核心网未来网络架构演进

王计艳，李赟，董勋，沈蕾，蚁静缄

（中国移动通信集团设计院有限公司网络所，北京100080）

1 蓬勃发展的业务需求

1.1 流量的爆发式增长

通过宏观环境、行业环境以及业务需求分析，未来5年，移动数据流量仍有较大提升空间，预计2020年移动数据流量出现爆发式增长，其中移动数据流量主要承载在4G网络，数据流量收入将成为增长核心，以某公司为例，2014-2020年，预计移动数据流量复合增长率达到75%，2020年移动数据流量将达到2014年的18倍，如图1所示。

图1 移动数据流量爆发式增长

1.2 业务的多样化

网络接入速度的提升大大催生了移动互联网业务，未来移动视频、在线游戏将成为移动流量占比的主要来源。未来随着资费的下降，用户对大流量的需求将进一步释放，目前受限于流量资费等因素，用户的大流量业务需求受到抑制。以某公司圣诞免流量活动为例，免流量活动高峰期间，LTE用户对下载和流媒体资源需求飙升，视频和下载类的流量占比翻倍，免流量过后回归原来的流量占比情况，浏览类流量占比重新成为主流，如图2所示。参考国外流量发展轨迹，预计移动数据流量结构将由现在的以下载类、网页浏览类和社交类流量为主向视频、下载流量为主转变，未来视频流量占比将超过50%。

图2 视频流量占比将提高

随着4K视频业务的快速发展，对带宽的需求也不断增长，比如1080P视频业务的带宽需求仅为4 Mbit/s，而4K视频业务的带宽需求达到了20 Mbit/s，未来虚拟现实（VR）业务的带宽需求将达到100 Mbit/s以上。进入宽带时代，低时延成为决定用户体验的关键指标，时延差异造成的用户感知差异非常大，如图3所示。

图3 视频业务带宽需求越来越高

在以LTE网络为代表的宽带网络和云计算的推动下，终端的互联从个人基本需求开始，逐渐扩展至个人生活外延的方方面面，物联网等将为移动网络带来大量的用户连接。预计M2M连接数呈现指数型增长，到2020年将达到10亿元规模，如图4所示。

图4 物联网业务发展迅猛

物联网由于应用场景众多，由于涉及的产业众多，因此在不同场景下对网络有着不同的连接需求，因此对于运营商而言，网络需适应多样化、个性化、复杂通信的需求。

1.3 用户结构的变化

随着4G网络的部署、VoLTE业务的商用和物联网业务的发展，未来用户结构将发生较大变化，未来5年2G/3G用户将快速下降，直至下降为0；4G用户将快速增长，5年后全部为4G用户（终端用户）；VoLTE用户将平稳增长，物联网用户将快速发展。

1.4 对网络能力的要求

为了满足业务大流量、大带宽、低时延和多样性的要求，移动通信网均需提升网络能力：4G无线网络接入能力需提升10倍，单用户带宽由2 Mbit/s提升至10 Mbit/s，需考虑4.5G乃至5G部分技术的应用；传送网容量提升约8倍，其中有线接入网络接入能力需提升10倍，LTE基站带宽提升至320 Mbit/s以上，家宽用户带宽提升至100 Mbit/s以上，需考虑引入更大容量的传送网技术和设备，如400Gbit/s OTN、100 Gbit/s PTN甚至更高容量技术；CMNet容量提升约9倍，需引入更大容量的设备以及更加有效的流量疏导手段。

而对于核心网来说，由于4G用户、VoLTE用户和物联网用户与2G/3G用户的业务模型差异较大，对网络资源的需求差异也很大，因此核心网首先需要满足4G用户、VoLTE用户、物联网用户的容量需求，其次是满足用户的数据流量增长的承载需求以及低时延要求、多样化等性能需求。

图5 全球厂商、运营商在2015年巴塞罗那电信博览会上的观点

2 热闹非凡的技术炒作

2015年巴塞罗那电信博览会上，各全球厂商、运营商几乎无一例外地把SDN（软件定义网络）/NFV（网络功能虚拟化）作为未来网络演进的主要关注点，如图5所示。

·AT&T：发布DOMAIN2.0战略，宣布了数字化目标，计划到2020年底前，75%网络设备基于云和SDN技术，目前40%的战略性IT应用已经实现虚拟化，比使用专有硬件效率提升50%。

·Telefonica：计划到2016年底前，30%的基于UNICA架构的新建网络实现虚拟化。

·NTT DoCoMo：计划2016年商用VPEC网络。

·中国移动：已开始进行NFV和SDN技术的现网试点。

2.1 SDN

SDN是一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能。

传统IT架构中的网络，根据业务需求部署上线以后，如果业务需求发生变动，重新修改相应网络设备（路由器、交换机、防火墙）上的配置是一件非常繁琐的事情。在互联网/移动互联网瞬息万变的业务环境下，网络的高稳定与高性能还不足以满足业务需求，灵活性和敏捷性反而更为关键。SDN所做的事是将网络设备上的控制权分离出来，由集中的控制器管理，无须依赖底层网络设备（路由器、交换机、防火墙），屏蔽了来自底层网络设备的差异。而控制权是完全开放的，用户可以自定义任何想实现的网络路由和传输规则策略，从而更加灵活和智能。

2.2 NFV

NFV通过软硬件分离，使用x86等通用性硬件以及虚拟化技术，实现硬件资源的共享和功能软件化，从而降低网络昂贵的设备成本。NFV的引入，使网络设备功能不再依赖于专用硬件，资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署，并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。

现有核心网络采用的电信级设备硬件繁多，每类网元都有专用硬件；部署运维复杂，专用硬件要求维护人员具备专用技能，且网元的数量巨大，导致组网拓扑复杂，问题的定位和解决越来越困难。基于现有的硬件投资模式，网元的上线周期很长，通常需要以年计算，很难适应移动互联网业务快速而多样化的需求。现有设备均采用专用的硬件和同厂商专用软件，系统封闭，第三方业务引入难度很大，业务创新困难。

NFV的引入实现软硬件解耦，硬件的通用化对网络架构和网元布局将产生较大影响，使得按专业独立配置资源转变为统一配置、按需分配硬件资源，将有效提升核心网络的业务上线速度，并通过硬件资源的共享，提升设备利用率，有效降低投资。

NFV标准进展情况是需求和架构基本稳定，接口未完全确定，SDN已进入商用部署期。

NFV/SDN技术可简化业务的部署，加快业务上线速度，实现硬件的统一管理、资源共享，网络资源的灵活调度，对运营商的价值如图6所示。

图6 NFV/SDN对运营商的价值

图7 5G网络切片示意

2.3 5G

在未来的5G系统中，网络将被进一步抽象为一片片的网络切片，可以非常灵活地根据用户需求进行资源分配和资源再分配。这种连接服务通过许多定制软件实现的功能定义，这些软件功能包括地理覆盖区域、持续时间、容量、速度、时延、可靠性、安全性和可用性等。5G网络有众多核心技术，其中之一就是SDN和NFV。

5G将是实现按需接入、按需分配网络资源，满足万物互联不同需求的目标架构网络，如图7所示。

3 波澜不惊的稳定架构

3.1 核心网网络架构现状

从网元架构来看，核心网目前的设备采用高性能的专用设备，网元功能与硬件板卡均由设备厂商集成，不同的功能采用不同类型板卡，软件功能与硬件板卡相辅相成，稳定性高、效率高，有效保障了高安全、高可靠性等电信级要求。

从核心网各域的结构和功能来看，经过一年多的改造，目前核心网CS（circuit switch，电路交换）、PS（packet switch，分组交换）、IMS（IP multimedia core network subsystem，IP多媒体子系统）、信令网各域已基本完成了VoLTE改造工作，也按需求部署了智能管道的策略，现有网络已支持VoLTE功能以及智能管道等功能。VoLTE业务部署初期，因考虑到2G/3G与VoLTE的互通、CSFB（circuit switched fallback，电路域回落）等问题，核心网各域流程交互复杂，接口繁多，但核心网自身网络架构已基本稳定，如图8所示。

图8 核心网结构现状示意

图9 核心网与其他系统组网架构

图10 核心网容量扩容满足需求

从与其他系统的组网架构看，目前核心网和其他系统如PTN、IP承载网、CMNet、传送网协同建设，除省内内容资源网（CDN/cache）在进行规划建设阶段外，其他架构基本稳定，如图9所示。

3.2 传统核心网网络架构扩容

3.2.1 核心网的容量需求

针对4G数据业务、物联网和VoLTE的业务发展，核心网容量按需扩容满足需求，同时考虑老旧设备退网以及VoLTE业务的灾备方案提升，如图10所示。

3.2.2 核心网的数据流量承载需求

影响核心网配置的参数是单用户带宽和总带宽（吞吐量）。根据预测，4G数据流量增长约18倍，单用户DOU（discharge of usage，每客户月均流量消费额）增长10倍，若假定忙时集中系数不发生太大变化，单用户带宽约增长10倍。

·对于单用户带宽：一般在采购设备（即集采）时的模型已考虑流量影响，保障购买的设备能满足单用户带宽的需求，目前以某省为例，单用户带宽为6～7 kbit/s，但目前集采要求30 kbit/s，大大超出现网的单用户带宽，因此，核心网配置仅需考虑PDP（packet data protocol，分组数据协议）激活数的需求。

·预计规划期末单用户带宽增长至60 kbit/s，经调研，主要厂商的处理能力均可在30 kbit/s的基础上提升2～3倍，可满足单用户带宽的需求。

·总带宽需求增长：按PDP激活数的需求配置设备的规模，因要求的设备单用户带宽会比预测单用户带宽大，因此，总的设备吞吐量可以满足总带宽的需求。

核心网设备可通过单点升级和扩容提升设备能力，满足大流量需求。根据调研，升级/引入的新设备能力可达现有能力的2～3倍，如图11所示。

图11 主流厂商核心网设备能力提升情况

图12 现有SAE-GW部署架构示意

因此，核心网可以通过新设备的引入和扩容，解决流量增长的需求。

3.2.3 核心网网络架构演进需求

从话务量上来看，CS域业务量将逐步减少，未来CS域除了考虑关口局与MGCF（media gateway control function，媒体关口局控制功能）融合之外，将不再继续扩容，因此CS架构已经稳定，部署方式维持现有架构不会改变。

从数据流量来看，目前有8个省的GGSN/SAE-GW（gateway GPRS support node/system architecture evolutiongateway）部署在区域中心，其他各省的GGSN/SAE-GW均部署在省中心。从流量流向来看，因现有内容源位置相对集中（省级IDC、第三方出口、CMNet国干），各地市流量经层层汇聚送至省中心/区域中心，核心网采用相对集中的设置方式（如图12所示）优点如下：

·可提升SAE-GW设备利用率，节省机房、动力等配套资源；

·SAE-GW、内容源、IMS核心网和业务平台均集中设置，路由高效，节省CMNet和IP专网资源。

其缺点如下：

·本地呼叫需经过省/区域中心，占用省干PTN（packet transport network，分组传送网），VoLTE话务存在路由迂回，产生时延，但VoLTE语音业务不到数据业务的5%，影响较小；

·PTN调度复杂，SAE-GW需要同时接入本地PTN和省干PTN。

随着P2P、M2M应用的增长，流量将显著增加，同时视频业务、在线手游、网上购物、网页下载加速等业务对用户体验的要求越来越高。为了尽可能地将流量在Gi口疏通，避免对承载网、传送网的压力，同时为了减少承载网的时延，提高用户体验，各省CDN（边缘节点）根据内容源引入策略和核心网EPC部署的情况，下沉到区域中心甚至进一步下沉到本地。经估算，若内容源靠近Gi侧部署，用户访问的内容源在CDN命中的情况下，可减少60%的传输时延，大大提升用户体验，如图13所示。

综上，为了进一步满足时延和带宽需求，SAE-GW部署方式需要与省内CDN协同组网，建议采用以下步骤进行，如图14所示。

第一阶段，对于已经部署在区域中心的SAE-GW根据业务量分布情况，初期可考虑将省内CDN部署在Gi口侧，靠近核心网，减少流量迂回，减少承载网和传送网压力；对于部署在省中心的SAE-GW，若近期不考虑CDN的下沉，可维持现有结构。

图13 视频和浏览业务时延分析

图14 SAE-GW下沉的步骤

第二阶段，根据业务需求调整CDN的部署，对于流量较大的本地，可考虑CDN下沉的本地网，同时考虑SAE-GW/SBC的下沉，但需要综合机房动力、传输等配套条件，慎重进行。

根据以上分析，得出如下结论：

·现有核心网通过扩容、提升设备能力/引入新设备，可满足用户、流量增长的需求；

·考虑到提高网络疏通效率和降低时延，需结合CDN的建设策略考虑SAE-GW/SBC的下沉，需要调整SAE-GW/SBC部署架构，对网络组织结构进行微调；

·由于网元结构本身的限制（软硬件不分离，资源无法灵活调配，PCC架构的限制），现有架构无法满足网络灵活调度、业务多样性的需求，无法满足未来万物互联，连接多样化、个性化、复杂通信的需求。

4 虽痛犹进的演进变革

4.1 NFV/SDN不是满足业务增长的必选之路

传统网元和现有网络架构可以满足未来5年甚至更长时间的业务需求，NFV/SDN并不是满足业务增长的必选之路，且由于NFV/SDN技术本身还处于研究、完善和验证之中，特别是NFV使网元架构变化较大，是IT产品替代CT产品的变革，需要对设备（集成方案、成熟度、性能）、产业链、运营、网管等诸多方面进行重构，难度很大。

4.2 NFV/SDN是未来网络演进的方向

虽然NFV/SDN并不是满足业务增长的必选之路，但从运营商长远发展来看，现有的设备/网络架构虽然稳定但不够灵活，无法根据需求定制化网络功能，只能通过叠加PCC（policy control and charging，策略控制和计费）、增强SAE-GW功能，甚至在Gi口后部署一系列增值业务来满足具体的业务需求，通过叠加运营平台和增值平台来协助制定策略，但需求是多变的，现有架构复杂固定，并不能满足未来业务多样化、运营商对资源灵活配置的需求，若要向前发展，实现智能网络，灵活配置，5G将是网络发展目标，而NFV/SDN则是关键技术和基础之一。只有网元功能虚拟化才能实现资源的统一调配、功能的定制化和灵活配置，只有网络部署了SDN，才可以真正做到灵活定义网络连接，优化网络路由，从而才可能实现网络切片，按需分配资源。因此，虽然NFV/SDN对网络影响巨大，技术不甚成熟，但引入NFV/SDN将是大势所趋，是未来网络演进的方向。

5 结束语

未来是继续使用传统网络设备和架构，依靠缓慢叠加功能的方式来满足爆炸式发展的业务需求，还是积极试点新技术，用IT的思路重构CT网络？这是一个痛苦的决策，正如韦乐平教授所述，网络架构的变化最重要的就是从垂直架构向水平架构的转变，这是根本性的转变，是网络的重构，是IT和CT的深度融合，其难度巨大，是一场关乎工程师甚至是“一把手”的深度变革，通过本文的分析，在网络建设和演进过程中有如下建议供参考。

·引入NFV/SDN并不影响现有网络部署架构，现有网络结构（包括与其他系统的组网方式）可维持基本不变，必要时考虑SAE-GW与CDN协同组网策略。

·充分验证NFV技术，验证网元功能、集成策略、组网方式等。

·深度试点NFV技术，参考VoLTE试点的进度，必要时可考虑长时间试点，根据成熟度和改造难度选择试点网元，逐步扩大试点，并考虑资源池的建设等。

·做好长期战斗准备，慎重考虑现网部署、NFV引入的时间点、传统设备扩容和NFV设备建设的关系。未来网络将长时间维持现有网络架构，后续3～4年在控制面引入NFV网元，考虑控制面网元的云化部署，媒体面将长期维持现有组网架构，支持媒体面云化。