核心网引入云计算技术研究

（中国移动通信集团设计院有限公司安徽分公司, 合肥 230041）

1 概述

当前，核心网的发展和建设存在两个特点，一方面运营商采用集中化方式建设核心网，通过集中化建设、集中化运维管理实现低成本高效运营。另一方面，现网主流厂家的核心网设备，逐步由CPCI平台向基于x86架构的ATCA和BC平台演进。在此基础上部署云技术，动态调度计算资源则是提高资源利用率，降低建维成本的重要举措。

本文主要针对目前尚未有成熟标准和产品的核心网领域引入云计算的必要性、可行性、引入策略和步骤进行了分析和研究，目的是为了在运营商在未来的建设和采购过程中，推动核心网厂家产品朝着IT化、虚拟化和云化的目标逐步发展，最终达到建设一张低成本、高效率运行的优质网络。

2 云计算技术

云计算是一种利用大规模低成本运算单元通过IP网络相连而组成的运算系统，以提供各种计算和存储服务。

就目前云计算技术发展来看，其关键技术可分为以下几类：

服务器虚拟化：计算机的虚拟化使单个计算机看起来像多个计算机或完全不同的计算，从而提高资源利用率并降低IT成本。

x86服务器集群：由低成本、通用化的x86组成的服务器集群已经在高性能计算中占据主流，性价比高于现有的小型机系统。

虚拟存储与云存储：分布式云存储采用冗余存储的方式来保证存储数据的可靠性，以高可靠软件来弥补硬件的不可靠，从而提供廉价可靠的系统。

3 核心网引入云计算技术的必要性分析

3.1 核心网现状存在的问题

3.1.1 大部分设备硬件平台为传统平台，分散部署

现网普遍采用CPCI等传统平台技术，设备平均容量较低，现网设备的单位占地和能耗较大。现网设备分布在大量的交换机房，造成运维成本较高，运维效率较低。

3.1.2 设备软硬件不可分割，通用性较差

现网各设备厂家依照既定的网元功能、接口协议和设备要求等规范开发各自的硬件和软件产品，网元功能均基于特定的硬件平台开发，软硬件具有不可分割性；网元分类多，控制/承载类/存储/计费等各类网元功能存在明显差异，不利于集中采购。

3.1.3 存在多种用户数据

2G/TD-SCDMA HLR用户数据、IMS的固网IMS-HSS用户数据以及TD-LTE的SAE-HSS用户数据在不同设备单独设置，不利于用户数据的统一管理和开通。

3.2 云计算提供了解决核心网问题的方案

引入云计算技术，采用高容量、集中化、基于x86架构的标准ATCA平台或刀片式服务器平台，可以解决现网大部分设备硬件平台为传统平台，设备容量较低，占地/能耗较高，从而降低建设和维护成本，使网络低成本、高效率地运行。

引入云计算技术，在统一的硬件平台上运行统一的软件平台，实现虚拟化技术，可以解决现网网元功能复杂，通用性较差，设备软硬件不可分割和网元服务区域性强的问题，从而保障网络系统具有高度的扩展性和弹性，节约全网资源。

通过向UDC架构演进，实现“数据存储云”，实现全网用户数据统一，便于推行统一的监控和业务部署。

综上所述，云计算的技术特点能够在一定程度上解决目前核心网存在的问题。

4 核心网引入云计算技术的可行性分析

4.1 引入云计算技术的判断流程与因素

4.1.1 判断因素

云计算最初是针对IT系统设计引入的，适合引入云计算的系统一般具备以下特点：

(1) 系统规模、发展趋势：由具备一定规模的多个节点组成的系统，规模几乎可以无限扩大。呈平稳或增长趋势的系统和新建系统。

(2) 系统部署方式：硬件设备可集中部署的应用系统。

(3) 系统硬件平台：不依赖特殊外设硬件的应用系统，具备高度的扩展性。服务器基于或可改造为虚拟化技术架构。

(4) 业务类型：各种批处理应用、OLAP、OLTP等。

(5) 应用形式：交互型、存储型、数据分析型、内容类等应用。

(6) 设备形态：基于x86部署的设备。

4.1.2 判断流程

对于一个系统是否适合引入云计算，一般按照如下的流程进行判断：

(1) 首先判断系统的规模和发展趋势：对于规模区域缩减、后期逐渐被其他系统融合、取代的系统，不适合引入云计算。

(2) 判断系统的部署方式：对于不能集中化部署的系统，不考虑部署。

(3) 判断系统的硬件平台：对于依赖特殊外设的系统，不考虑部署。

(4) 判断系统业务类型：各种批处理应用、OLAP、OLTP均可以迁移至云平台。

(5) 判断系统应用层次：应用层、Web层应用更适合迁移至云平台。

(6) 判断系统设备形态：对于基于x86部署的设备更适合迁移至云平台。

4.2 核心网已经或即将具备引入云计算技术的要求

4.2.1 集中化的建设模式

集中化面对的问题是网元的位置问题，在同一地理位置部署各种网元是“云化”的前提。大容量设备和网络的支持是集中化必须考虑的基本问题。大容量、集中化的建设模式符合云计算部署的场景，为在核心网中引入云计算技术提供了前提条件。

4.2.2 IT化成为业界趋势

核心网若要引入云计算，必须硬件采用通用的x86平台，具有高度可扩展性；同时软/硬件分离解耦，可灵活匹配；业务和计算/存储解耦；引入资源共享、动态分配、负载均衡等虚拟化技术，实现资源的虚拟化。

目前，核心网主流的设备厂家的新版本设备都朝着大容量、集中化、IT化方向发展。诺西公司的Open Core战略，所有核心网元均采用ATCA硬件平台，以及统一的Open Core软件平台；华为公司的Single Core解决方案中，不同网元的软件模块具备共机柜、共机框、共单板部署；爱立信公司也提出了核心网设备共机架、共机框的Blade System解决方案。

4.2.3 IP化

控制、承载、业务分离的架构，以及话音、数据、信令的IP承载，是集中化部署的前提，即“云化”的前提。

4.2.4 接口开放

控制层与承载层设备之间接口完全开放，实现异厂家设备对接，是实现服务无区域限制的前提。

4.2.5 用户数据融合

用户数据融合(UDC)将HLR、HSS、AS等实体中的用户数据抽取出来在数据库中统一存储和访问，从而分离用户数据存储和应用逻辑、统一数据管理、提高数据访问效率，进而简化网络结构、为基于用户数据融合的网络和业务融合创造条件。

UDC的数据存储部分（BE）可应用云计算技术，引入基于通用硬件集群的分布式存储系统，替代现有的盘阵存储方式，实现低成本、高效率的海量数据存储和数据处理。

4.3 核心网引入云计算技术可行性小结

随着网络和设备的演进，核心网不断朝着IT系统的方向发展。

(1) 随着LTE的引入，电路域逐渐萎缩，分组域演进为接入通道，核心网由多网并存，演变成IMS为核心的统一的网络。

(2) 随着核心网设备的逐步x86化、IT化，核心网设备由软硬件不可分割、多种设备类型逐步演进为通用的设备平台，可支持多种类型软件。

(3) 随着设备的逐步集中化，网络结构朝着扁平化方向发展。

由此可见，核心网在系统规模、发展趋势、系统部署方式、系统硬件平台、设备形态上都符合引入云计算的条件，根据判断流程，核心网初步具备了引入云计算的可行性。

5 核心网引入云计算技术的策略和关注问题

5.1 总体策略

5.1.1 选择适合使用云计算部署的网元

根据第4节的云计算技术引入判断原则，将判断依据归类成以下3类：

(1) 是否有规模发展的潜力，是今后核心网的发展方向。

根据当前通信行业的发展趋势，话音业务增长放缓，数据业务的增长日益迅猛，多媒体业务逐渐成为主流，下一代核心网将逐渐演进为：电路域萎缩、分组域演进为接入通道、IMS为主体的网络。因此应选择LTE系统中的核心网元和IMS域的核心网元作为引入云计算技术的重点。

(2) 是否适宜集中化方式部署。

核心网设备，包括SGSN/GGSN/CSCF/MME/SBC/HSS等，均能集中放置在同一个地理位置的机房中，但是考虑到网络传输的问题，控制网元CSCF/MME/HSS对于承载网络的要求较低，可集中放置；媒体网元SGSN/GGSN/SBC等对于承载的要求较高，从节约长途传输、避免路由迂回的角度而言，应尽量本地部署。

(3) 是否采用适宜部署云计算技术的设备：

硬件采用x86服务器，软件采用Linux和统一的平台软件的设备是实施云计算的前提，在选择网元类型时，将重点关注采用ATCA、BC平台的设备。

5.1.2 遵循“按需替换”的引入原则

按需替换原则是指在有新建容量需求的区域逐步引入新平台设备，并部署在省会或区域中心，后续在旧设备退网和扩容时，将容量逐步迁移到新平台设备，其优点是投资量较少，且对现网业务影响较小，存在的问题是建设调整的工作量较大。

5.1.3 坚持“循序渐进、逐步完善”的原则

电信云平台是未来的发展方向，但当前的云技术尚不足以保障电信业务的开展；现阶段主要考虑集中化的建设， 近期应更多关注虚拟化的应用，逐步实现多子网、多业务、多应用和多厂商异构，在引入云计算技术时，应首先考虑相对容易实现的HSS系统，验证存储云试点的效果，讨论研究部署控制云需要解决的问题，待IP化、接口开放及其他准备工作完成后，分阶段试点部署控制云。

5.1.4 按照“先立后破”的原则进行部署

在确保业务质量的前提下，通过现在省内集中建设计算、存储资源，集中建设/维护，降低机房投入、设备投入、人工维护投入和功耗，同时积累建设和运维经验。

在核心网引入云计算的几个关键条件成熟的前提下，考虑在全国的几个大区中心建设核心网云计算、存储资源池，将大区周边省市的业务割接到大区平台，逐步关停省市的业务和设备，将硬件资源整合到大区中心。

5.1.5 设备厂商遵循先单后多的原则

考虑到厂家的支持程度和进度的不统一性，在引入初期，考虑采用单厂家设备组建云，例如，采用华为设备组建MSS/CSCF/HSS云资源池，采用诺西设备组建CSCF/MME/HSS云资源池等。后期厂商的接口开放后，考虑在同一个硬件资源池内部署多厂家的多种业务云。

5.2 核心网引入云计算技术带来的问题

5.2.1 对设备的要求

从目前理论分析看，云平台产品与电信级平台主要有如下几点问题需要关注：

(1) 可靠性：目前的通用云平台产品可靠性要比电信级产品低，云化后可能使系统容量更大，承载网故障或大量错包、丢包，影响用户数可能会更多。

(2) 用户体验：从用户体验上看，核心网接续时延有所增加，按目前核心网接续时延为1～2s看，结合前期测试结果整体接续时延增加0.1～0.6s左右。

(3) 云接口标准化：目前云接口没有标准化，各个厂家是按照自己方式设计接口，各个厂家的互联互通问题比较多，无法满足快速部署要求。

(4) 可维护性：原来网络的问题定位只要考虑网元间的水平接口，“云化”后会增加网元层、虚拟化平台层、硬件平台层的垂直接口，涉及到更多厂家，增加了维护难度。

(5) 云安全：针对云计算平台各层次面临的安全威胁进行全方位的深入分析;多层次、多维度出发，综合考虑云安全技术体系架构。

5.2.2 对计费系统的改造需求

核心网引入云计算后，一台设备可能会管辖多个省市的用户，存在跨本地网组网现网，需区分本地网进行计费的需求。有以下两种计费方式：

虚拟MSC ID 计费：对每一个计费区域（本地网）分配一个MSC ID（一个物理的MSC 按计费区域划分多个虚拟的MSC）。

位置区计费：在本局出的主叫、被叫话单中填写LAI，同时本局根据LAI 分配漫游号码，这样关口局可以从被叫的漫游号码映射出被叫的位置，实现对用户的计费。

5.2.3 对网管系统的改造需求

由于软交换设备的集中放置，软交换的网管系统也相应集中设置，各地软交换网元需通过网管网接入到网管系统，并通过从返牵终端的方式接入到系统的OSS实现对本地设备的管理。

5.2.4 对局址、机房设置的要求

核心网引入云计算之后，云平台由一系列x86服务器组成，高性能的处理/存储能力一定会带来设备在单位体积内发热量增加。在未来机房散热系统的管理设计可以考虑针对设备采用更高效率的精准送风方式、冷/热通道完全隔离的合理布局等措施提高冷却效率。

6 结束语

云计算为未来IT技术发展提供了新的技术手段和业务模式，它不仅是企业降低建设和维护成本的重要手段，也为企业技术创新和市场开拓带来了契机。本文主要针对目前尚未有成熟标准和产品的核心网引入云计算的必要性、可行性、引入策略和步骤进行了分析和研究，其目的是为了在运营商未来的建设和采购过程中，能够有规划、有针对性的对产品提出新的要求，推动核心网厂家将产品朝着IT化、虚拟化和云化的目标逐步发展，最终达到建设一张低成本、高效率运行的优质网络，实现可持续发展。

[1] 吴朱华. 云计算核心技术剖析[M]. 北京: 人民邮电出版社,2011.

[2] 赵慧玲.核心网发展趋势的探讨[J] .移动通信，2010,34(1).

[3] 韦乐平. 物联网的特征、发展策略与挑战[J]. 现代电信科技,2011,(4).