【摘要】新業務對5G網絡建設和運營提出了新的要求，因此結合業務愿景，分析EPC核心網架構存在的局限和NGC網絡關鍵技術選擇，給出NGC網絡階段部署計劃和三級DC網絡組織，通過云化的網絡架構演進，實現敏捷部署、彈性伸縮、智能開放的5G核心網架構。
【關鍵詞】EPC NGC NFV 網絡切片 數據中心
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000 中圖分類號：TN929.531 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010(2018)01-0000-00
引用格式：徐大偉,何力毅,周新榮. 核心網從EPC向NGC的演進[J]. 移動通信, 2017,42(1): 00-00.
Core Network Evolution Deployment from EPC to NGC
XU Dawei, HE Liyi, ZHOU Xinrong
(China Information Technology Designing & Consulting Institute Co., Ltd., Shanghai 200050, China)
[Abstract] Businesses and technologies promote the evolution of core network architecture. According to business visions, this paper analyzes the limitation of EPC network architecture and the choice of key technologies of NGC network firstly, then presents NGC network stage deployment plan and three level DC network organization.The evolution of cloud-based network achieves NGC architecture with agile deployment, flexible scalability and smart capability.
[Key words] Evolved Packet Core Next Generation Core Network Function Virtualization network slicing data center
1 引言
未來5G將會催生4k/8k、VR/AR、全息通信、V2X、網聯無人機、遠程醫療、智慧產業、萬物互聯等應用，推動社會發生深刻變革，使社會各個領域更加高效運轉，提升用戶體驗與生活質量。新業務對5G網絡建設和運營提出了新的要求：大帶寬、低時延、本地化的傳輸能力，大連接、多場景、彈性高效的網絡能力，快速、低成本的建設運營能力。而現有傳統移動網絡所承載的業務相對單一，核心網設備軟硬件耦合度高，網元功能固化，開發周期長、代價大，且功能定制繁瑣，無法滿足新一代網絡架構彈性、敏捷、智能、開放的特點。復雜固化的網絡架構也導致了復雜的業務上線流程，加劇業務部署的難度，延長運營商的業務開通和創新周期。
下文將從運營商現有EPC網絡架構分析入手，結合5G標準研究與NFV技術應用現狀，研究核心網網絡的演進部署方案，支持核心網的敏捷部署、迭代開發和智能開放。
2 核心網架構現狀
2.1 EPC架構現狀
傳統EPC網絡架構如圖1所示，主要網元包括MME、S-GW、P-GW和HSS，實際組網中，S-GW和P-GW可以合設。MME是EPS移動性管理和會話管理的信令處理實體；SGW是一個終止于E-UTRAN接口的業務網關，對每一個與EPS相關的UE，在一個時間點上都有一個SGW為之服務；PGW是面向PDN終結于SGi接口的網關，如果UE訪問多個PDN，UE將對應一個或多個PGW；HSS是用于存儲用戶簽約信息的數據庫。
在EPC架構中，SGSN功能分裂成MME和S-GW，MME專注于控制面功能，通過與HSS的交互完成用戶的接入控制，并負責S-GW與基站之間的路由協商；S-GW專注于數據面處理，包括GTP的封裝、解封裝、上下行GTP數據報文的轉發等。數據從終端用戶到達P-GW，通過GTP隧道的方式逐段從基站送到P-GW，S-GW和P-GW上保留了GTP隧道的建立、刪除、更新等GTP控制功能。
圖1 傳統EPC網絡架構圖
2.2 EPC架構局限分析
傳統EPC核心網控制面與數據面分離不徹底，且數據面功能過于集中，EPC網絡架構存在如表1所示局限，難以滿足5G業務的需求：
表1 EPC架構局限分析
針對傳統EPC核心網面臨的問題，未來5G網絡為了能夠更好地適應網絡數據流量的激增，核心網架構需要支持本地分流、控制面與數據面分離、控制面集中化、以及基于通用硬件平臺實現軟硬件解耦等，從而具備靈活性和可擴展性。
3 5G核心網架構演進
5G網絡通過光纖般的接入速率、“零”時延和高可靠、千億設備的連接能力、多樣化場景的一致體驗、超百倍的能效提升，實現“信息隨心至，萬物觸手及”。與4G相比，5G具有更強性能：體驗速率更快（4G×100）、連接數密度更高（4G×10）、空口時延更低（4G×0.2）；5G具有更多場景：增強移動寬帶場景eMBB（增強/虛擬現實、云端機器人……）、低功耗廣覆蓋場景mMTC（海量物聯網、智慧城市……）、低時延高可靠場景uRLLC（車聯網、網聯無人機……），5G網絡構成全新一代基礎設施，打造跨行業融合新生態，打造萬物互聯的新世界。
業務愿景、SDN/NFV技術驅動5G系統架構研究項目關注的熱點技術方向包括：1）網絡切片、2）QoS、3）移動性管理、4）會話管理、5）用戶面和會話連續性、6）新型接口、7）互通和演進、8）融合接入等。業務需求和5G技術關聯如圖2所示：
圖2 業務需求與5G技術關聯示意圖
借鑒IT領域的“微服務”設計理念，3GPP SA2工作組提出基于服務的系統架構SBA（Service-based architecture），如圖3所示，將網絡功能定義為多個相對獨立可被靈活調用的服務模塊：統一數據庫UDM、認證服務器功能AUSF、接入及移動性管理功能AMF、會話管理功能SMF、用戶面功能UPF、能力開放功能NEF和功能注冊NRF。
5G SBA架構進行控制面重構，重新定義控制面網絡功能，實現網絡功能去耦合，使得功能可靈活組合，并能獨自演進和更新；采用服務化接口，可被多個網絡功能對端復用調用，提高接口實現效率。
圖3 基于服務的5G系統架構圖
相比EPC架構，NGC將以徹底云化的網絡架構為基礎，實現網元微模塊化、原子化，按需靈活組合上線；實現網絡切片，各垂直行業應用的網絡邏輯隔離；C/U徹底分離，C面模塊化設計靈活組合，U面按需分布，利于計算邊緣化；構建DC部署的云化基礎設施。
4 5G核心網演進部署
根據5G標準、產業鏈成熟程度，運營商可于2018年至2019年進行5G網絡試點、試商用，2020年起考慮商用部署。NFV技術是5G核心網基礎，5G網絡部署時間倒逼NFV盡快商用，而NFV部署是一個漸進的過程，可以從控制到轉發、從增量到存量、從核心到邊緣、網絡節點DC化等原則有序推進核心網虛擬化。
如圖4所示，5G網絡將構建以三級DC基礎架構的云化網絡，一級DC部署服務全國、大區或全省的業務、控制面網元；二級DC部署服務本地網的業務、控制面及部分用戶面網；三級DC部署接入層以及邊緣計算類網元。云資源池中硬件采用通用硬件服務器，以x86架構為主，ARM架構為輔，存儲從集中存儲逐步向服務器存儲過渡；虛擬層VIM以Openstack為主，Hypervisor以KVM為主，后續可向容器類中間件演進。
圖4 三級DC云化網絡示意圖
DC內組網采用Spine/Leaf的分層架構，如圖5所示，接入交換機負責各種物理資源連接，按管理/存儲/業務三個平面進行物理隔離，并分別成對配置；核心交換機負責轉發DC內部的東西向流量；邊界設備（Border leaf）負責對外業務出口，成對配置；如果資源池服務器/存儲數量較少，可不部署接入層交換機，邊界設備與核心交換機合設。
圖5 DC內部組網示意圖
初期，不同的DC之間如有互通需要，主要通過已有承載網互通；后期，城域承載網絡和骨干承載網絡分別實現融合，最終DC間通信逐步融合為目標云承載網。
5G建設初期，NGC在熱點區域部署，和EPC之間通過Nx接口進行互操作：
（1）基于NFV平臺，引入NGC；
（2）HSS和UDM全融合，實現統一數據管理；
（3）EPC和NGC共UP，控制面通過Nx接口傳遞UE上下文；
（4）隨著傳統EPC設備老舊退網，逐步向NGC遷移。
中后期，核心網逐步實現云化，EPC逐步融合演進，實現統一核心網：
（1）NFV云化三層解耦，全網統一管理編排；
（2）隨著傳統EPC設備老舊退網，逐步向NGC遷移，支持EPC與NGC融合組網；
（3）支持3GPP和Non-3GPP多種接入方式；
（4）支持端到端的網絡切片。
5 總結與展望
本文首先分析EPC核心網架構存在的局限和NGC網絡關鍵技術需求，結合NFV技術提出三級DC云化網絡架構和NGC網絡階段部署計劃。在后期的運營商NGC網絡試點、試商用部署中，會進一步深入研究VNF需求模型、DC間網絡組織和NFV電信級可靠性等問題。
參考文獻：
[1] IMT-2020(5G)推進組. 5G愿景與需求白皮書[S]. 2014.
[2] 楊峰義. 5G網絡架構[M]. 北京: 電子工業出版社, 2017.
[3] IMT-2020(5G)推進組. 5G概念白皮書[S]. .2015.
[4] IMT-2020(5G)推進組. 低時延高可靠通信場景、需求及性能指標研究報告[R]. 2014.
[5] 熊偉. EPC核心網接口帶寬流量的規劃設計[J]. 移動通信, 2015,39(2): 17-20.
[6] 薛淼,符剛,朱斌,等. 基于SDN/NFV的核心網演進關鍵技術研究[J]. 郵電設計技術, 2014(3): 16-22.
[7] 苗杰. 移動核心網虛擬化影響和演進分析[J]. 郵電設計技術, 2015(2): 33-36.
[8] 曹亙,李佳俊,李軼群,等. 5G網絡架構的標準研究進展[J]. 移動通信, 2017,41(2): 32-37.
[9] 于建偉,張保華,于娟娟,等. 面向5G的NFV核心網演進方案研究[J]. 電信工程技術與標準化, 2017,30(1): 42-47.
[10] 李平,王雪,于大吉. 5G網絡演進方案及運營思路探討[J]. 郵電設計技術, 2017(3): 5-9.
[11] 楊旭. EPC向5G核心網架構演進探討[C]//面向5G的LTE網絡創新研討會(2017)論文集. 2017: 5.
作者簡介
徐大偉：高級工程師，現任職于中訊郵電咨詢設計院有限公司上海分公司，從事核心網絡相關咨詢、設計工作。
何力毅：高級工程師，現任職于中訊郵電咨詢設計院有限公司上海分公司，從事核心網絡相關咨詢、設計工作。
周新榮：高級工程師，現任職于中訊郵電咨詢設計院有限公司上海分公司，從事核心網絡相關咨詢、設計工作。
