核心網未來網絡架構演進

王計艷，李赟，董勛，沈蕾，蟻靜緘

（中國移動通信集團設計院有限公司網絡所，北京100080）

1 蓬勃發展的業務需求

1.1 流量的爆發式增長

通過宏觀環境、行業環境以及業務需求分析，未來5年，移動數據流量仍有較大提升空間，預計2020年移動數據流量出現爆發式增長，其中移動數據流量主要承載在4G網絡，數據流量收入將成為增長核心，以某公司為例，2014-2020年，預計移動數據流量復合增長率達到75%，2020年移動數據流量將達到2014年的18倍，如圖1所示。

圖1 移動數據流量爆發式增長

1.2 業務的多樣化

網絡接入速度的提升大大催生了移動互聯網業務，未來移動視頻、在線游戲將成為移動流量占比的主要來源。未來隨著資費的下降，用戶對大流量的需求將進一步釋放，目前受限于流量資費等因素，用戶的大流量業務需求受到抑制。以某公司圣誕免流量活動為例，免流量活動高峰期間，LTE用戶對下載和流媒體資源需求飆升，視頻和下載類的流量占比翻倍，免流量過后回歸原來的流量占比情況，瀏覽類流量占比重新成為主流，如圖2所示。參考國外流量發展軌跡，預計移動數據流量結構將由現在的以下載類、網頁瀏覽類和社交類流量為主向視頻、下載流量為主轉變，未來視頻流量占比將超過50%。

圖2 視頻流量占比將提高

隨著4K視頻業務的快速發展，對帶寬的需求也不斷增長，比如1080P視頻業務的帶寬需求僅為4 Mbit/s，而4K視頻業務的帶寬需求達到了20 Mbit/s，未來虛擬現實（VR）業務的帶寬需求將達到100 Mbit/s以上。進入寬帶時代，低時延成為決定用戶體驗的關鍵指標，時延差異造成的用戶感知差異非常大，如圖3所示。

圖3 視頻業務帶寬需求越來越高

在以LTE網絡為代表的寬帶網絡和云計算的推動下，終端的互聯從個人基本需求開始，逐漸擴展至個人生活外延的方方面面，物聯網等將為移動網絡帶來大量的用戶連接。預計M2M連接數呈現指數型增長，到2020年將達到10億元規模，如圖4所示。

圖4 物聯網業務發展迅猛

物聯網由于應用場景眾多，由于涉及的產業眾多，因此在不同場景下對網絡有著不同的連接需求，因此對于運營商而言，網絡需適應多樣化、個性化、復雜通信的需求。

1.3 用戶結構的變化

隨著4G網絡的部署、VoLTE業務的商用和物聯網業務的發展，未來用戶結構將發生較大變化，未來5年2G/3G用戶將快速下降，直至下降為0；4G用戶將快速增長，5年后全部為4G用戶（終端用戶）；VoLTE用戶將平穩增長，物聯網用戶將快速發展。

1.4 對網絡能力的要求

為了滿足業務大流量、大帶寬、低時延和多樣性的要求，移動通信網均需提升網絡能力：4G無線網絡接入能力需提升10倍，單用戶帶寬由2 Mbit/s提升至10 Mbit/s，需考慮4.5G乃至5G部分技術的應用；傳送網容量提升約8倍，其中有線接入網絡接入能力需提升10倍，LTE基站帶寬提升至320 Mbit/s以上，家寬用戶帶寬提升至100 Mbit/s以上，需考慮引入更大容量的傳送網技術和設備，如400Gbit/s OTN、100 Gbit/s PTN甚至更高容量技術；CMNet容量提升約9倍，需引入更大容量的設備以及更加有效的流量疏導手段。

而對于核心網來說，由于4G用戶、VoLTE用戶和物聯網用戶與2G/3G用戶的業務模型差異較大，對網絡資源的需求差異也很大，因此核心網首先需要滿足4G用戶、VoLTE用戶、物聯網用戶的容量需求，其次是滿足用戶的數據流量增長的承載需求以及低時延要求、多樣化等性能需求。

圖5 全球廠商、運營商在2015年巴塞羅那電信博覽會上的觀點

2 熱鬧非凡的技術炒作

2015年巴塞羅那電信博覽會上，各全球廠商、運營商幾乎無一例外地把SDN（軟件定義網絡）/NFV（網絡功能虛擬化）作為未來網絡演進的主要關注點，如圖5所示。

·AT&T：發布DOMAIN2.0戰略，宣布了數字化目標，計劃到2020年底前，75%網絡設備基于云和SDN技術，目前40%的戰略性IT應用已經實現虛擬化，比使用專有硬件效率提升50%。

·Telefonica：計劃到2016年底前，30%的基于UNICA架構的新建網絡實現虛擬化。

·NTT DoCoMo：計劃2016年商用VPEC網絡。

·中國移動：已開始進行NFV和SDN技術的現網試點。

2.1 SDN

SDN是一種新型網絡創新架構，是網絡虛擬化的一種實現方式，其核心技術OpenFlow通過將網絡設備控制面與數據面分離開，從而實現了網絡流量的靈活控制，使網絡作為管道變得更加智能。

傳統IT架構中的網絡，根據業務需求部署上線以后，如果業務需求發生變動，重新修改相應網絡設備（路由器、交換機、防火墻）上的配置是一件非常繁瑣的事情。在互聯網/移動互聯網瞬息萬變的業務環境下，網絡的高穩定與高性能還不足以滿足業務需求，靈活性和敏捷性反而更為關鍵。SDN所做的事是將網絡設備上的控制權分離出來，由集中的控制器管理，無須依賴底層網絡設備（路由器、交換機、防火墻），屏蔽了來自底層網絡設備的差異。而控制權是完全開放的，用戶可以自定義任何想實現的網絡路由和傳輸規則策略，從而更加靈活和智能。

2.2 NFV

NFV通過軟硬件分離，使用x86等通用性硬件以及虛擬化技術，實現硬件資源的共享和功能軟件化，從而降低網絡昂貴的設備成本。NFV的引入，使網絡設備功能不再依賴于專用硬件，資源可以充分靈活共享，實現新業務的快速開發和部署，并基于實際業務需求進行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。

現有核心網絡采用的電信級設備硬件繁多，每類網元都有專用硬件；部署運維復雜，專用硬件要求維護人員具備專用技能，且網元的數量巨大，導致組網拓撲復雜，問題的定位和解決越來越困難。基于現有的硬件投資模式，網元的上線周期很長，通常需要以年計算，很難適應移動互聯網業務快速而多樣化的需求。現有設備均采用專用的硬件和同廠商專用軟件，系統封閉，第三方業務引入難度很大，業務創新困難。

NFV的引入實現軟硬件解耦，硬件的通用化對網絡架構和網元布局將產生較大影響，使得按專業獨立配置資源轉變為統一配置、按需分配硬件資源，將有效提升核心網絡的業務上線速度，并通過硬件資源的共享，提升設備利用率，有效降低投資。

NFV標準進展情況是需求和架構基本穩定，接口未完全確定，SDN已進入商用部署期。

NFV/SDN技術可簡化業務的部署，加快業務上線速度，實現硬件的統一管理、資源共享，網絡資源的靈活調度，對運營商的價值如圖6所示。

圖6 NFV/SDN對運營商的價值

圖7 5G網絡切片示意

2.3 5G

在未來的5G系統中，網絡將被進一步抽象為一片片的網絡切片，可以非常靈活地根據用戶需求進行資源分配和資源再分配。這種連接服務通過許多定制軟件實現的功能定義，這些軟件功能包括地理覆蓋區域、持續時間、容量、速度、時延、可靠性、安全性和可用性等。5G網絡有眾多核心技術，其中之一就是SDN和NFV。

5G將是實現按需接入、按需分配網絡資源，滿足萬物互聯不同需求的目標架構網絡，如圖7所示。

3 波瀾不驚的穩定架構

3.1 核心網網絡架構現狀

從網元架構來看，核心網目前的設備采用高性能的專用設備，網元功能與硬件板卡均由設備廠商集成，不同的功能采用不同類型板卡，軟件功能與硬件板卡相輔相成，穩定性高、效率高，有效保障了高安全、高可靠性等電信級要求。

從核心網各域的結構和功能來看，經過一年多的改造，目前核心網CS（circuit switch，電路交換）、PS（packet switch，分組交換）、IMS（IP multimedia core network subsystem，IP多媒體子系統）、信令網各域已基本完成了VoLTE改造工作，也按需求部署了智能管道的策略，現有網絡已支持VoLTE功能以及智能管道等功能。VoLTE業務部署初期，因考慮到2G/3G與VoLTE的互通、CSFB（circuit switched fallback，電路域回落）等問題，核心網各域流程交互復雜，接口繁多，但核心網自身網絡架構已基本穩定，如圖8所示。

圖8 核心網結構現狀示意

圖9 核心網與其他系統組網架構

圖10 核心網容量擴容滿足需求

從與其他系統的組網架構看，目前核心網和其他系統如PTN、IP承載網、CMNet、傳送網協同建設，除省內內容資源網（CDN/cache）在進行規劃建設階段外，其他架構基本穩定，如圖9所示。

3.2 傳統核心網網絡架構擴容

3.2.1 核心網的容量需求

針對4G數據業務、物聯網和VoLTE的業務發展，核心網容量按需擴容滿足需求，同時考慮老舊設備退網以及VoLTE業務的災備方案提升，如圖10所示。

3.2.2 核心網的數據流量承載需求

影響核心網配置的參數是單用戶帶寬和總帶寬（吞吐量）。根據預測，4G數據流量增長約18倍，單用戶DOU（discharge of usage，每客戶月均流量消費額）增長10倍，若假定忙時集中系數不發生太大變化，單用戶帶寬約增長10倍。

·對于單用戶帶寬：一般在采購設備（即集采）時的模型已考慮流量影響，保障購買的設備能滿足單用戶帶寬的需求，目前以某省為例，單用戶帶寬為6～7 kbit/s，但目前集采要求30 kbit/s，大大超出現網的單用戶帶寬，因此，核心網配置僅需考慮PDP（packet data protocol，分組數據協議）激活數的需求。

·預計規劃期末單用戶帶寬增長至60 kbit/s，經調研，主要廠商的處理能力均可在30 kbit/s的基礎上提升2～3倍，可滿足單用戶帶寬的需求。

·總帶寬需求增長：按PDP激活數的需求配置設備的規模，因要求的設備單用戶帶寬會比預測單用戶帶寬大，因此，總的設備吞吐量可以滿足總帶寬的需求。

核心網設備可通過單點升級和擴容提升設備能力，滿足大流量需求。根據調研，升級/引入的新設備能力可達現有能力的2～3倍，如圖11所示。

圖11 主流廠商核心網設備能力提升情況

圖12 現有SAE-GW部署架構示意

因此，核心網可以通過新設備的引入和擴容，解決流量增長的需求。

3.2.3 核心網網絡架構演進需求

從話務量上來看，CS域業務量將逐步減少，未來CS域除了考慮關口局與MGCF（media gateway control function，媒體關口局控制功能）融合之外，將不再繼續擴容，因此CS架構已經穩定，部署方式維持現有架構不會改變。

從數據流量來看，目前有8個省的GGSN/SAE-GW（gateway GPRS support node/system architecture evolutiongateway）部署在區域中心，其他各省的GGSN/SAE-GW均部署在省中心。從流量流向來看，因現有內容源位置相對集中（省級IDC、第三方出口、CMNet國干），各地市流量經層層匯聚送至省中心/區域中心，核心網采用相對集中的設置方式（如圖12所示）優點如下：

·可提升SAE-GW設備利用率，節省機房、動力等配套資源；

·SAE-GW、內容源、IMS核心網和業務平臺均集中設置，路由高效，節省CMNet和IP專網資源。

其缺點如下：

·本地呼叫需經過省/區域中心，占用省干PTN（packet transport network，分組傳送網），VoLTE話務存在路由迂回，產生時延，但VoLTE語音業務不到數據業務的5%，影響較小；

·PTN調度復雜，SAE-GW需要同時接入本地PTN和省干PTN。

隨著P2P、M2M應用的增長，流量將顯著增加，同時視頻業務、在線手游、網上購物、網頁下載加速等業務對用戶體驗的要求越來越高。為了盡可能地將流量在Gi口疏通，避免對承載網、傳送網的壓力，同時為了減少承載網的時延，提高用戶體驗，各省CDN（邊緣節點）根據內容源引入策略和核心網EPC部署的情況，下沉到區域中心甚至進一步下沉到本地。經估算，若內容源靠近Gi側部署，用戶訪問的內容源在CDN命中的情況下，可減少60%的傳輸時延，大大提升用戶體驗，如圖13所示。

綜上，為了進一步滿足時延和帶寬需求，SAE-GW部署方式需要與省內CDN協同組網，建議采用以下步驟進行，如圖14所示。

第一階段，對于已經部署在區域中心的SAE-GW根據業務量分布情況，初期可考慮將省內CDN部署在Gi口側，靠近核心網，減少流量迂回，減少承載網和傳送網壓力；對于部署在省中心的SAE-GW，若近期不考慮CDN的下沉，可維持現有結構。

圖13 視頻和瀏覽業務時延分析

圖14 SAE-GW下沉的步驟

第二階段，根據業務需求調整CDN的部署，對于流量較大的本地，可考慮CDN下沉的本地網，同時考慮SAE-GW/SBC的下沉，但需要綜合機房動力、傳輸等配套條件，慎重進行。

根據以上分析，得出如下結論：

·現有核心網通過擴容、提升設備能力/引入新設備，可滿足用戶、流量增長的需求；

·考慮到提高網絡疏通效率和降低時延，需結合CDN的建設策略考慮SAE-GW/SBC的下沉，需要調整SAE-GW/SBC部署架構，對網絡組織結構進行微調；

·由于網元結構本身的限制（軟硬件不分離，資源無法靈活調配，PCC架構的限制），現有架構無法滿足網絡靈活調度、業務多樣性的需求，無法滿足未來萬物互聯，連接多樣化、個性化、復雜通信的需求。

4 雖痛猶進的演進變革

4.1 NFV/SDN不是滿足業務增長的必選之路

傳統網元和現有網絡架構可以滿足未來5年甚至更長時間的業務需求，NFV/SDN并不是滿足業務增長的必選之路，且由于NFV/SDN技術本身還處于研究、完善和驗證之中，特別是NFV使網元架構變化較大，是IT產品替代CT產品的變革，需要對設備（集成方案、成熟度、性能）、產業鏈、運營、網管等諸多方面進行重構，難度很大。

4.2 NFV/SDN是未來網絡演進的方向

雖然NFV/SDN并不是滿足業務增長的必選之路，但從運營商長遠發展來看，現有的設備/網絡架構雖然穩定但不夠靈活，無法根據需求定制化網絡功能，只能通過疊加PCC（policy control and charging，策略控制和計費）、增強SAE-GW功能，甚至在Gi口后部署一系列增值業務來滿足具體的業務需求，通過疊加運營平臺和增值平臺來協助制定策略，但需求是多變的，現有架構復雜固定，并不能滿足未來業務多樣化、運營商對資源靈活配置的需求，若要向前發展，實現智能網絡，靈活配置，5G將是網絡發展目標，而NFV/SDN則是關鍵技術和基礎之一。只有網元功能虛擬化才能實現資源的統一調配、功能的定制化和靈活配置，只有網絡部署了SDN，才可以真正做到靈活定義網絡連接，優化網絡路由，從而才可能實現網絡切片，按需分配資源。因此，雖然NFV/SDN對網絡影響巨大，技術不甚成熟，但引入NFV/SDN將是大勢所趨，是未來網絡演進的方向。

5 結束語

未來是繼續使用傳統網絡設備和架構，依靠緩慢疊加功能的方式來滿足爆炸式發展的業務需求，還是積極試點新技術，用IT的思路重構CT網絡？這是一個痛苦的決策，正如韋樂平教授所述，網絡架構的變化最重要的就是從垂直架構向水平架構的轉變，這是根本性的轉變，是網絡的重構，是IT和CT的深度融合，其難度巨大，是一場關乎工程師甚至是“一把手”的深度變革，通過本文的分析，在網絡建設和演進過程中有如下建議供參考。

·引入NFV/SDN并不影響現有網絡部署架構，現有網絡結構（包括與其他系統的組網方式）可維持基本不變，必要時考慮SAE-GW與CDN協同組網策略。

·充分驗證NFV技術，驗證網元功能、集成策略、組網方式等。

·深度試點NFV技術，參考VoLTE試點的進度，必要時可考慮長時間試點，根據成熟度和改造難度選擇試點網元，逐步擴大試點，并考慮資源池的建設等。

·做好長期戰斗準備，慎重考慮現網部署、NFV引入的時間點、傳統設備擴容和NFV設備建設的關系。未來網絡將長時間維持現有網絡架構，后續3～4年在控制面引入NFV網元，考慮控制面網元的云化部署，媒體面將長期維持現有組網架構，支持媒體面云化。