移動通信核心網應用技術研究

段宜賓 邵佳

(廣東省新一代通信與網絡創(chuàng)新研究院,廣東廣州 510700)

0 引言

移動通信網絡是為移動用戶提供通信服務的網絡,是當代通信網尤其是運營商網絡的主要組成部分。移動通信網絡主要由三部分組成:接入網,承載網和核心網,其中核心網是為移動用戶提供接入,移動性管理及用戶面數(shù)據(jù)傳輸服務的網絡。本文主要介紹了移動通信核心網近年來的主要應用技術,對其特點及應用場景進行了論述,并且展望了核心網應用技術未來可能的發(fā)展方向。

1 核心網概述

核心網在移動通信網中所處位置如圖1所示。從提供的功能角度來看,核心網就是為移動用戶提供通話與數(shù)據(jù)上網業(yè)務的接續(xù)、計費、移動性管理、數(shù)據(jù)路由交換及其他附加功能的網絡實體單元。核心網從最初的固話交換網絡,經歷了MSC/MGW(2G)、UMTS(3G)、EPC(4G)、5GC(5G)的發(fā)展,架構不斷演進,功能不斷增強,應用技術不斷發(fā)展,為移動用戶提供了廣覆蓋、高速率及可靠的通話及數(shù)據(jù)服務。

圖1 核心網在移動通信網中所處位置示意Fig.1 Illustration of the location of the core network in the mobile communication network

2 核心網主要應用技術

核心網近年來不斷發(fā)展演進。在架構方面,主要運用了虛擬化平臺及服務化架構相關技術進行架構改造;在網絡服務方面,應用了網元功能融合,網絡切片及網絡能力開放等技術進行服務升級;而在用戶轉發(fā)面部分,則應用了網絡加速技術極大提升了數(shù)據(jù)轉發(fā)能力。

2.1 虛擬化技術

虛擬化,全稱網絡功能虛擬化(NFV,Network Function Virtualization),是指采用虛擬化技術,基于X86等通用硬件實現(xiàn)業(yè)務功能節(jié)點的軟件化,最初的時候是IT(Information Technology)行業(yè)的概念,隨著IT和CT(Communication Technology)不斷融合,虛擬化技術也開始進入傳統(tǒng)通信行業(yè)。

運用虛擬化技術可將核心網網元功能與硬件資源解耦,實現(xiàn)核心網功能軟件化和硬件資源通用化,并為移動網絡運營商節(jié)省成本[1]。在設備升級時不需要替換整套硬件設備,同時網絡接口部分通用化,簡化組網和運維的復雜度。虛擬化后的核心網還可具備彈性伸縮,遷移/自愈等附加特性,能夠應對突發(fā)業(yè)務流量并提升資源的使用效率。此外,虛擬化后的網元可以部署在私有云或公有云上,不必依賴特定的平臺資源提供方,降低了部署應用的門檻。而對于核心網產品開發(fā)商來說,需要在虛擬機,容器等環(huán)境下開發(fā)核心網的系統(tǒng)軟件功能,通過虛擬化管理平臺部署運行。

2.2 服務化架構

4G之前的核心網,傳統(tǒng)網絡軟硬件綁定,網絡實體間流程,架構固定化,無法滿足網絡運營商等快速部署及海量連接的需求。從5G開始,以運營商為主導,3GPP對5G核心網(5GC)進行了重構定義,以網絡功能(NF,Network Function)方式重新定義了網絡實體,各NF對外以獨立的功能提供服務并可實現(xiàn)共享,基于標準的接口以服務化的形式自由組合,從而實現(xiàn)從固化網絡向基于服務的靈活網絡轉變。3GPP提出的核心網服務化架構[2]如圖2所示。

圖2 5G核心網服務化架構Fig.2 Service-oriented Architecture of 5GC

核心網的服務化架構設計,參考了IT領域的微服務架構[3],5GC各NF服務之間的信令,采用的是IT領域通用的http2協(xié)議。5GC新引入的NRF,類似于微服務架構中的注冊中心,用于提供NF的服務注冊管理,以及服務發(fā)現(xiàn)機制等功能。核心網通過這種服務化的機制可實現(xiàn)NF服務的云化部署和功能的快速靈活上線。

2.3 網元功能融合

在運營商現(xiàn)網中,除了已經退網的1G,2/3/4/5G網絡均保有一定的用戶量,尤其是4/5G網絡,在現(xiàn)階段以及未來較長一段時間都將保持共存。在4G網絡之前,核心網網元軟硬件綁定,進行升級換代往往意味著需要將現(xiàn)網的設備整體替換或者在上一代設備之外部署新設備,建設成本高,網絡部署代價大。而在4G核心網發(fā)展后期,尤其是5G架構重定義后,核心網加速向網元功能虛擬化,服務化方向發(fā)展,核心網融合多網元功能的技術也得到了發(fā)展。

融合核心網,可以支持通過統(tǒng)一的鑒權和接口,將多種接入方式(包括2/3/4/5G,NSA/SA)融合到一張網絡處理。融合核心網可以簡化網絡,為網絡運營商減少建設及運維成本,并為用戶提供無縫的業(yè)務體驗。在融合核心網的設計開發(fā)中,多采用先將網元功能分類,再將同類網元功能合并的方式進行。比如將核心網控制面會話管理功能分為4G的PGW-C/SGW-C以及5G的SMF,將PGW-C/SGW-C與SMF進行合一,合一后的PGW-C/SGW-C/SMF融合網元支持4G及5G NSA/SA的會話管理功能,區(qū)分接入類型進行不同信令流程的處理。

2.4 網絡切片技術

移動通信的服務是多樣化的,包括移動通話、用戶上網、物聯(lián)網、VR/AR、工業(yè)互聯(lián)服務等。多種類型的服務對核心網的服務要求是不一樣的,比如,VR/AR要求超高帶寬,但是對超低時延無特別要求,而工業(yè)互聯(lián)則要求超低時延,但是對帶寬要求一般。雖然核心網支持用戶,承載及應用級的QoS策略控制,但是如此多樣化的業(yè)務如果通過同一網絡進行承載,尤其是在存在突發(fā)用戶接入和網絡流量場景下,服務質量還是無法得到保障。

網絡切片技術是5G網絡的關鍵技術,網絡切片是指將物理網絡通過虛擬化技術分割為多個相互獨立的虛擬網絡,每個虛擬網絡被稱為一個網絡切片,每個切片中的網絡功能,通過動態(tài)的編排,形成一個完整的核心網網絡服務實例,該實例在邏輯功能上對應一張傳統(tǒng)核心網網絡。如圖3所示,核心網中的網絡功能實例可以作為共享切片為不同虛擬網絡服務,也可作為獨享切片為指定虛擬網絡服務。5G核心網支持通過UDM(Unified Data Management)網絡功能實體為用戶簽約不同切片,同時支持通過NSSF(Network Slice Selection Function)網絡功能實體智能選擇切片,通過切片選擇,可以滿足不同業(yè)務應用對于網絡資源的使用要求,從而保證服務質量。

圖3 核心網網絡切片示意圖Fig.3 Schematic diagram of core network slicing

2.5 網絡能力開放

網絡能力開放是從4G核心網開始提出的,指的是核心網和第三方應用之間相互開放能力,包括網絡基礎能力、網絡控制能力、網絡服務及管理能力、網絡安全能力等[4]。在5G核心網中,通過NEF(Network Exposure Function)及PCF(Policy and Charging Function)與外部應用功能AF(Application Function)交互信息和轉換協(xié)議,根據(jù)AF的請求調用核心網的網絡資源。

一般在核心網的能力開放功能之上,還會設立能力開放平臺,通過能力開放平臺提供的API接口,實現(xiàn)核心網與第三方應用的交互,這樣可以讓更多的第三方應用開發(fā)者參與進來。通過網絡能力開放技術,可以將移動網絡運營商的網絡能力及資源安全可靠的開發(fā)給第三方應用,便于其根據(jù)各自需求設計定制化的業(yè)務應用,有利于各行業(yè)推出新型應用,并加速移動通信網絡的生態(tài)建設進程。

2.6 網絡加速技術

移動通信運營商提供的現(xiàn)網數(shù)據(jù)業(yè)務速率增長速度越來越快,并且呈現(xiàn)加速趨勢。而核心網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,實現(xiàn)了控制面與用戶面網元功能的徹底分離。在分離之后,提升轉發(fā)速率,就需要相應提升用戶面網元的數(shù)據(jù)轉發(fā)性能,而在虛擬化技術應用之后,用戶面網元會部署在通用硬件服務器之上,目前廣泛應用的針對通用硬件服務器的加速技術主要有兩種。

DPDK(Data Plane Development Kit):DPDK是Intel推出的運行在用戶空間上利用自身提供的數(shù)據(jù)平面庫來實現(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用硬件資源,并運行在用戶態(tài)上對數(shù)據(jù)包進行相應處理,以提高通用服務器上的報文轉發(fā)處理性能。DPDK主要提供了兩部分功能:底層驅動和數(shù)據(jù)收發(fā)。在底層驅動部分,實現(xiàn)了對多類型網卡驅動的支持,可以運行在多種類型高性能網卡之上。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,采用輪詢模式從網卡獲取數(shù)據(jù)包,并通過無鎖隊列傳遞處理。在整個用戶面程序運行期間,CPU都是獨占的,不會被其他程序搶占。通過上述方式,有效減少了開銷,實現(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實現(xiàn)的運行在用戶空間的可擴展框架。一個應用在VPP里以連起來的若干節(jié)點組成,每個節(jié)點包含一個或多個功能。網絡幀在VPP中被儲存在網絡幀向量(Packet Vector)中,節(jié)點會根據(jù)處理結果來決定網絡幀的下一個目的地節(jié)點。這種處理框架充分利用了通用CPU流水的指令預取,減少了cache缺失,提高了CPU的運行效率。同時,VPP作為一個開源項目,還加入了常用的用戶面協(xié)議棧功能,在一定程度上彌補了DPDK協(xié)議棧部分的不足。

3 核心網應用技術發(fā)展方向

進入到5G時代以后,網絡帶寬的需求將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長;同時,隨著5G在垂直行業(yè)領域應用的鋪開,對于低時延,高可靠業(yè)務的需求也越來越明確;另外,核心網的部署應用越來越多,智能運維的需求也會隨之增長。面對這些需求,核心網的應用技術發(fā)展可能會體現(xiàn)在以下幾個方向。

3.1 用戶面硬件加速

基于通用硬件服務器的網絡加速技術將核心網用戶面網元的轉發(fā)帶寬提升到了100Gbits+,單節(jié)點轉發(fā)時延降低到了百微秒這一水平。但是,想要在指標上繼續(xù)實現(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發(fā)加速技術,如用戶面UPF中FPGA智能網卡的使用,基于可編程交換機的UPF等。這些技術多基于如下思想:將核心網用戶面功能進一步拆分為用戶面控制單元與轉發(fā)單元,控制單元繼續(xù)運行在虛擬化環(huán)境上,而將轉發(fā)單元下沉到智能網卡FPGA或者可編程交換機的ASIC芯片中,利用硬件芯片的強大轉發(fā)能力,可將用戶面的轉發(fā)帶寬提升到Tbits以上,同時將時延降低到微秒以內。目前這些技術應用大多處于實驗室驗證階段,尚未規(guī)模商用,隨著技術的不斷成熟,將會有較大發(fā)展。

3.2 確定性網絡

在5G垂直行業(yè)的業(yè)務中,確定性的傳輸數(shù)據(jù)是關鍵要求之一,而時間敏感網絡(TSN)是滿足該要求的重要技術。3GPP R16版本已經提出TSN與5G融合的技術思路,將5G系統(tǒng)作為TSN中的網橋部署在TSN網絡中。5G系統(tǒng)網橋由核心網UPF/NW-TT側的TSN端口、UPF和UE之間的用戶面隧道以及UE/DS-TT側的TSN端口組成。

為了支持TSN融合技術,核心網需要支持時鐘同步以及TSN的確定性傳輸[6]。在時鐘同步方面,UPF需要通過NW-TT傳遞TSN時鐘信息,支持gPTP協(xié)議處理,同時需要支持5G系統(tǒng)內的時鐘同步并進行報文的時延補償?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)議的流量調度和轉發(fā)機制,同時需要核心網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融合的技術主要體現(xiàn)在協(xié)議框架層面,尚未有具體的技術應用,核心網側NW-TT的技術實現(xiàn)路線,極有可能是通過將硬件芯片集成在UPF內,或是通過UPF與外置的支持TSN交換機配合的方式來實現(xiàn)。

3.3 智能運維

進入到5G時代以后,核心網不斷新建/擴容,如果沿用傳統(tǒng)運維模式由人工進行網絡設計、規(guī)劃、開通設備,存在效率低且容易出錯的問題。同時,核心網是一張高度融合的網絡,承載著多設備連接和高并發(fā)業(yè)務,出現(xiàn)問題如果僅依靠人工處理,很難快速定位收斂,其影響范圍不可預估。

近年來,隨著AI、大數(shù)據(jù)、云計算、NFV等領域的技術積累,核心網運維智能化已有初步應用,可能是未來的發(fā)展方向之一。智能運維系統(tǒng)可體現(xiàn)在如下幾個方面。

網絡自動構建與配置:通過用戶選擇必須的信息,如設備ID、容量、業(yè)務場景、網絡基礎參數(shù)等,由系統(tǒng)完成核心網功能的實例化、網絡平面構建、配置參數(shù)生成與下發(fā)及設備開通等。

故障自動診斷與恢復:先期由人工預設故障診斷模板,系統(tǒng)上線后由AI和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)根據(jù)網絡實際參數(shù)生成具體規(guī)則并更新到知識庫中。當實際發(fā)生故障時,系統(tǒng)根據(jù)知識庫進行診斷,給出告警并執(zhí)行預定的操作。此外,系統(tǒng)還應根據(jù)每次執(zhí)行效果進行自我更新與完善。

網絡可視化:系統(tǒng)通過學習與運算,將核心網的網絡拓撲、流量負荷、運行狀態(tài)等實時展現(xiàn)出來,并可通過統(tǒng)一的操作接口進行人工查詢與干預。

4 結語

核心網作為移動通信網絡中的重要組成部分,為移動通信業(yè)務提供基本的交換和傳輸服務。隨著用戶需求的不斷提升以及新技術的應用,核心網的架構從最初的專用CT網絡發(fā)展為CT/IT融合,朝著虛擬化、服務化、功能融合化等方向發(fā)展,旨在為越來越多的移動用戶、企業(yè)用戶、物聯(lián)網用戶等提供更加靈活可控的網絡服務。核心網的用戶面,經歷了從最初使用專用硬件,到轉向擁抱通用處理器與網絡加速技術結合的虛擬化平臺,再到投入通用處理器與可編程芯片結合的發(fā)展方向的轉變,旨在為用戶提供更高帶寬、更低時延及更高質量的網絡傳輸服務。本文介紹了核心網近年來主要的應用技術,分析論述了各類技術的特點及應用場景,最后對核心網應用技術幾個可能的發(fā)展方向作出了展望。希望通過本文的研究與總結,能夠為相關領域的研究人員提供參考與幫助。