移動(dòng)通信核心網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究

段宜賓 邵佳

(廣東省新一代通信與網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院,廣東廣州 510700)

0 引言

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是為移動(dòng)用戶提供通信服務(wù)的網(wǎng)絡(luò),是當(dāng)代通信網(wǎng)尤其是運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)主要由三部分組成:接入網(wǎng),承載網(wǎng)和核心網(wǎng),其中核心網(wǎng)是為移動(dòng)用戶提供接入,移動(dòng)性管理及用戶面數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。本文主要介紹了移動(dòng)通信核心網(wǎng)近年來的主要應(yīng)用技術(shù),對其特點(diǎn)及應(yīng)用場景進(jìn)行了論述,并且展望了核心網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)未來可能的發(fā)展方向。

1 核心網(wǎng)概述

核心網(wǎng)在移動(dòng)通信網(wǎng)中所處位置如圖1所示。從提供的功能角度來看,核心網(wǎng)就是為移動(dòng)用戶提供通話與數(shù)據(jù)上網(wǎng)業(yè)務(wù)的接續(xù)、計(jì)費(fèi)、移動(dòng)性管理、數(shù)據(jù)路由交換及其他附加功能的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體單元。核心網(wǎng)從最初的固話交換網(wǎng)絡(luò),經(jīng)歷了MSC/MGW(2G)、UMTS(3G)、EPC(4G)、5GC(5G)的發(fā)展,架構(gòu)不斷演進(jìn),功能不斷增強(qiáng),應(yīng)用技術(shù)不斷發(fā)展,為移動(dòng)用戶提供了廣覆蓋、高速率及可靠的通話及數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖1 核心網(wǎng)在移動(dòng)通信網(wǎng)中所處位置示意Fig.1 Illustration of the location of the core network in the mobile communication network

2 核心網(wǎng)主要應(yīng)用技術(shù)

核心網(wǎng)近年來不斷發(fā)展演進(jìn)。在架構(gòu)方面,主要運(yùn)用了虛擬化平臺(tái)及服務(wù)化架構(gòu)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行架構(gòu)改造;在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方面,應(yīng)用了網(wǎng)元功能融合,網(wǎng)絡(luò)切片及網(wǎng)絡(luò)能力開放等技術(shù)進(jìn)行服務(wù)升級;而在用戶轉(zhuǎn)發(fā)面部分,則應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)加速技術(shù)極大提升了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力。

2.1 虛擬化技術(shù)

虛擬化,全稱網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV,Network Function Virtualization),是指采用虛擬化技術(shù),基于X86等通用硬件實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能節(jié)點(diǎn)的軟件化,最初的時(shí)候是IT(Information Technology)行業(yè)的概念,隨著IT和CT(Communication Technology)不斷融合,虛擬化技術(shù)也開始進(jìn)入傳統(tǒng)通信行業(yè)。

運(yùn)用虛擬化技術(shù)可將核心網(wǎng)網(wǎng)元功能與硬件資源解耦,實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)功能軟件化和硬件資源通用化,并為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商節(jié)省成本[1]。在設(shè)備升級時(shí)不需要替換整套硬件設(shè)備,同時(shí)網(wǎng)絡(luò)接口部分通用化,簡化組網(wǎng)和運(yùn)維的復(fù)雜度。虛擬化后的核心網(wǎng)還可具備彈性伸縮,遷移/自愈等附加特性,能夠應(yīng)對突發(fā)業(yè)務(wù)流量并提升資源的使用效率。此外,虛擬化后的網(wǎng)元可以部署在私有云或公有云上,不必依賴特定的平臺(tái)資源提供方,降低了部署應(yīng)用的門檻。而對于核心網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)商來說,需要在虛擬機(jī),容器等環(huán)境下開發(fā)核心網(wǎng)的系統(tǒng)軟件功能,通過虛擬化管理平臺(tái)部署運(yùn)行。

2.2 服務(wù)化架構(gòu)

4G之前的核心網(wǎng),傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟硬件綁定,網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間流程,架構(gòu)固定化,無法滿足網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商等快速部署及海量連接的需求。從5G開始,以運(yùn)營商為主導(dǎo),3GPP對5G核心網(wǎng)(5GC)進(jìn)行了重構(gòu)定義,以網(wǎng)絡(luò)功能(NF,Network Function)方式重新定義了網(wǎng)絡(luò)實(shí)體,各NF對外以獨(dú)立的功能提供服務(wù)并可實(shí)現(xiàn)共享,基于標(biāo)準(zhǔn)的接口以服務(wù)化的形式自由組合,從而實(shí)現(xiàn)從固化網(wǎng)絡(luò)向基于服務(wù)的靈活網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變。3GPP提出的核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)[2]如圖2所示。

圖2 5G核心網(wǎng)服務(wù)化架構(gòu)Fig.2 Service-oriented Architecture of 5GC

核心網(wǎng)的服務(wù)化架構(gòu)設(shè)計(jì),參考了IT領(lǐng)域的微服務(wù)架構(gòu)[3],5GC各NF服務(wù)之間的信令,采用的是IT領(lǐng)域通用的http2協(xié)議。5GC新引入的NRF,類似于微服務(wù)架構(gòu)中的注冊中心,用于提供NF的服務(wù)注冊管理,以及服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制等功能。核心網(wǎng)通過這種服務(wù)化的機(jī)制可實(shí)現(xiàn)NF服務(wù)的云化部署和功能的快速靈活上線。

2.3 網(wǎng)元功能融合

在運(yùn)營商現(xiàn)網(wǎng)中,除了已經(jīng)退網(wǎng)的1G,2/3/4/5G網(wǎng)絡(luò)均保有一定的用戶量,尤其是4/5G網(wǎng)絡(luò),在現(xiàn)階段以及未來較長一段時(shí)間都將保持共存。在4G網(wǎng)絡(luò)之前,核心網(wǎng)網(wǎng)元軟硬件綁定,進(jìn)行升級換代往往意味著需要將現(xiàn)網(wǎng)的設(shè)備整體替換或者在上一代設(shè)備之外部署新設(shè)備,建設(shè)成本高,網(wǎng)絡(luò)部署代價(jià)大。而在4G核心網(wǎng)發(fā)展后期,尤其是5G架構(gòu)重定義后,核心網(wǎng)加速向網(wǎng)元功能虛擬化,服務(wù)化方向發(fā)展,核心網(wǎng)融合多網(wǎng)元功能的技術(shù)也得到了發(fā)展。

融合核心網(wǎng),可以支持通過統(tǒng)一的鑒權(quán)和接口,將多種接入方式(包括2/3/4/5G,NSA/SA)融合到一張網(wǎng)絡(luò)處理。融合核心網(wǎng)可以簡化網(wǎng)絡(luò),為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商減少建設(shè)及運(yùn)維成本,并為用戶提供無縫的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。在融合核心網(wǎng)的設(shè)計(jì)開發(fā)中,多采用先將網(wǎng)元功能分類,再將同類網(wǎng)元功能合并的方式進(jìn)行。比如將核心網(wǎng)控制面會(huì)話管理功能分為4G的PGW-C/SGW-C以及5G的SMF,將PGW-C/SGW-C與SMF進(jìn)行合一,合一后的PGW-C/SGW-C/SMF融合網(wǎng)元支持4G及5G NSA/SA的會(huì)話管理功能,區(qū)分接入類型進(jìn)行不同信令流程的處理。

2.4 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

移動(dòng)通信的服務(wù)是多樣化的,包括移動(dòng)通話、用戶上網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、VR/AR、工業(yè)互聯(lián)服務(wù)等。多種類型的服務(wù)對核心網(wǎng)的服務(wù)要求是不一樣的,比如,VR/AR要求超高帶寬,但是對超低時(shí)延無特別要求,而工業(yè)互聯(lián)則要求超低時(shí)延,但是對帶寬要求一般。雖然核心網(wǎng)支持用戶,承載及應(yīng)用級的QoS策略控制,但是如此多樣化的業(yè)務(wù)如果通過同一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行承載,尤其是在存在突發(fā)用戶接入和網(wǎng)絡(luò)流量場景下,服務(wù)質(zhì)量還是無法得到保障。

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù),網(wǎng)絡(luò)切片是指將物理網(wǎng)絡(luò)通過虛擬化技術(shù)分割為多個(gè)相互獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò),每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)被稱為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片,每個(gè)切片中的網(wǎng)絡(luò)功能,通過動(dòng)態(tài)的編排,形成一個(gè)完整的核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實(shí)例,該實(shí)例在邏輯功能上對應(yīng)一張傳統(tǒng)核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。如圖3所示,核心網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)例可以作為共享切片為不同虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù),也可作為獨(dú)享切片為指定虛擬網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。5G核心網(wǎng)支持通過UDM(Unified Data Management)網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)體為用戶簽約不同切片,同時(shí)支持通過NSSF(Network Slice Selection Function)網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)體智能選擇切片,通過切片選擇,可以滿足不同業(yè)務(wù)應(yīng)用對于網(wǎng)絡(luò)資源的使用要求,從而保證服務(wù)質(zhì)量。

圖3 核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片示意圖Fig.3 Schematic diagram of core network slicing

2.5 網(wǎng)絡(luò)能力開放

網(wǎng)絡(luò)能力開放是從4G核心網(wǎng)開始提出的,指的是核心網(wǎng)和第三方應(yīng)用之間相互開放能力,包括網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力、網(wǎng)絡(luò)控制能力、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)及管理能力、網(wǎng)絡(luò)安全能力等[4]。在5G核心網(wǎng)中,通過NEF(Network Exposure Function)及PCF(Policy and Charging Function)與外部應(yīng)用功能AF(Application Function)交互信息和轉(zhuǎn)換協(xié)議,根據(jù)AF的請求調(diào)用核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)資源。

一般在核心網(wǎng)的能力開放功能之上,還會(huì)設(shè)立能力開放平臺(tái),通過能力開放平臺(tái)提供的API接口,實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)與第三方應(yīng)用的交互,這樣可以讓更多的第三方應(yīng)用開發(fā)者參與進(jìn)來。通過網(wǎng)絡(luò)能力開放技術(shù),可以將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)能力及資源安全可靠的開發(fā)給第三方應(yīng)用,便于其根據(jù)各自需求設(shè)計(jì)定制化的業(yè)務(wù)應(yīng)用,有利于各行業(yè)推出新型應(yīng)用,并加速移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)建設(shè)進(jìn)程。

2.6 網(wǎng)絡(luò)加速技術(shù)

移動(dòng)通信運(yùn)營商提供的現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率增長速度越來越快,并且呈現(xiàn)加速趨勢。而核心網(wǎng)一直向著控制面和用戶面分離的方向發(fā)展,尤其到了3GPP R14(4G)階段,引入了CUPS(Control and User Plane Separation)的架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了控制面與用戶面網(wǎng)元功能的徹底分離。在分離之后,提升轉(zhuǎn)發(fā)速率,就需要相應(yīng)提升用戶面網(wǎng)元的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能,而在虛擬化技術(shù)應(yīng)用之后,用戶面網(wǎng)元會(huì)部署在通用硬件服務(wù)器之上,目前廣泛應(yīng)用的針對通用硬件服務(wù)器的加速技術(shù)主要有兩種。

DPDK(Data Plane Development Kit):DPDK是Intel推出的運(yùn)行在用戶空間上利用自身提供的數(shù)據(jù)平面庫來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包快速收發(fā)的套件[5],其繞過了虛擬化層直接調(diào)用硬件資源,并運(yùn)行在用戶態(tài)上對數(shù)據(jù)包進(jìn)行相應(yīng)處理,以提高通用服務(wù)器上的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)處理性能。DPDK主要提供了兩部分功能:底層驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)收發(fā)。在底層驅(qū)動(dòng)部分,實(shí)現(xiàn)了對多類型網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的支持,可以運(yùn)行在多種類型高性能網(wǎng)卡之上。在數(shù)據(jù)收發(fā)部分,提供了多核CPU處理框架,將邏輯CPU分為收發(fā)核與工作核,采用輪詢模式從網(wǎng)卡獲取數(shù)據(jù)包,并通過無鎖隊(duì)列傳遞處理。在整個(gè)用戶面程序運(yùn)行期間,CPU都是獨(dú)占的,不會(huì)被其他程序搶占。通過上述方式,有效減少了開銷,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的快速收發(fā)。

VPP(Vector Packet Processing):VPP是Cisco開發(fā)的一套基于DPDK實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行在用戶空間的可擴(kuò)展框架。一個(gè)應(yīng)用在VPP里以連起來的若干節(jié)點(diǎn)組成,每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)或多個(gè)功能。網(wǎng)絡(luò)幀在VPP中被儲(chǔ)存在網(wǎng)絡(luò)幀向量(Packet Vector)中,節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)處理結(jié)果來決定網(wǎng)絡(luò)幀的下一個(gè)目的地節(jié)點(diǎn)。這種處理框架充分利用了通用CPU流水的指令預(yù)取,減少了cache缺失,提高了CPU的運(yùn)行效率。同時(shí),VPP作為一個(gè)開源項(xiàng)目,還加入了常用的用戶面協(xié)議棧功能,在一定程度上彌補(bǔ)了DPDK協(xié)議棧部分的不足。

3 核心網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展方向

進(jìn)入到5G時(shí)代以后,網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長;同時(shí),隨著5G在垂直行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的鋪開,對于低時(shí)延,高可靠業(yè)務(wù)的需求也越來越明確;另外,核心網(wǎng)的部署應(yīng)用越來越多,智能運(yùn)維的需求也會(huì)隨之增長。面對這些需求,核心網(wǎng)的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展可能會(huì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方向。

3.1 用戶面硬件加速

基于通用硬件服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)加速技術(shù)將核心網(wǎng)用戶面網(wǎng)元的轉(zhuǎn)發(fā)帶寬提升到了100Gbits+,單節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延降低到了百微秒這一水平。但是,想要在指標(biāo)上繼續(xù)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級的提升還是遇到了瓶頸。

近年來出現(xiàn)了一些用戶面硬件轉(zhuǎn)發(fā)加速技術(shù),如用戶面UPF中FPGA智能網(wǎng)卡的使用,基于可編程交換機(jī)的UPF等。這些技術(shù)多基于如下思想:將核心網(wǎng)用戶面功能進(jìn)一步拆分為用戶面控制單元與轉(zhuǎn)發(fā)單元,控制單元繼續(xù)運(yùn)行在虛擬化環(huán)境上,而將轉(zhuǎn)發(fā)單元下沉到智能網(wǎng)卡FPGA或者可編程交換機(jī)的ASIC芯片中,利用硬件芯片的強(qiáng)大轉(zhuǎn)發(fā)能力,可將用戶面的轉(zhuǎn)發(fā)帶寬提升到Tbits以上,同時(shí)將時(shí)延降低到微秒以內(nèi)。目前這些技術(shù)應(yīng)用大多處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段,尚未規(guī)模商用,隨著技術(shù)的不斷成熟,將會(huì)有較大發(fā)展。

3.2 確定性網(wǎng)絡(luò)

在5G垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)中,確定性的傳輸數(shù)據(jù)是關(guān)鍵要求之一,而時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)是滿足該要求的重要技術(shù)。3GPP R16版本已經(jīng)提出TSN與5G融合的技術(shù)思路,將5G系統(tǒng)作為TSN中的網(wǎng)橋部署在TSN網(wǎng)絡(luò)中。5G系統(tǒng)網(wǎng)橋由核心網(wǎng)UPF/NW-TT側(cè)的TSN端口、UPF和UE之間的用戶面隧道以及UE/DS-TT側(cè)的TSN端口組成。

為了支持TSN融合技術(shù),核心網(wǎng)需要支持時(shí)鐘同步以及TSN的確定性傳輸[6]。在時(shí)鐘同步方面,UPF需要通過NW-TT傳遞TSN時(shí)鐘信息,支持gPTP協(xié)議處理,同時(shí)需要支持5G系統(tǒng)內(nèi)的時(shí)鐘同步并進(jìn)行報(bào)文的時(shí)延補(bǔ)償?shù)取Ｔ诖_定性傳輸方面,需要UPF通過NW-TT支持IEEE802.1 Qbv,IEEE802.1 QCI等協(xié)議的流量調(diào)度和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,同時(shí)需要核心網(wǎng)SMF、PCF、AF、UPF以及5G系統(tǒng)外的TSN控制器共同配合以支持TSN端口的配置與管理等。

目前TSN與5G融合的技術(shù)主要體現(xiàn)在協(xié)議框架層面,尚未有具體的技術(shù)應(yīng)用,核心網(wǎng)側(cè)NW-TT的技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線,極有可能是通過將硬件芯片集成在UPF內(nèi),或是通過UPF與外置的支持TSN交換機(jī)配合的方式來實(shí)現(xiàn)。

3.3 智能運(yùn)維

進(jìn)入到5G時(shí)代以后,核心網(wǎng)不斷新建/擴(kuò)容,如果沿用傳統(tǒng)運(yùn)維模式由人工進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、開通設(shè)備,存在效率低且容易出錯(cuò)的問題。同時(shí),核心網(wǎng)是一張高度融合的網(wǎng)絡(luò),承載著多設(shè)備連接和高并發(fā)業(yè)務(wù),出現(xiàn)問題如果僅依靠人工處理,很難快速定位收斂,其影響范圍不可預(yù)估。

近年來,隨著AI、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、NFV等領(lǐng)域的技術(shù)積累,核心網(wǎng)運(yùn)維智能化已有初步應(yīng)用,可能是未來的發(fā)展方向之一。智能運(yùn)維系統(tǒng)可體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)構(gòu)建與配置:通過用戶選擇必須的信息,如設(shè)備ID、容量、業(yè)務(wù)場景、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)參數(shù)等,由系統(tǒng)完成核心網(wǎng)功能的實(shí)例化、網(wǎng)絡(luò)平面構(gòu)建、配置參數(shù)生成與下發(fā)及設(shè)備開通等。

故障自動(dòng)診斷與恢復(fù):先期由人工預(yù)設(shè)故障診斷模板,系統(tǒng)上線后由AI和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際參數(shù)生成具體規(guī)則并更新到知識(shí)庫中。當(dāng)實(shí)際發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)根據(jù)知識(shí)庫進(jìn)行診斷,給出告警并執(zhí)行預(yù)定的操作。此外,系統(tǒng)還應(yīng)根據(jù)每次執(zhí)行效果進(jìn)行自我更新與完善。

網(wǎng)絡(luò)可視化:系統(tǒng)通過學(xué)習(xí)與運(yùn)算,將核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒘髁控?fù)荷、運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時(shí)展現(xiàn)出來,并可通過統(tǒng)一的操作接口進(jìn)行人工查詢與干預(yù)。

4 結(jié)語

核心網(wǎng)作為移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分,為移動(dòng)通信業(yè)務(wù)提供基本的交換和傳輸服務(wù)。隨著用戶需求的不斷提升以及新技術(shù)的應(yīng)用,核心網(wǎng)的架構(gòu)從最初的專用CT網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為CT/IT融合,朝著虛擬化、服務(wù)化、功能融合化等方向發(fā)展,旨在為越來越多的移動(dòng)用戶、企業(yè)用戶、物聯(lián)網(wǎng)用戶等提供更加靈活可控的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。核心網(wǎng)的用戶面,經(jīng)歷了從最初使用專用硬件,到轉(zhuǎn)向擁抱通用處理器與網(wǎng)絡(luò)加速技術(shù)結(jié)合的虛擬化平臺(tái),再到投入通用處理器與可編程芯片結(jié)合的發(fā)展方向的轉(zhuǎn)變,旨在為用戶提供更高帶寬、更低時(shí)延及更高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)。本文介紹了核心網(wǎng)近年來主要的應(yīng)用技術(shù),分析論述了各類技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用場景,最后對核心網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)幾個(gè)可能的發(fā)展方向作出了展望。希望通過本文的研究與總結(jié),能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考與幫助。