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深度解析5G核心網建設難點和挑戰

2019-10-15 09:10 通信世界全媒體

導讀:目前核心網處于架構轉型和業務轉型的關鍵期。在架構層面,NFV、CU分離、邊緣計算等技術的成熟推動核心網絡架構轉型,控制面進一步集中,轉發面進一步下沉。

目前核心網處于架構轉型和業務轉型的關鍵期。在架構層面,NFV、CU分離、邊緣計算等技術的成熟推動核心網絡架構轉型,控制面進一步集中,轉發面進一步下沉。在業務層面,2G/3G業務量迅速下降,4G流量、VoLTE、物聯網用戶數快速增長,在5G逐步商用的背景下,面向5G商用需求,需結合商用時間點、各省各地區5G業務場景需求、標準技術成熟度、設備成熟度等多個因素考慮5G核心網建設和演進策略。

5G核心網建設難點和挑戰

5G時代即將到來,它將對人們使用移動技術的方方面面產生巨大影響。5G的速度更快、時延更低,從理論上講,在從智能手機到自動駕駛汽車等各個領域,5G網絡都會開辟新應用場景。不過如此復雜的5G網絡,在建設上面臨著很多難題和挑戰。

多網絡、多業務接入融合的挑戰

移動通信系統從第一代到第五代,經歷了迅猛的發展,現實網絡逐步形成了包含多種無線制式的復雜現狀,多種接入技術長期共存成為突出特征,同一運營商擁有包括2G/3G/4G/5G以及WLAN網絡在內的多張不同制式網絡的狀況將長期存在。如何高效地運行和維護多張不同制式的網絡,提高競爭力,不斷減少運維成本和實現節能減排是每個運營商都要面臨和解決的問題。面向2020年及未來,移動互聯網和物聯網業務將成為移動通信發展的主要驅動力。如何實現多接入網絡的高效動態管理與協調,同時滿足5G的技術指標及應用場景需求是5G多網絡、多業務融合的主要技術挑戰。4G向5G網絡演進接入網結構變化如圖1所示。

深度解析5G核心網建設難點和挑戰

圖1 4G向5G網絡演進接入網結構變化

CU(Centralized Unit,集中單元):原BBU的非實時部分將分割出來,重新定義為CU,負責處理非實時協議和服務。DU(Distribute Unit,分布單元):BBU的剩余功能重新定義為DU,負責處理物理層協議和實時服務。

網絡虛擬化(云化)帶來的規劃和運維挑戰

5G網絡全面虛擬化(云化),在帶來功能靈活性的同時,也帶來很多技術和工程難題。首先網絡虛擬化使跨層故障定界定位和后期升級過程更加復雜而低效;其次邊緣計算的引入使網元數目倍增,也會導致建設和維護工作量成倍增加;最后,微服務化,用戶更多的定制業務給業務編排能力提出了極高的要求。

回顧網絡功能虛擬化NFV(Network Function Virtualization)的歷史實踐,目前NFV轉型并未完全達到產業的期望。面向5G演進,運營商網絡仍然面臨三大挑戰:一是新業務上線慢,以網元為單位大顆粒整包交付導致開發周期長,測試工作量大,升級影響大,軟件發布周期需要3~9個月;二是運營成本高,以網元為單位的管理,導致多網元部署、對接和運維成本高,同時5G用戶面下沉站點數量增加10倍以上,導致運維成本上升5~10倍;三是單Bit成本高,COTS硬件單Bit成本每年僅下降14%,摩爾定律失效,5G時代8倍流量增長將帶來5倍硬件和能耗增加。

應對三大挑戰,需要運營商構建極致敏捷、極簡運營和極致效能的5G極簡核心網,實現業務實時敏捷,網絡自治和單Bit成本超越摩爾定律。業界廠家也統一共識,針對上述需求,極力做到如下三點:一是極致敏捷,基于微服務的軟件架構,軟件從以網元為單位的大顆粒交付轉變為微服務粒度發布、測試和升級,實現業務實時敏捷,快速上線,軟件發布周期從半年縮短到一個月以內,升級從百萬用戶受影響到用戶無感知,業務無中斷;二是極簡運營,運維從以網元為中心轉變為以網絡為中心,實現網絡自治,同時,一站式用戶面大幅降低配套成本,并通過統一運維,實現用戶面即插即用、加站不加人;三是極致效能,通過異構硬件綜合加速使得轉發效率提升50%以上,單Bit成本超越摩爾定律。

5G核心網與4G核心網有很密切的關系,部分網元要融合建設,形成4G/5G統一的控制面和用戶面錨點,以提升用戶體驗,簡化網絡部署,降低成本。最近幾年,核心網已經開啟虛擬化(云化)改造和建設工作,如虛擬化EPC(Evolved Packet Core)、虛擬化IMS等,國際領先運營商從2016年開始進行虛擬化的規模商用部署,國內起步稍晚,但進展十分迅速,虛擬化IMS已開始商用,虛擬化EPC也在試點過程中。到今年年底,三大運營商的網絡虛擬化進程都會有大的階段性成果。從核心網NFV技術路線看,先從IMS控制面開始,2019年將逐步實現EPC網絡的虛擬化。另外,電信云統一資源池的建設正提上日程,為后續5G規模建設奠定基礎。5G時代,虛擬化是必備的基礎技術,5G核心網就是虛擬化的核心網,這已經成為行業的廣泛共識。

5G核心網絡架構的挑戰

5G多網絡融合架構中將包括2G/3G/4G/5G和WLAN等多個無線接入網和核心網。如何進行高效的架構設計,如核心網和接入網錨點的選擇,同時兼顧網絡改造升級的復雜度、對現網的影響等都是網絡架構研究需要解決的問題。

5G組網可支持SA和NSA兩種方式,無論最終國內運營商采用何種網絡架構,5G商用的步伐都不會放緩,建設和投資規模也不會縮水。但為了搶占5G先發市場,NSA或將成為部分運營商的先期建網選擇,如圖2所示。SA指的是新建5G網絡,包括新基站、回程鏈路以及核心網。NSA非獨立組網指的是使用現有的4G基礎設施,進行5G網絡的部署,基于NSA架構的5G載波僅承載用戶數據,其控制信令仍通過4G網絡傳輸。

運營商可根據業務需求確定升級站點和區域,不一定需要完整的連片覆蓋,借助目前成熟的4G網絡擴大5G覆蓋范圍。由于手機終端發射功率有限,所以5G網絡的覆蓋范圍主要受限于上行,那么通過與4G聯合組網的方式(NSA)可以實現5G單站覆蓋范圍的擴大,但由于NSA無需建設5G新核心網,且NSA需借助4G無線空口(NSA無線錨點在4G),現有的4G核心網架構和4G空口卻不容易滿足5G對于時延和傳輸可靠性的要求。

5G建設初期如果采用NSA架構,4G網絡與5G網絡緊耦合,將帶來站址約束、互操作配置復雜等問題,后續向SA演進還需多次網絡大規模調整。

深度解析5G核心網建設難點和挑戰

圖2 4G向5G網絡演進核心網絡結構技術路線圖

Option3:EPC+eNB(主)/gNB的方式組網,網絡先演進無線接入網,核心網使用LTE的,場景以eNB為主基站,控制面信令由eNB轉發,LTE eNB和NR gNB采用雙連接的形式為用戶提供高傳輸數據速率服務,可以有效降低初期的部署成本,主要是前期部署在熱點區域,增加系統吞吐量。

Option4:NGC+eNB/gNB(主)的方式組網,同時引入NGC和GNB,與LTE采取兼容的方式部署,核心網采用5G NGC,eNB和gNB都連接至NGC,基站以gNB為主,同樣是采用雙連接的方式為用戶提供高速率數據業務服務,LTE網絡負責保證覆蓋,5G系統負責提高熱點地區的數據吞吐量。

Option7:NGC+eNB(主)/gNB的組網方式,此種方式中雖然完整部署了5G NGC和gNB,但數量較少,仍以LTE中的eNB為主,控制面信令都由eNB轉發,eNB和gNB采用雙連接的方式為用戶提供高數據速率服務。

為了滿足各種各樣新的服務需求,未來5G核心網架構的建設和規劃必須要解決以下幾方面問題。

一是核心網接入獨立。對于固定接入和各種各樣的無線接入,核心網應該具有匯聚功能,從而保證接入無關。保證接入無關可以降低終端接入系統的復雜性和低效性,以及減少功能冗余。

二是分布式架構。分布式架構可以提高網絡資源利用率,避免數據轉發低效率、單點失效、RTT時延長、流量超載等問題。分布式架構的引進主要用來克服傳統EPC下流量路徑低效率和單點失敗的缺陷。通過將CGWs和eUCEs放置在IP網絡的邊緣,5GC可以提供高效的流量路徑,最小化信號時延,為移動邊緣計算提供更好的支持。在傳統的異構網絡架構下,流量會被匯聚到一個錨點中,而在未來的5G分布式架構下,流量會被更靈活地進行分布式處理,這會將吞吐量提高至當前的數千倍。

三是控制平面和用戶平面完全分離。核心網絡應該通過開放式接口將數據平面和用戶平面完全分離,這樣有利于雙方各自的獨立演進和按需部署。將兩個平面完全解耦之后,數據轉發采取IP模式,控制平面功能被放置在eUCE和UCE中,用戶平面功能被放置在CGW中。用戶平面和控制平面之間采用開放接口來提供基本的可伸縮性和靈活性,有了開放式接口的支持,在此基礎上利用虛擬化技術進行網絡切片也是非常方便的。

四是輕量級的信令支持。對于IoT(Internet of Things)等服務,核心網應該支持輕量級的信令傳輸,并且簡化相關協議。在LTE中先建立承載通道再進行數據傳輸的這種基于連接的方式將不再適用于處理未來越來越多的服務場景。為了應對各種各樣新出現的使用場景,5G核心網的信令機制應該基于按需NAS的概念進行擴展。每當用戶發起一個會話,就會自動根據用戶需要使用的服務來產生一個合適的處理程序(合適的非接入層信令)。

這種機制可以增強網絡的靈活性,降低網絡的信令開銷,同時支持低時延服務。但是其實這種機制存在一種問題,現在只是能夠概括出現階段可以想象出的使用場景和服務類型,隨著未來的發展,會出現更多現在沒有預知的使用場景,這對于這種已知服務類型構造NAS信息的機制是一個很大的挑戰。

五是高效的移動性管理。高效的移動性管理會帶來更好的資源利用率。EPC下移動性管理采取的是靜態錨機制,所有的移動終端都是通過一定數量的PGW與運營商網絡相連的,當用戶移動到較遠距離的位置時,這些處于服務狀態的PGW狀態在短時間內并不會發生改變,這種機制會造成流量路徑效率低下的問題。在5G中應該基于分布式移動性管理引進動態錨機制。用戶在CGW1上建立了一個會話session1,eUCE會為其分配一個IP地址,如果用戶移動到CGW2的范圍之內,UE將會為CGW1保留這個IP地址以防用戶重新返回到session1中。但是如果用戶已經開始在CGW2上發起一個新的會話session2,UE將會被分配一個新的IP地址來改變其本地地址。

5GC中eUCE負責網關內交付,UCE負責網關間交付,eUCE會動態地將流量路徑信息發送給BS和CGW。總之,從EPC向5GC的演進,必然要完成從靜態管理到動態管理的演進。

數據分流對5G核心網切片的挑戰

5G多網絡融合中的數據分流機制要求用戶面數據能夠靈活高效地在不同接入網傳輸;最小化對各接入網絡底層傳輸的影響;需要根據部署場景和性能需求進行有效的分流層級選擇,如核心網、IP或PDCP分流等。5G網絡除了提供2C(公眾客戶)業務以外,還將要滿足2B(行業用戶)業務的需求。5G部署初期基于eMBB業務需求進行網絡部署,滿足公眾寬度數據業務需求。后期mMTC及uRLLC業務需求將主要面向垂直行業、工業控制、城市基礎設施等領域,網絡部署區域、業務感知需求都差異甚大,可能需要進行大的網絡調整或增加新的載波。

針對更加精細化的業務需求,在5G網絡建設中不得不引入網絡切片技術。作為5G中被討論最多的技術,網絡切片對于5G的意義可謂巨大。只有理解了傳統核心網的局限性,才能深刻理解網絡切片技術對于5G的必要性。

首先,隨著用戶終端數量和種類的迅速增加、流量的大規模增長、用戶需求的不斷多樣化,當前的核心網EPC這種傳統的集中式設計的網絡架構逐漸變得難以處理越來越多樣化的服務要求。其次,EPC是一種“one size fits all”的架構,這種架構是“先天不足”的。舉例說明,在EPC中,移動管理實體MME(Mobility Management Entity)的主要功能是進行終端的移動性管理,但是并非所有的用戶裝置都具有移動性,比如機器對機器(M2M)類型的傳感器之間的通信就不需要為其提供移動性支持,因為這些裝置的地理位置幾乎是不變的,而傳統核心網的架構會使得原本的很多設計在面對特定用戶群體的時候根本無任何用武之地。再次,傳統核心網上的很多的網絡元素運行于專用的硬件設備上,并且與軟件元素嚴重耦合,這非常不利于網絡可編程化。最后,由于當前移動核心網中各個部件的功能劃分并不清晰,很多用戶包在從eNodeB到SGW,再到PGW的過程中會被進行很多重復處理,包處理的流程很不簡約,因此其集中式架構和對軟硬件要求高的特點使得其部署時間長,成本也很高。

在5G時代,移動網絡服務的對象也不再是單純的移動手機終端,而是各種類型的設備,比如平板、固定傳感器、車輛等。應用場景也多樣化,比如移動寬帶、大規模互聯網、任務關鍵型互聯網等。需要滿足的要求也多樣化,比如移動性、安全性、時延性、可靠性等。這就為網絡切片提供了用武之地,通過網絡切片技術在一個獨立的物理網絡上切分出多個邏輯網絡,從而避免了為每一個服務建設一個專用的物理網絡,這是非常節省成本的,未來的網絡必須通過網絡切片技術從“one size fits all”向“one size per service”過渡。

雖說網絡切片的使用可以極大地改善網絡性能和服務質量,但是網絡切片的數量設置是一個重要的問題,不能對每個服務都設置不同的切片。切片數量太多會使得維護和管理變得困難,數量太少又可能導致一個簡單的使用案例需要用到兩個及以上的切片來達到其需求。5G切片到底能切到什么程度,目前行業尚未達成共識。

運營商目前主要有兩種選擇:一是基于目前的套餐模式,推出企業可選的網絡服務;二是像企業網市場一樣,推出端到端的定制化網絡切片。這里面的矛盾在于,簡單切片依舊會帶來網絡浪費,且很難滿足千行萬業的垂直需求。而過分精細的切片網絡,會帶來定制化成本和運營成本的激增。更現實的模式,很可能是運營商提供基礎的專網切片,然后行業代理和解決方案提供商再進行進一步的定制化服務,來滿足具體的企業網絡需求。而這也就意味著眾多新的產業鏈將要在5G產業大背景下被創造出來,垂直行業的網絡與技術整合型服務商,可能成為5G下一個新商業風口。同時,切片網絡模式還帶來了運營和管理方面的挑戰。企業如何運維自己購買的切片網絡,如何處理網絡與云計算、IT系統間的關系,這或許也將帶來新的市場動力,需要一些全新角色或者服務去填補這些空白。

無論是傳統企業應用5G切片,還是5G切片背景下出現的新行業,今天大多還都處在行業設想當中,必須有人去推動這些設想的落地,一步步驅動5G走向廣泛的行業市場。在面對業務分流挑戰時,網絡切片面臨如下難點。

網絡切片結構:雖然標準很好地定義了8個應用場景系列,但仍存在很多尚未分類的場景,因此在性能評估標準方面的切片劃分的粒度如何確定仍然是一個需要解決的問題。

網絡切片選擇:一個用戶可能會使用一個或者多個切片,如何選擇合適的切片也是一個基本的問題。

網絡切片轉換:漫游場景下,本地網絡切片不能支持用戶接入網絡,就會造成用戶網絡中斷,一個可能的解決方案是將用戶轉換到默認切片下,但是在切片轉換過程中如何保持IP會話的連通性、偵測轉換時機的任務應該交給用戶終端還是交給網絡,這都是尚待解決的問題。

用戶狀態維持:用戶的狀態信息可能會在多個切片中傳遞,如何管理用戶狀態也是一個關鍵問題。

新功能的確定:為了支持一些如無人駕駛等的新式服務,當前的EPC功能可能并不能夠滿足,因此需要定義新的功能以及涉及的消息格式和處理程序。

核心網的改造和重構

如果說5G拉開了運營商數字化轉型的大幕,那對網絡端的改造無疑是最為重要的部分。不管是OTT挑戰、拓展垂直行業還是增加業務收入的壓力,基于傳統架構構建的4G EPC核心網(NSA,非獨立組網)來部署5G已無法滿足需求,具備快速定制、基于切片的運營、高度自動化的智能運維成為5G時代網絡必備的新能力。因此,以虛擬化(云化)技術為基礎,面向業務,基于SBA架構的5GC核心網(SA,獨立組網)部署5G目標網絡架構,成為全球領先運營商的戰略目標和5G商用總體需求。

核心網的改造和重構主要體現在4個方面:一是基于SDN/NFV,使能運營商網絡重構;二是采用SBA和云原生架構,使能網絡功能敏捷;三是端到端網絡切片技術,使能垂直行業發展;四是以DevOps+AI為手段構建Zero Touch運維,使能網絡運維自動化。

跟原有網絡相比,5GC新核心網建設面臨網絡部署、網絡功能、新業務開展、多制式共存四大挑戰。

針對5G,3GPP在R15規范中提出了SA和NSA架構要求,采用NSA Option 3架構部署5G,因核心網還是沿用傳統的4G EPC核心網,架構和功能并沒有太大變化,可以基于傳統EPC升級或者新建虛擬化EPC來支持NSA,雖然具備快速商用優勢,但后續向SA網絡演進存在比較大的挑戰:一是NSA會帶來較大的新增商務成本,涉及現網升級和工程改造,后續改造為SA,涉及二次改造成本;二是先NSA后升級到SA會面臨終端切換難、改造難兩大挑戰。

隨著商用時間的逼近,5G網絡已經到了發展的關鍵時期,中國移動提出了5G網絡架構三大設計原則,首先是從剛性到軟性,也就是從固態網絡到動態網絡,實現網絡資源虛擬化、網絡功能的解耦和服務化。其次是移動網絡IP化、互聯網化,也就是實現與IT網絡互通融合,引入互聯網技術,優化網絡設計。最后是集中化智能和分布化處理,集中化智能——功能集中化,為垂直行業提供個性化增值服務,并分布化處理——移動網絡功能靠近用戶,提高網絡吞吐量,降低時延。以SDN/NFV技術實現網絡云化,加上微服務設計,這意味著5G網絡真正走向開放化、服務化、軟件化,有利于實現5G與垂直行業融合發展。

從目前現網情況來看,最有可能的兩條演進路線如下。

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

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

NSA選用Option3x,以實現快速部署NR,5G的核心網部署之后,如果NR覆蓋好,則跳過Option7x,如果NR覆蓋不好,則使用Option7x過度,LTE繼續做錨點。

無論采用哪種方式,演進的基本思路都是以LTE為基礎,逐步引入5G RAN和NGC,部署初期以雙連接為主,LTE用于保證覆蓋和切換,熱點地區部署5G基站,提高系統的容量和吞吐率,最后逐步演進,直到全面進入5G時代。

總結

移動通信是國家關鍵網絡基礎設施,是推動國民經濟發展、提升信息化水平的重要引擎,5G的快速部署將助力工業互聯網、智能制造、現代農業、智慧城市等方面的發展進程,但5G網絡建設存在諸多困難,需要政府、運營商、通信基礎設施單位、設備制造商等多方配合,才能實現快速高效建網的目的。

應該說,以NFV/SDN技術為代表的網絡轉型,已經成為行業共識,不僅運營商在有條不紊地推進,大多數設備廠商也積極擁抱,成為網絡轉型的重要推動力。即將商用的5G網絡就與NFV/SDN息息相關。尤其是核心網,網絡架構決定網絡競爭力,一旦網絡確定很難調整架構。作為電信網絡控制中心的核心網,在網絡中是大腦,5G海量終端、超低時延和超高帶寬等這些需求都需要核心網快速做出響應和處理,需要“頭腦聰明”的新核心網。

因此5G網絡建設需堅持網絡架構一步到位,建設全新5G核心網是重塑運營商競爭力的關鍵。5G NSA主要滿足5G初期eMBB類業務需求,具有快速體驗5G業務的優勢。NSA Option3沿用傳統的4G核心網,軟件架構層面并沒有變化,可以基于傳統設備升級或者新建虛擬化的4G核心網來支持NSA。SA的5GC相比于NSA EPC網絡,天然基于虛擬化技術建設,通過引入MANO、切片/子切片管理功能等,滿足切片按需定制、快速生成、動態釋放等特性,能更好地滿足差異化垂直行業需求。

5G引入服務化架構是全新的技術創新,在業務層面進行了徹底的開放和解耦,是一次自頂向下的全開放架構。這種架構非常有利于運營商快速部署豐富多變的業務,并通過細粒度的服務實現按需編排和升級,滿足網絡長期演進的需求。


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