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专题 - 5G专刊——邮电设计技术&C114 - 2018年第11期 - 正文

持续演进的5G服务化网络架构

http://www.c114.com.cn ( 2018/12/13 16:56 )

李海民,何 珂(大唐移动通信设备有限公司,陕西 西安 710061)

本文版权为《邮电设计技术》所有,如需转载请联系《邮电设计技术》编辑部 

摘要: 随着SDN/NFV技术在电信设备中的应用,软件和硬件实现了解耦,运营商可降低CAPEX和OPEX,同时增加网元功能部署的灵活性。移动通信核心网架构的演进主线,从优化性能、降低成本为主要目标的控制转发分离技术,正逐渐转向以提升移动网络的盈利能力,实现业务快速上线为主要目标的服务化架构技术,并将沿着这条主线持续演进。回顾了以控制转发分离为主线的移动通信核心网架构演进的历程,从支持业务快速上线的角度分析了5G服务化网络架构的优势,并通过对5G服务化架构的演进需求分析,给出了未来核心网架构演进的一些建议。

关键词: 服务化架构;核心网; 5G;控制转发分离

doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2018.11.006

引言

2018年6月份,3GPP发布了R15协议规范,标志移动通信正式进入了第5代,不仅在带宽、容量、用户数和时延方面有了大幅提升,而且在网络架构方面也发生了重大变化。在移动通信系统不断演进过程中,核心网(CN)的架构也在不断变化:2G/3GCN包含CS域和PS域,同时提供语音和分组业务;4GCN仅有PS域,实现了全IP化。在此过程中,随着用户数的增长,以及语音、短信、数据等业务的增长为运营商带来了收益的快速增长。CN架构的演进,以提升设备性能,降低成本为主要目的。

传统的2G/3G/4GCN,采用专用设备。其底层平台仅支持同厂商纵向扩展,无法实现异厂商横向资源共享,不利于灵活部署。另外,由于业务的多样性,其对控制能力和转发能力的需求不尽相同,也不成比例,导致控制面与转发面的扩容不易同步进行。因此CN设备直到4G,一直以控制转发分离作为演进主线。控制转发分离有利于设备的独立升级、演进。控制面设备可以专注于提升其信令处理能力;而转发面设备可以专注于提升其转发能力。

随着虚拟化技术在电信领域中的应用,ETSI在2012年成立了工作组,在NFV架构、生态、可靠性、安全、测试等领域进行了广泛而深入的研究,制定了一系列NFV国际标准。在全球已有超过400项部署计划和100个多商用局点,覆盖EPC、IMS、物联网等多种网络场景。国内各大运营商近3年完成了NFV技术的概念验证、试验网、现网试点以及试商用验证,已基本掌握了NFV虚拟化阶段的核心技术和部署能力。虚拟化技术通过计算、存储、网络资源的虚拟化,实现了软件和硬件的解耦,网络功能(NF)软件可以灵活部署,动态扩缩容,用于部署软件的通用服务器,可以更低的成本进行升级,可在数据注册送彩金不限id论坛更有效地处理整个网络的管理,因此优化设备性能,降低成本的目标将随着虚拟化技术在电信设备中的大规模应用而逐渐弱化。

受人口红利见顶、提速降费等因素的影响,运营商传统经营收入增长乏力。收入增长取决于现有付费服务的使用量增加或新服务的推出,增加收入的唯一方法是推出新服务。因此,支持业务的快速创新和上线,不断通过业务创新和新业务的快速部署提升盈利能力,将会成为推动CN架构演进的主要动力。

目前,3GPP5G协议标准已经正式发布,与之前的CN架构相比,5G网络架构发生了根本性的变化。5G网络采用开放的服务化架构,NF以服务的方式呈现,任何其他NF或者业务应用都可以通过标准规范的接口访问该NF提供的服务。5G开放性的网络架构,充分体现了支持业务快速创新的CN架构演进主线。5G网络架构是新一代CN架构的起点,并将沿着该主线不断完善。

本文在第1章回顾了以提升性能、降低成本为目标,以控制转发分离为主要手段的CN架构演进的过程。第2章从支持业务快速上线,实现灵活部署的角度分析了5G服务化网络架构的优势,最后在第3章对CN架构的未来演进做了初步探讨。

1、以控制转发分离为主线的核心网演进历程

2G/3GCN包含CS域和PS域。典型的网络架构为R99网络架构,如图1所示。其中CS包含MSC和GM?SC;PS域包含SGSN和GGSN。MSC/GMSC是移动交换注册送彩金不限id论坛,负责呼叫信令的处理和话路中继的处理;SGSN负责PS域移动性管理和会话管理相关的信令处理,同时支持GPT-U隧道和分组域报文的转发。GGSN与PDN接口,负责会话/计费/策略相关的信令处理和报文的转发。

图1 R99CN架构

在R4CN架构中,PS域没有发生变化,但CS域网元进行了一次控制转发分离,如图2所示。MSC拆分为MSCServer和MGW,GMSC拆分为GMSCServer和MGW。MSCServer和GMSCServer负责处理呼叫信令,MGW负责话路中继处理,MSCServer通过H.248协议,控制媒体面连接的建立和释放。

图2 R4CN架构

到了R7,CN架构上仅增加了IMS域,其他并没有太大的变化。R8是4G移动通信的第1个协议版本,一方面去掉了CS域,只保留了PS域,实现了CN的全IP化;另一方面,对SGSN进行了控制转发分离,拆分为MME和SGW2个网元,同时GGSN演变为PGW。如图3所示。MME负责移动性管理和会话管理,SGW/PGW负责业务报文的转发、策略和计费,配合完成会话的管理,包括会话的建立,释放和修改。

虽然R8将SGSN拆分为MME和SGW,但是这种拆分并不彻底,SGW/PGW仍包含会话/策略/计费相关的信令面相关的处理,因此在2016年,SGW/PGW又进行了一次拆分,进一步拆分为控制面和转发面,如图4所示。促成该拆分的一个原因来自于转发面下沉的需求,为了便于下沉,需要简化转发面和控制面之间的接口。

图4 CUPSCN架构

从R99到控制转发分离(CUPS)CN架构的演进过程,可以得出CUPS是贯穿CN架构演进的主线。将网元设备分为控制面设备和转发面设备,有利于不同网元独立的扩容、优化和技术演进。

2、支持业务快速上线的5G服务化网络架构

3GPP在2018年6月份发布了R15协议规范,标志着移动通信系统正式迈入5G时代。5G移动通信目标是实现万物互联,支持丰富的移动互联网业务和物联网业务,移动互联网和物联网作为移动通信发展的两大主要驱动力,为5G提供了广阔的前景。新的通信需求对现有网络技术和商业模式带来了挑战,现有的移动网络架构主要满足语音要求和传统的MBB服务,此架构已被证明不够灵活,多个3GPP版本升级、大量的NE、复杂接口无法支持多元化5G服务。面对多样化的业务场景,5G核心网(5GC)需要新的网络架构。

此外,在提供优质的移动通信服务的同时,运营商更加关注移动网络的盈利能力。但是受人口红利见顶、提速降费等因素的影响,运营商传统经营收入增长乏力。收入增长取决于现有付费服务的使用量增加或新服务的推出。通过高效和经济的方式推出众多新服务,为技术和业务创新创造一个生态系统。因此,支持服务的快速创新、快速上线、按需部署是5G网络成功商用的关键。

为了支持业务的快速上线、按需部署,移动网络需要一种开放网络架构,通过架构开放支持不断扩充网络能力,通过接口开放支持业务访问提供的网络能力。5G服务化网络架构(SBA)正是在这种背景下诞生的。按照3GPPR15协议规范,将3G/4GCN中的网元按照功能,拆分为独立的NF,如图5所示。

图5 5GCN架构

5GC在CUPS的基础上,控制面拆分为多个NF: AMF主要负责终端接入和移动性管理,SMF负责会话 管理,PCF负责策略管理,UDM负责用户数据管理等。 其中NRF是服务化架构的核心,负责NF的管理,包括 注册、发现、授权等功能。

5GC采用了SBA,是在CUPS架构基础上的再次优 化和演进,对比CUPS网络可以看出,SGW-U/PGW-U 2个网元转发面处理在5GC中合并为一个UPF,更便 于转发面的下沉;SGW-C/PGW-C负责会话管理,通常 部署于核心区域,将两者合并为SMF能够简化CN的 开发和部署,MME中既包含接入移动性管理,又包含 会话管理,在5GC中按功能,将会话管理的部分功能 放到SMF中实现,AMF仅实现接入移动性管理,只与 用户数相关而不在与会话数量相关,更加有利于AMF 和SMF的独立演进。

服务以比传统网元更精细的粒度运行,并且彼此松耦合,允许升级单个服务,而对其他服务的影响最小,每个服务可以通过轻量级服务接口直接与其他服务交互,与传统的点到点架构相比,基于服务化接口的架构可以轻松扩展,同时服务化接口是开放的接口,任何其他NF和业务应用,都可以通过该接口使用NF,5GSBA的这些优点,充分体现了网络架构的开放性。

前文提到,随着虚拟化技术在移动通信网络中的应用,网络设备的成本将大幅降低,优化设备性能和降低采购运维成本的目标逐渐弱化。同时受人口红利见顶、提速降费等因素的影响,运营商流量经营收入增长乏力。而增加收入的唯一方法是推出新业务,5GSBA正是以此为目标提出的网络架构。

移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力,为5G提供了广阔的前景。新业务将引入新需求,不仅在带宽、时延、连接数、覆盖等指标方面有更高的要求,也需要获知网络和终端用户的状态,管理和控制业务会话,部署于网络中的合适位置等。对于支持业务的快速上线需要满足4个方面的需求。

a)业务功能需求,如果业务对网络有新的功能需求,网络能够快速满足。

b)业务的QoS需求,网络需保证业务的QoS,并在网络拥塞、故障等异常情况下,及时调整。

c)业务的管理策略需求,业务需要进行管理和控制,不同业务具有不同的管理策略,也可能出现新的策略要求,网络灵活的策略管理,当新的策略要求出现时,网络能够快速地支持这些新的管理策略。

d)业务的部署需求,业务能够快速地在网络中进行部署。

5GSBA支持业务快速上线,体现在以下几方面。

a)NF之间松耦合,传统CN网元由一组彼此紧密耦合的功能组成,当引入新的业务需求,传统网元的功能或能力可能都要发生重大变化。5GSBA中的NF是高内聚和松耦合的,互相独立的网络服务,在需求发生变化时,只需变更受到影响的网络服务。

b)轻量级的网络接口,不同网络服务之间的接口采用轻量级Restful/Http协议,有利于快速的接口开发,NF的快速升级,也可通过这些接口向业务应用开放网络能力。

c)服务统一管理和部署,NRF提供了服务管理功能,ETSI的NFV技术规范,从网络服务、网络功能、虚拟化基础设施等方面,制定了统一完善的管理机制。NF基于数据注册送彩金不限id论坛部署,可以根据需要,将NF部署于网络的相应位置。

d)能力开放和策略管理,通过轻量级服务化接口开放网络能力,业务应用可以方便的使用这些网络能力,感知网络和终端的事件,调整会话策略。

e)业务QoS保障,5G网络不仅提供了更大的带宽,更低的时延和更多的连接数支持,而且实现了基于不同会话设定不同的QoS策略,网络增加了独立的网络数据分析功能,可以根据会话、终端、网络的状态实时调整QoS策略,满足业务的QoS需求。

综上,5GSBA解决了传统CN点到点架构紧耦合的问题,能够支持业务的快速上线,符合从提升性能降低成本为目标,转向以支持快速推出新业务,提升网络营收能力为目标的演进要求。

3、持续演进的5G服务化网络架构

5GC采用SBA,各个NF之间松耦合,可以根据需要,增加或者修改NF,而不会影响其他NF;NF之间采用轻量级的服务化接口,其他NF和业务应用很容易通过该接口调用NF。该架构能够支持新业务的快速上线。随着新业务的需求以及网络技术的交替驱动,5G商用化之后,6G或者更新一代的移动通信网络可能面对更加丰富多样的新业务。因此,从网络架构的角度来说,需要向服务化架构的方向更加开放,更加便捷地扩充NF,更加快速地支持新业务快速上线,对于以高效和经济的方式推出众多新服务,为技术和业务创新创造一个电信网络生态系统有重要意义。围绕新业务的快速上线,目前的5GSBA可以在如何快速响应业务需求,降低业务的上线周期,支持业务的快速开放等方面进一步优化。

3.1 演进需求

3.1.1 快速满足业务需求

针对不断出现的新业务,5GC需要快速满足业务的需求,这样才能够实现业务的快速上线。当业务对网络出现新需求时,可以分为2种情况。

a)业务需求与单个NF相关,5GC采用SBA之后,网络服务之间是松耦合的关系,NF的升级不会影响到其他NF。因此目前5GSBA能够满足要求。

b)业务需求与多个NF相关,需要升级多个NF,可能是某个NF的修改导致了信令控制流程的修改,从而影响到多个NF;或者业务需求本身需要多个NF参与才能够满足,需要研究该情况是否有更优的实现方案。

3.1.2 降低业务的上线周期

降低业务的上线周期,关键是需要实现NF的快速部署。为此,ETSI制定了NFV系列技术规范,其中MANO相关的规范解决了虚拟化环境下NF的部署问题。5GC以三层解耦为最终目标,虚拟化NFV平台为NF的部署提供基础设施,可实现NF的快速部署。但是每种业务相关的NF不一样,特别是位置相关的部署需求,需要考虑NF与其他NF之间接口的复杂性。

对于5GC,为支持本地分流需要将转发面功能下沉。CUPS已经简化了控制面和转发面之间的接口,5GC继承了CUPS接口,转发面功能UPF可以很方便地部署到网络的各个位置。但是,如果业务应用需要控制面的某些功能,比如SMF或者PCF,则需要简化SMF/PCF与其他NF之间的接口复杂性,避免NF之间的交叉互联。

3.1.3 支持业务快速开发

5GC采用SBA之后,使用标准开放的Restful/Json接口,支持业务应用简单快速地使用开放的5GC能力。在此基础上,如果进一步简化新业务的开发过程,就需要实现类似网络操作系统的系统平台,对业务应用提供统一的API,引入软件编程的思想来设计5GC的系统架构,实现、部署、管理和维护网络设备/组件/服务的方法。利用软件的可编程性、灵活性和可重用性来快速开发和部署业务应用。

3.2 演进方向

对于3.1节3种支持业务快速上线为目标的服务化5GC架构演进需求中,支持业务快速开发、CN架构演进为网络操作系统平台是一个远期目标,本文不再进一步讨论。对于3.1.1条中需求与多个NF相关的情况,可以将新需求独立成为新的NF,从而避免对其他NF的影响而导致的升级。

如图6所示,业务应用对网络有新的功能需求,影响到AMF/SMF/PCF3个NF,需要这3个NF进行修改和升级,比较简单的方法如图6(b)所示,增加新的NF,将新的功能需求放到新增的NF中。实际可能会复杂一些,涉及到新增需求的大小,以及NF之间的交互流程,需要根据业务需求情况具体分析采用的方法。

图6 增加新功能

涉及到NF之间流程的修改,目前NF虽然采用了服务化接口,但是依据R15规范,NF之间的交互仍然是点到点模式,在流程中插入交互过程比较困难,需要优化协议交互流程,一种解决方案是增加独立的消息转发和路由功能。关于独立的消息路由和转发功能,3GPP下一代网络研究报告中,已经提出了互联和路由功能(IRF)。IRF功能并未成为正式的R15标准,但类似的功能在R16版本的技术研究中再次提出,这次提出的出发点是为了解决状态与数据的分离,作为服务化架构的增强。

从支持业务快速上线的角度来说,通过支持NF之间独立的IRF,可以实现协议流程的快速修改,网络能够快速调整业务流程,满足新业务的需求,如图7所示。

图7 业务流程修改,没有IRF功能时

NewNF需对流程中的消息进行处理,影响到NF1和NF2现有的处理流程,需要升级NF1和NF2。如果有独立的控制流程编排,实现NF互联和路由功能,类似于服务链,则不需要升级NF1和NF2,如图8所示。

在图8中,只需要修改IRF就能够满足业务流程的需求,特别是如果IRF可管、可控和可编程,甚至可以通过简单的配置或者命令就可以修改业务流程,满足新业务的需求。

图8 业务流程修改,有IRF时

增加独立的IRF也有助于降低接口的复杂性,通过独立的IRF,部署于各个位置的NF之间不再需要交叉互连接口,所有交叉互连的消息都可以通过一个IRF进行处理。

4、结束语

本文通过分析核心网架构的演进过程,得出了在2G/3G/4G传统CN架构演进过程中,高性能和低成本作为推动架构演进的主要因素,同时以CUPS作为架构演进的主要方式。随着虚拟化技术在移动网络中的应用,设备基础设施的成本大幅降低,降低成本不再成为主导网络架构演进的主要因素。伴随着传统业务的收入减少,通过服务创新提升网络的盈利能力,将会成为推动移动核心网继续演进的主要动力。

5GC采用SBA,NF之间通过松耦合,可以方便地增加新的NF,从而快速满足新业务的需求,并通过简单开放的服务化接口开放网络能力,业务应用可以充分利用移动网络提供的各项功能实现业务创新。5G服务化架构是新一代移动核心网架构演进的起点,并将沿着该路线持续演进。

本文以提升移动网络的营收能力,支持业务快速上线为出发点,从快速满足业务需求,降低业务的上线周期,支持业务快速开发3个方面,初步探讨了目前的5G服务化网络架构需要进一步优化的地方,并给出了一些粗浅的建议。推动网络架构演进的因素来自于降低成本、优化实现、提升性能、技术发展以及运维等多个方面,是多种因素共同作用的结果。虽然提升网络的营收能力将会成为推动网络演进的主要动力,但是支持更高性能、更低资源占用的网络架构具有很大的优势,更低成本仍是推动架构演进的重要因素。

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作者:李海民,何 珂   来源:《邮电设计技术》

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