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核心网架构 | 带你读《5G时代的承载网》之十三

简介: 对 5G 核心网进行了颠覆性的设计,通过基于服务的架构、网络切片、C/U 分离等,结合云化技术,实现网络的定制化、开放化、服务化,支持大流量、 大连接和低时延的万物互联需求。

第 3 章 5G 网络架构

| 3.3 无线接入网架构 |

| 3.4 核心网架构 |

对 5G 核心网进行了颠覆性的设计,通过基于服务的架构、网络切片、C/U 分离等,结合云化技术,实现网络的定制化、开放化、服务化,支持大流量、 大连接和低时延的万物互联需求。

3.4.1 基于服务的核心网架构

为了满足 5G 万物互联的需求,对于核心网而言,基于传统 CT 思维的设计 模式显然已经不足以面向未来。因此,5G 以软件服务重构核心网,借鉴了 IT 业界成熟的 SOA、微服务架构等理念,结合电信网络的现状、特点和发展趋势, 形成服务化架构(SBA,Service Based Architecture),实现核心网软件化、 灵活化、开放化和智能化。3GPP 定义的基于服务化架构的 5G 核心网如图 3-18 所示。
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SBA 设计将现在的网元按照功能的维度进行解耦,形成独立的、模块化的 功能,然后再通过服务化的方式,在统一的框架中将业务按需组织起来,敏捷 地支持多种接入方式和多种业务的需求,而且每个功能可以独立迭代更新,以 快速满足新的业务需求。
在该架构中,参照应用程序编程接口(API,Application Programming Interface)的设计思路,5G 核心网被封装为“黑盒子”,以屏蔽网络内部的工 作细节,只保留对外的特定数据访问和存储的接口。相应地,我们定义新网元 NEF 和 NRF。
网络开放功能(NEF,Network Exposure Function)单元,为诸如第三 方应用、边缘计算等提供了发现 3GPP 网络服务和能力的途径。当其他应用接 入时,NEF 对其进行鉴权、授权和流量控制。
NF 存 储 功 能(NRF,NF Repository Function) 单 元, 作 用 类 似 于 HSS,但 HSS 存储的是用户信息,而 NRF 存储的是网络功能信息。它接收 NF 实例的请求,告知其当前网络中哪些服务可用,并支持 NF 实例对特定服务 的调用。
最后,我们定义一系列的服务化接口,包括 Nnef、Nnrf、Npcf 等,这些 接口均以 Nx 命名,x 对应着相应的网元名称。
服务化架构使 5G 实现了网络功能的即插即用,网络变得非常敏捷,且能够 快速部署满足客户业务需要的功能。5G 核心网服务化架构四大特征如图 3-19 所示。
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1.传统网元拆分
伴随着虚拟化技术运用于电信领域,传统意义上的核心网网元实现了软硬 件解耦,软件部分被称为网络功能(NF,Network Function)。3GPP 定义的服务化结构将一个网络功能进一步拆分成若干个自包含、自管理、可重用的网 络功能服务(NF Service),这些网络功能相互之间解耦,具备独立升级、独 立弹性的能力,具备标准接口与其他网络功能服务互通,并且可通过编排工具 根据不同的需求进行编排和实例化部署。这种网元拆分与我们经常谈论的云原 生或微服务架构有着相似的理念,而 3GPP 进行了标准化定义,并为每个 5G 网络功能定义了一组具备对外互通标准接口的网络功能服务。
2.网络功能服务自动化管理
网络功能被拆分成多个网络功能服务后,维护工程师会从面对几个网元改 变为面对几十个网络功能服务,如果仍然依靠传统核心网的手工维护方式,那 么对维护工程师而言无异于一场灾难。因此,5G 核心网的网络功能服务需要能 够做到自动化管理,NRF 就是这样的一个网络功能。NRF 支持的几个主要功 能如下。
(1)网络功能服务的自动注册、更新或去注册。每个网络功能服务在上电 时会自动向 NRF 注册本服务的 IP 地址、域名、支持的能力等相关信息,在信 息变更后自动同步到 NRF,在下电时向 NRF 进行去注册。NRF 需要维护整个 网络内所有网络功能服务的实时信息,类似一个网络功能服务实时仓库。
(2)网络功能服务的自动发现和选择。在 5G 核心网中,每个网络功能服 务都会通过 NRF 来寻找合适的对端服务,而不是依赖于本地配置方式固化通信 对端。NRF 会根据当前信息向请求者返回对应的响应者网络功能服务列表,供 请求者进行选择。这种方式一定程度上类似于 DNS 机制,从而实现网络功能服 务的自动发现和选择。
(3)网络功能服务的状态检测。NRF 可以与各网络功能服务之间进行双向 定期状态检测,当某个网络功能服务异常,NRF 将异常状态通知到与其相关的 网络功能服务。
(4)网络功能服务的认证授权。NRF 作为管理类网络功能,需要考虑网络 安全机制,以防止被非法网络功能服务劫持业务。
3.网络通信路径优化
传统核心网的网元之间有着固定的通信链路和通信路径。例如,在 4G 网络 中,用户的位置信息必须从无线基站上报给 MME,然后由 MME 通过 S-GW 传递给 P-GW,最终传递给 PCRF 进行策略的更新。而在 5G 核心网服务化架 构下,各网络功能服务之间可以根据需求任意通信,极大地优化了通信路径。 同样地,以用户位置信息策略为例,PCF 可以提前订阅用户位置信息变更事件, 当 AMF 中的网络服务功能检测到用户发生位置变更时,发布用户位置信息变 更事件,PCF 可直接实时接收到该事件,无须其他网络功能服务进行中转。
4.网络功能服务间的交互解耦
传统核心网网元之间的通信遵循请求者和响应者的点对点模式,这是一种 相互耦合的传统模式。5G 核心网架构下的网络功能服务间通信机制进一步解耦 为生产者和消费者模式,生产者发布相关能力,并不关注消费者是谁,在什么 地方。消费者订阅相关能力,并不关注生产者是谁,在什么地方。这是一种从 IT 业借鉴来的通信模式,非常适用于通信双方的接口解耦。
5G 核心网的服务化架构是 5G 时代在网络架构方面的一个重大变革,具备灵 活可编排、解耦、开放等传统网络架构无法比拟的优点,是 5G 时代迅速满足垂直 行业需求的一个重要手段。核心网的“黑盒子”已经被打开,依托于服务化架构 的 5G 核心网,移动通信网络一定会在未来的万物互联之路上展现出巨大的能力。

3.4.2 5G 核心网的云化演进部署

服务化架构将网元功能拆分为细粒度的网络服务,“无缝”对接云化 NFV 平台轻量级部署单元,为差异化的业务场景提供敏捷的系统架构支持。5G 核心 网将以彻底云化的网络架构,实现网元微模块化、原子化,按需灵活组合上线。 5G 核心网对云化 NFV 平台(简称云平台)的关键需求包括如下几个方面。
(1)开放。云平台需要实现解耦部署和全网资源共享,探索标准化和开源 相结合的新型开放模式,消减网络和平台服务单厂家锁定风险,依托主流开源 项目和符合“事实标准”的服务接口来建立开放式通信基础设施新生态。
(2)可靠。电信业务对现有 IT 数据中心(DC,Data Center)和基础设施 在可靠性方面提出了更高要求,NFV 系统由服务器、存储、网络和云操作系统 多部件构成,涉及障碍节点多,潜在故障率更高,电信级“5 个 9”的可靠性需 要针对性的优化方案。
(3)高效。云平台的效能需求包括业务性能和运维弹性两个方面。业务性 能体现在云平台需要满足 5G 核心网服务化接口信令处理、边缘并发计算和大 流量转发的要求;运维弹性主要包括云平台业务快速编排,灵活跨 DC 组网和 资源动态扩缩容的能力。
(4)简约。5G 核心网的网络功能单元粒度更细,需要云平台提供更轻量化 的部署单元相匹配、实现。
(5)敏捷。快速的网络重构和切片编排,NFV 编排需要将复杂的网络应用、 容器 / 虚机、物理资源间的依赖关系、拓扑管理、完整性控制等业务过程模板化, 实现一键部署和模板可配,降低交付复杂度和运维技术门槛。
(6)智能。云平台能够从广域网络和海量数据中提取知识,智能管理面向多行业、多租户、多场景的广域分布的数据中心资源。引入人工智能辅助的主 动式预测性运营,为网络运营商和切片租户提供运维优化、流量预测、故障识 别和自动化恢复等智能增值服务。
其中,开放、可靠和高效是 5G 网络功能在云化 NFV 平台规模部署的基础 要求。因此,建议 5G 核心网云化部署采取分步推进的模式:部署初期重点考 虑满足云平台开放性、稳定性和基本业务性能要求,确定 DC 组网规划、NFV 平台选型、核心网建设等基础框架问题,促进 5G 核心网云化部署落地。待后 续云平台运行稳定后,基于 NFV 灵活扩展和快速迭代的特征,可按照不同业务 场景的高阶功能要求,逐步进行有针对性的优化和完善。
5G 核心网部署可采用 “中心—边缘”两级数据中心的组网方案。在实际 部署中,不同的运营商可根据自身网络基础、数据中心规划等因素灵活分解为 多层次分布式组网形态。
端到端云化组网参考架构如图 3-20 所示。
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中心级数据中心一般部署于大区或省会中心城市,主要用于承载全网集中 部署的网络功能,如网管 / 运营系统、业务与资源编排、全局 SDN 控制器,以 及核心网控制面网元和骨干出口网关等。控制面集中部署的好处在于可以将大 量跨区域的信令交互变成数据中心内部流量,优化信令处理时延;虚拟化控制面网元集中统一控制,能够灵活调度和规划网络;根据业务的变化,按需快速 扩缩网元和资源,提高网络的业务响应速度。
边缘级数据中心一般部署于地市级汇聚和接入局点,主要用于地市级业务 数据流卸载的功能,如 UL-CL UPF、4G GW-U、边缘计算平台和特定业务 切片的接入和移动性功能。用户数据边缘卸载的好处在于可以大幅降低时延敏 感类业务的传输时延,优化传输网络负载。通过分布式网元的部署方式,将网 络故障范围控制在最小。此外,通过本地业务数据分流,可以将数据分发控制 在指定区域内,满足特定场景的安全性需求。
在虚拟化层方面,针对移动核心网业务,运营商可采用统一的 NFV 基础设 施平台向下收敛通用硬件,支持软硬件解耦或 NFV 系统三层解耦能力。运营商 对云平台的核心价值关切在于高可用性、高可靠、低时延、大带宽。
在数据中心组网方面,通过两级数据中心节点的 SDN 控制器联动提供跨 DC 组网功能,提高 5G 核心网切片端到端自动化部署和灵活的拓扑编排管理能 力;数据中心内部组网可采用两层架构 + 交换机集群(TOR/EOR)模式,减 少中间层次,提高组网效率和端口利用率;或选择 Leaf—Spine 水平扩展模式, 实现 Leaf 和 Spine 全互联、多 Spine 水平扩展,处理东西向流量;在满足电信 虚拟化网络功能(VNF)性能的条件下,通过 Overaly 网络虚拟化实现大二层, 利用 SDN 技术,增强按需调度和分配网络资源的能力。
完成数据中心组网和云平台部署后,可根据运营商的运营策略和发展要求 启动移动核心网云化部署工作,为 5G 的整体商用提供核心网业务能力。5G 阶 段,移动核心网云化部署可能的任务包括以下几个方面。
(1) 4G 核心网(EPC)功能升级:支持非独立部署(NSA)EPC 功能和 网关控制承载分离(CUPS)功能。
(2) EPC 功能虚拟化:对 4G 核心网网元进行虚拟化改造。
(3)分布式云网建设:包括分布式数据中心组网、云化 NFV 平台建设、 NFVO 建设与网管对接,以及容器部署等。
(4) 5G 核心网(5GC)建设:完成 5G 核心网功能开发,支持服务化架构、 网络切片、边缘计算、语音等业务能力。
(5) 5GC部署配套建设:基于HTTP的信令网建设优化,4G/5G设备合设、 混合组池和互操作,以及业管、网管和计费配套支持等。
(6)以 EPC 功能升级支持 5G 基站非独立组网(Option3)和虚拟化改造 为起点触发 5G 全网云化部署是一种基于演进思路的选项,这是出于保护现有 投资和维持移动宽带业务延续性的考虑,同时也因为 vEPC 已有部署和商用经 验,有利于促进云网一体化建设,快速达成云化运营的目标,同时为 5GC 新功能部署和配套建设奠定基础。
运营商也可以选择直接部署支持 5G 基站独立组网(Option2)的 5GC。直 接部署 5GC 可以在一定规模上快速满足 5G 三大场景对网络的创新要求,第一 时间把握 5G 新型业务的发展机遇。然而,5GC 部署涉及服务化架构、网络切片、 容器等全新技术,而且 5G 核心网必须实现与传统网络的共存,满足网络平滑 升级和业务连续性要求,因此、建议运营商在规划时提前考虑,充分开展技术 试验验证,推进关键技术和部署方案成熟。
5G 窗口期内的移动核心网云化部署需要综合考虑多业务场景和多系统共存 演进的问题。利用云化 NFV 平台快速业务上线、灵活功能迭代的特性,分步骤、 同步性地平滑实现核心网过渡、共存、互操作和融合,达成 4G/5G 核心网一体 化、智能化运营的目标:
第 1 阶段,概念验证阶段。运营商可同步推进 EPC 升级和 5GC 部署概念 验证。EPC 侧重验证 NSA 和 CUPS 升级功能,以及 NFV 平台解耦方案;5GC 重点验证新功能特性和接口协议等。同时,基于对EPC和5GC验证结果的评估, 确定云平台选型方案。
第 2 阶段,组网验证阶段。重点完成试验网验证,并向规模组网平滑升 级。EPC 可先启动面向规模组网的 NSA 和 CUPS 功能升级,实现网络功能云 化,承接 eMBB 业务。5GC 在试验网阶段,重点开展不同应用场景下架构、功 能和性能验证,以及 MME 和 AMF 间 N26 接口互操作功能验证。同步启动 5G HTTP 信令网方案论证和组网建设。
第3阶段,4G/5G核心网融合阶段。随着5G应用的涌现和5GC的试验成熟, 可以启动 5GC 规模组网,引导 eMBB 业务向 5G 核心网分流,鼓励垂直行业尝 试切片部署,支持 4G/5G 互操作和语音业务,验证 EPC/5GC、物理 / 虚拟化 设备的混合组池和功能合设方案,提供无缝的业务连续性和运营一致性。
未来,智能化运营阶段。基于云端 4G/5G 融合核心网构建全新运营生态。 基础设施层面实现基于服务粒度灵活编排、以容器为单位的敏捷部署能力,构 建 NFV 统一平台生态;网络业务层面围绕网络切片为不同行业需求定制功能增 强的业务专网,实现大数据 / 人工智能驱动的智能运营,构建 5G 应用创新生态。

查看下一节:| 3.5 5G 组网部署策略 |

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