目前核心网处于架构转型和业务转型的关键期。在架构层面,NFV、CU分离、边缘计算等技术的成熟推动核心网络架构转型,控制面进一步集中,转发面进一步下沉。在业务层面,2G/3G业务量迅速下降,4G流量、VoLTE、物联网用户数快速增长,在5G逐步商用的背景下,面向5G商用需求,需结合商用时间点、各省各地区5G业务场景需求、标准技术成熟度、设备成熟度等多个因素考虑5G核心网建设和演进策略。

5G核心网建设难点和挑战

5G时代即将到来,它将对人们使用移动技术的方方面面产生巨大影响。5G的速度更快、时延更低,从理论上讲,在从智能手机到自动驾驶汽车等各个领域,5G网络都会开辟新应用场景。不过如此复杂的5G网络,在建设上面临着很多难题和挑战。

网络、多业务接入融合的挑战

移动通信系统从第一代到第五代,经历了迅猛的发展,现实网络逐步形成了包含多种无线制式的复杂现状,多种接入技术长期共存成为突出特征,同一运营商拥有包括2G/3G/4G/5G以及WLAN网络在内的多张不同制式网络的状况将长期存在。如何高效地运行和维护多张不同制式的网络,提高竞争力,不断减少运维成本和实现节能减排是每个运营商都要面临和解决的问题。面向2020年及未来,移动互联网和物联网业务将成为移动通信发展的主要驱动力。如何实现多接入网络的高效动态管理与协调,同时满足5G的技术指标及应用场景需求是5G多网络、多业务融合的主要技术挑战。4G向5G网络演进接入网结构变化如图1所示。

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图1  4G向5G网络演进接入网结构变化

CU(Centralized Unit,集中单元):原BBU的非实时部分将分割出来,重新定义为CU,负责处理非实时协议和服务。DU(Distribute Unit,分布单元):BBU的剩余功能重新定义为DU,负责处理物理层协议和实时服务。

网络虚拟化(云化带来的规划和运维挑战

5G网络全面虚拟化(云化),在带来功能灵活性的同时,也带来很多技术和工程难题。首先网络虚拟化使跨层故障定界定位和后期升级过程更加复杂而低效;其次边缘计算的引入使网元数目倍增,也会导致建设和维护工作量成倍增加;最后,微服务化,用户更多的定制业务给业务编排能力提出了极高的要求。

回顾网络功能虚拟化NFV(Network Function Virtualization)的历史实践,目前NFV转型并未完全达到产业的期望。面向5G演进,运营商网络仍然面临三大挑战:一是新业务上线慢,以网元为单位大颗粒整包交付导致开发周期长,测试工作量大,升级影响大,软件发布周期需要3~9个月;二是运营成本高,以网元为单位的管理,导致多网元部署、对接和运维成本高,同时5G用户面下沉站点数量增加10倍以上,导致运维成本上升5~10倍;三是单Bit成本高,COTS硬件单Bit成本每年仅下降14%,摩尔定律失效,5G时代8倍流量增长将带来5倍硬件和能耗增加。

应对三大挑战,需要运营商构建极致敏捷、极简运营和极致效能的5G极简核心网,实现业务实时敏捷,网络自治和单Bit成本超越摩尔定律。业界厂家也统一共识,针对上述需求,极力做到如下三点:一是极致敏捷,基于微服务的软件架构,软件从以网元为单位的大颗粒交付转变为微服务粒度发布、测试和升级,实现业务实时敏捷,快速上线,软件发布周期从半年缩短到一个月以内,升级从百万用户受影响到用户无感知,业务无中断;二是极简运营,运维从以网元为中心转变为以网络为中心,实现网络自治,同时,一站式用户面大幅降低配套成本,并通过统一运维,实现用户面即插即用、加站不加人;三是极致效能,通过异构硬件综合加速使得转发效率提升50%以上,单Bit成本超越摩尔定律。

5G核心网与4G核心网有很密切的关系,部分网元要融合建设,形成4G/5G统一的控制面和用户面锚点,以提升用户体验,简化网络部署,降低成本。最近几年,核心网已经开启虚拟化(云化)改造和建设工作,如虚拟化EPC(Evolved Packet Core)、虚拟化IMS等,国际领先运营商从2016年开始进行虚拟化的规模商用部署,国内起步稍晚,但进展十分迅速,虚拟化IMS已开始商用,虚拟化EPC也在试点过程中。到今年年底,三大运营商的网络虚拟化进程都会有大的阶段性成果。从核心网NFV技术路线看,先从IMS控制面开始,2019年将逐步实现EPC网络的虚拟化。另外,电信云统一资源池的建设正提上日程,为后续5G规模建设奠定基础。5G时代,虚拟化是必备的基础技术,5G核心网就是虚拟化的核心网,这已经成为行业的广泛共识。

5G核心网络架构的挑战

5G多网络融合架构中将包括2G/3G/4G/5G和WLAN等多个无线接入网和核心网。如何进行高效的架构设计,如核心网和接入网锚点的选择,同时兼顾网络改造升级的复杂度、对现网的影响等都是网络架构研究需要解决的问题。

5G组网可支持SA和NSA两种方式,无论最终国内运营商采用何种网络架构,5G商用的步伐都不会放缓,建设和投资规模也不会缩水。但为了抢占5G先发市场,NSA或将成为部分运营商的先期建网选择,如图2所示。SA指的是新建5G网络,包括新基站、回程链路以及核心网。NSA非独立组网指的是使用现有的4G基础设施,进行5G网络的部署,基于NSA架构的5G载波仅承载用户数据,其控制信令仍通过4G网络传输。

运营商可根据业务需求确定升级站点和区域,不一定需要完整的连片覆盖,借助目前成熟的4G网络扩大5G覆盖范围。由于手机终端发射功率有限,所以5G网络的覆盖范围主要受限于上行,那么通过与4G联合组网的方式(NSA)可以实现5G单站覆盖范围的扩大,但由于NSA无需建设5G新核心网,且NSA需借助4G无线空口(NSA无线锚点在4G),现有的4G核心网架构和4G空口却不容易满足5G对于时延和传输可靠性的要求。

5G建设初期如果采用NSA架构,4G网络与5G网络紧耦合,将带来站址约束、互操作配置复杂等问题,后续向SA演进还需多次网络大规模调整。

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图2  4G向5G网络演进核心网络结构技术路线图

Option3:EPC+eNB(主)/gNB的方式组网,网络先演进无线接入网,核心网使用LTE的,场景以eNB为主基站,控制面信令由eNB转发,LTE eNB和NR gNB采用双连接的形式为用户提供高传输数据速率服务,可以有效降低初期的部署成本,主要是前期部署在热点区域,增加系统吞吐量。

Option4:NGC+eNB/gNB(主)的方式组网,同时引入NGC和GNB,与LTE采取兼容的方式部署,核心网采用5G NGC,eNB和gNB都连接至NGC,基站以gNB为主,同样是采用双连接的方式为用户提供高速率数据业务服务,LTE网络负责保证覆盖,5G系统负责提高热点地区的数据吞吐量。

Option7:NGC+eNB(主)/gNB的组网方式,此种方式中虽然完整部署了5G NGC和gNB,但数量较少,仍以LTE中的eNB为主,控制面信令都由eNB转发,eNB和gNB采用双连接的方式为用户提供高数据速率服务。

为了满足各种各样新的服务需求,未来5G核心网架构的建设和规划必须要解决以下几方面问题。

一是核心网接入独立。对于固定接入和各种各样的无线接入,核心网应该具有汇聚功能,从而保证接入无关。保证接入无关可以降低终端接入系统的复杂性和低效性,以及减少功能冗余。

二是分布式架构。分布式架构可以提高网络资源利用率,避免数据转发低效率、单点失效、RTT时延长、流量超载等问题。分布式架构的引进主要用来克服传统EPC下流量路径低效率和单点失败的缺陷。通过将CGWs和eUCEs放置在IP网络的边缘,5GC可以提供高效的流量路径,最小化信号时延,为移动边缘计算提供更好的支持。在传统的异构网络架构下,流量会被汇聚到一个锚点中,而在未来的5G分布式架构下,流量会被更灵活地进行分布式处理,这会将吞吐量提高至当前的数千倍。

三是控制平面和用户平面完全分离。核心网络应该通过开放式接口将数据平面和用户平面完全分离,这样有利于双方各自的独立演进和按需部署。将两个平面完全解耦之后,数据转发采取IP模式,控制平面功能被放置在eUCE和UCE中,用户平面功能被放置在CGW中。用户平面和控制平面之间采用开放接口来提供基本的可伸缩性和灵活性,有了开放式接口的支持,在此基础上利用虚拟化技术进行网络切片也是非常方便的。

四是轻量级的信令支持。对于IoT(Internet of Things)等服务,核心网应该支持轻量级的信令传输,并且简化相关协议。在LTE中先建立承载通道再进行数据传输的这种基于连接的方式将不再适用于处理未来越来越多的服务场景。为了应对各种各样新出现的使用场景,5G核心网的信令机制应该基于按需NAS的概念进行扩展。每当用户发起一个会话,就会自动根据用户需要使用的服务来产生一个合适的处理程序(合适的非接入层信令)。

这种机制可以增强网络的灵活性,降低网络的信令开销,同时支持低时延服务。但是其实这种机制存在一种问题,现在只是能够概括出现阶段可以想象出的使用场景和服务类型,随着未来的发展,会出现更多现在没有预知的使用场景,这对于这种已知服务类型构造NAS信息的机制是一个很大的挑战。

五是高效的移动性管理。高效的移动性管理会带来更好的资源利用率。EPC下移动性管理采取的是静态锚机制,所有的移动终端都是通过一定数量的PGW与运营商网络相连的,当用户移动到较远距离的位置时,这些处于服务状态的PGW状态在短时间内并不会发生改变,这种机制会造成流量路径效率低下的问题。在5G中应该基于分布式移动性管理引进动态锚机制。用户在CGW1上建立了一个会话session1,eUCE会为其分配一个IP地址,如果用户移动到CGW2的范围之内,UE将会为CGW1保留这个IP地址以防用户重新返回到session1中。但是如果用户已经开始在CGW2上发起一个新的会话session2,UE将会被分配一个新的IP地址来改变其本地地址。

5GC中eUCE负责网关内交付,UCE负责网关间交付,eUCE会动态地将流量路径信息发送给BS和CGW。总之,从EPC向5GC的演进,必然要完成从静态管理到动态管理的演进。

数据分流对5G核心网切片的挑战

5G多网络融合中的数据分流机制要求用户面数据能够灵活高效地在不同接入网传输;最小化对各接入网络底层传输的影响;需要根据部署场景和性能需求进行有效的分流层级选择,如核心网、IP或PDCP分流等。5G网络除了提供2C(公众客户)业务以外,还将要满足2B(行业用户)业务的需求。5G部署初期基于eMBB业务需求进行网络部署,满足公众宽度数据业务需求。后期mMTC及uRLLC业务需求将主要面向垂直行业、工业控制、城市基础设施等领域,网络部署区域、业务感知需求都差异甚大,可能需要进行大的网络调整或增加新的载波。

针对更加精细化的业务需求,在5G网络建设中不得不引入网络切片技术。作为5G中被讨论最多的技术,网络切片对于5G的意义可谓巨大。只有理解了传统核心网的局限性,才能深刻理解网络切片技术对于5G的必要性。

首先,随着用户终端数量和种类的迅速增加、流量的大规模增长、用户需求的不断多样化,当前的核心网EPC这种传统的集中式设计的网络架构逐渐变得难以处理越来越多样化的服务要求。其次,EPC是一种“one size fits all”的架构,这种架构是“先天不足”的。举例说明,在EPC中,移动管理实体MME(Mobility Management Entity)的主要功能是进行终端的移动性管理,但是并非所有的用户装置都具有移动性,比如机器对机器(M2M)类型的传感器之间的通信就不需要为其提供移动性支持,因为这些装置的地理位置几乎是不变的,而传统核心网的架构会使得原本的很多设计在面对特定用户群体的时候根本无任何用武之地。再次,传统核心网上的很多的网络元素运行于专用的硬件设备上,并且与软件元素严重耦合,这非常不利于网络可编程化。最后,由于当前移动核心网中各个部件的功能划分并不清晰,很多用户包在从eNodeB到SGW,再到PGW的过程中会被进行很多重复处理,包处理的流程很不简约,因此其集中式架构和对软硬件要求高的特点使得其部署时间长,成本也很高。

在5G时代,移动网络服务的对象也不再是单纯的移动手机终端,而是各种类型的设备,比如平板、固定传感器、车辆等。应用场景也多样化,比如移动宽带、大规模互联网、任务关键型互联网等。需要满足的要求也多样化,比如移动性、安全性、时延性、可靠性等。这就为网络切片提供了用武之地,通过网络切片技术在一个独立的物理网络上切分出多个逻辑网络,从而避免了为每一个服务建设一个专用的物理网络,这是非常节省成本的,未来的网络必须通过网络切片技术从“one size fits all”向“one size per service”过渡。

虽说网络切片的使用可以极大地改善网络性能和服务质量,但是网络切片的数量设置是一个重要的问题,不能对每个服务都设置不同的切片。切片数量太多会使得维护和管理变得困难,数量太少又可能导致一个简单的使用案例需要用到两个及以上的切片来达到其需求。5G切片到底能切到什么程度,目前行业尚未达成共识。

运营商目前主要有两种选择:一是基于目前的套餐模式,推出企业可选的网络服务;二是像企业网市场一样,推出端到端的定制化网络切片。这里面的矛盾在于,简单切片依旧会带来网络浪费,且很难满足千行万业的垂直需求。而过分精细的切片网络,会带来定制化成本和运营成本的激增。更现实的模式,很可能是运营商提供基础的专网切片,然后行业代理和解决方案提供商再进行进一步的定制化服务,来满足具体的企业网络需求。而这也就意味着众多新的产业链将要在5G产业大背景下被创造出来,垂直行业的网络与技术整合型服务商,可能成为5G下一个新商业风口。同时,切片网络模式还带来了运营和管理方面的挑战。企业如何运维自己购买的切片网络,如何处理网络与云计算、IT系统间的关系,这或许也将带来新的市场动力,需要一些全新角色或者服务去填补这些空白。

无论是传统企业应用5G切片,还是5G切片背景下出现的新行业,今天大多还都处在行业设想当中,必须有人去推动这些设想的落地,一步步驱动5G走向广泛的行业市场。在面对业务分流挑战时,网络切片面临如下难点。

• 网络切片结构:虽然标准很好地定义了8个应用场景系列,但仍存在很多尚未分类的场景,因此在性能评估标准方面的切片划分的粒度如何确定仍然是一个需要解决的问题。

• 网络切片选择:一个用户可能会使用一个或者多个切片,如何选择合适的切片也是一个基本的问题。

• 网络切片转换:漫游场景下,本地网络切片不能支持用户接入网络,就会造成用户网络中断,一个可能的解决方案是将用户转换到默认切片下,但是在切片转换过程中如何保持IP会话的连通性、侦测转换时机的任务应该交给用户终端还是交给网络,这都是尚待解决的问题。

• 用户状态维持:用户的状态信息可能会在多个切片中传递,如何管理用户状态也是一个关键问题。

• 新功能的确定:为了支持一些如无人驾驶等的新式服务,当前的EPC功能可能并不能够满足,因此需要定义新的功能以及涉及的消息格式和处理程序。

核心网的改造和重构

如果说5G拉开了运营商数字化转型的大幕,那对网络端的改造无疑是最为重要的部分。不管是OTT挑战、拓展垂直行业还是增加业务收入的压力,基于传统架构构建的4G EPC核心网(NSA,非独立组网)来部署5G已无法满足需求,具备快速定制、基于切片的运营、高度自动化的智能运维成为5G时代网络必备的新能力。因此,以虚拟化(云化)技术为基础,面向业务,基于SBA架构的5GC核心网(SA,独立组网)部署5G目标网络架构,成为全球领先运营商的战略目标和5G商用总体需求。

核心网的改造和重构主要体现在4个方面:一是基于SDN/NFV,使能运营商网络重构;二是采用SBA和云原生架构,使能网络功能敏捷;三是端到端网络切片技术,使能垂直行业发展;四是以DevOps+AI为手段构建Zero Touch运维,使能网络运维自动化。

跟原有网络相比,5GC新核心网建设面临网络部署、网络功能、新业务开展、多制式共存四大挑战。

针对5G,3GPP在R15规范中提出了SA和NSA架构要求,采用NSA Option 3架构部署5G,因核心网还是沿用传统的4G EPC核心网,架构和功能并没有太大变化,可以基于传统EPC升级或者新建虚拟化EPC来支持NSA,虽然具备快速商用优势,但后续向SA网络演进存在比较大的挑战:一是NSA会带来较大的新增商务成本,涉及现网升级和工程改造,后续改造为SA,涉及二次改造成本;二是先NSA后升级到SA会面临终端切换难、改造难两大挑战。

随着商用时间的逼近,5G网络已经到了发展的关键时期,中国移动提出了5G网络架构三大设计原则,首先是从刚性到软性,也就是从固态网络到动态网络,实现网络资源虚拟化、网络功能的解耦和服务化。其次是移动网络IP化、互联网化,也就是实现与IT网络互通融合,引入互联网技术,优化网络设计。最后是集中化智能和分布化处理,集中化智能——功能集中化,为垂直行业提供个性化增值服务,并分布化处理——移动网络功能靠近用户,提高网络吞吐量,降低时延。以SDN/NFV技术实现网络云化,加上微服务设计,这意味着5G网络真正走向开放化、服务化、软件化,有利于实现5G与垂直行业融合发展。

从目前现网情况来看,最有可能的两条演进路线如下。

路线1:LTE/EPC->Option3X->Option4-> Option 2

路线2:LTE/EPC->Option3X->Option4-> Option 7X-> Option 2

NSA选用Option3x,以实现快速部署NR,5G的核心网部署之后,如果NR覆盖好,则跳过Option7x,如果NR覆盖不好,则使用Option7x过度,LTE继续做锚点。

无论采用哪种方式,演进的基本思路都是以LTE为基础,逐步引入5G RAN和NGC,部署初期以双连接为主,LTE用于保证覆盖和切换,热点地区部署5G基站,提高系统的容量和吞吐率,最后逐步演进,直到全面进入5G时代。

总结

移动通信是国家关键网络基础设施,是推动国民经济发展、提升信息化水平的重要引擎,5G的快速部署将助力工业互联网、智能制造、现代农业、智慧城市等方面的发展进程,但5G网络建设存在诸多困难,需要政府、运营商、通信基础设施单位、设备制造商等多方配合,才能实现快速高效建网的目的。

应该说,以NFV/SDN技术为代表的网络转型,已经成为行业共识,不仅运营商在有条不紊地推进,大多数设备厂商也积极拥抱,成为网络转型的重要推动力。即将商用的5G网络就与NFV/SDN息息相关。尤其是核心网,网络架构决定网络竞争力,一旦网络确定很难调整架构。作为电信网络控制中心的核心网,在网络中是大脑,5G海量终端、超低时延和超高带宽等这些需求都需要核心网快速做出响应和处理,需要“头脑聪明”的新核心网。

因此5G网络建设需坚持网络架构一步到位,建设全新5G核心网是重塑运营商竞争力的关键。5G NSA主要满足5G初期eMBB类业务需求,具有快速体验5G业务的优势。NSA Option3沿用传统的4G核心网,软件架构层面并没有变化,可以基于传统设备升级或者新建虚拟化的4G核心网来支持NSA。SA的5GC相比于NSA EPC网络,天然基于虚拟化技术建设,通过引入MANO、切片/子切片管理功能等,满足切片按需定制、快速生成、动态释放等特性,能更好地满足差异化垂直行业需求。

5G引入服务化架构是全新的技术创新,在业务层面进行了彻底的开放和解耦,是一次自顶向下的全开放架构。这种架构非常有利于运营商快速部署丰富多变的业务,并通过细粒度的服务实现按需编排和升级,满足网络长期演进的需求。

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