù)構(gòu)建開放的網(wǎng)絡(luò)能力接口。轉(zhuǎn)發(fā)云可以基于公共硬件平臺實現(xiàn)，在云網(wǎng)絡(luò)控制和資源采購控制下實現(xiàn)可靠、低延遲、負載共享傳輸。

新5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是移動網(wǎng)絡(luò)未來的發(fā)展方向，但實際網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展充分考慮了現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)的演進路徑，以及未來的新業(yè)務(wù)和新海洋。而且，5G網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的演變處于一個局部改變整個網(wǎng)絡(luò)的中間階段。通信技術(shù)與信息技術(shù)的融合從核心網(wǎng)延伸到無線接入網(wǎng)，最終形成網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的整體演進。

3.2 NFV核心網(wǎng)絡(luò)演進方案

考慮到上述5G網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)構(gòu)想，建議對現(xiàn)有核心網(wǎng)各網(wǎng)元的NFV云和5G網(wǎng)絡(luò)能力的實現(xiàn)應(yīng)分兩個階段進行。

現(xiàn)有核心網(wǎng)絡(luò)元素從傳統(tǒng)平臺到云平臺的演進：

中國移動集團公司對每個廠商的支持和部署計劃應(yīng)遵循每個核心網(wǎng)絡(luò)的NFV/SDN原則。

（1）轉(zhuǎn)換為CT it網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換價值高、用于提供新業(yè)務(wù)的網(wǎng)元優(yōu)先演進，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和演進價值低的網(wǎng)元為延遲配置。

（2）部分計算、控制和數(shù)據(jù)存儲、某些媒體傳輸?shù)难舆t放置和特殊硬件請求中網(wǎng)絡(luò)元素的優(yōu)先級的演變。

（3）棋盤上的凈源NFV相對成熟。飛機是由VO通向飛機的巨大建造機會領(lǐng)先的。

根據(jù)以上原則，核心網(wǎng)域和網(wǎng)元NFV/SDN演進的優(yōu)先級和成熟度如圖1所示。

通過這樣做，核心網(wǎng)絡(luò)的云演進步驟的如下。

4 注意事項

（1）在當(dāng)前階段，RCH已經(jīng)在互聯(lián)網(wǎng)上部署。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)試驗已經(jīng)開始。

（2）控制網(wǎng)絡(luò)（MME、PCRf）、控制數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)源（HSS/HLR）、傳輸網(wǎng)絡(luò)（草案）和具有結(jié)構(gòu)分離要求的媒體傳輸網(wǎng)絡(luò)（SAE05）都處于程序論證和產(chǎn)品設(shè)計階段。當(dāng)技術(shù)成熟時，我們必須促進現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的盡快引入。

（3）介質(zhì)傳輸表面網(wǎng)絡(luò)（MGW，SBC）處于技術(shù)研究階段，可根據(jù)SDN技術(shù)的成熟程度進行配置。

（4）由于業(yè)務(wù)量的增加，2G/3G電路區(qū)域相關(guān)網(wǎng)（MSc、GSB、STP）已經(jīng)減少。傳統(tǒng)設(shè)施面臨網(wǎng)絡(luò)集成、替代和退出，不再考慮云的進步。

在核心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上完成nfv的云轉(zhuǎn)換后，硬件平臺采用通用的硬件資源。基于核心網(wǎng)絡(luò)資源池軟件，設(shè)置了Mme等控制功能。傳輸層集中了GW、SBC等網(wǎng)絡(luò)單元的媒體功能。

（5）隨著虛擬化網(wǎng)絡(luò)的成熟，核心網(wǎng)絡(luò)的NFV/SDN修改可以逐步實現(xiàn)，而實際的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)并不支持新網(wǎng)絡(luò)的新功能。不支持網(wǎng)絡(luò)的新特性。在演進結(jié)束時，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和虛擬化網(wǎng)絡(luò)同時存在于同一池中，無線基站需要接入池中的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和虛擬化網(wǎng)絡(luò)當(dāng)虛擬化技術(shù)成熟時，建議盡可能縮短過渡期的持續(xù)時間。

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收稿日期：2018-11-12