5G CUPS技术在4G移动核心网的应用

2018-07-30吴成林许驰陶伟宜

移动通信 2018年7期

吴成林，许驰，陶伟宜

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州 310014）

1 引言

5G技术正在快速发展和完善中，从各运营商的官方报道来看，我国5G正式的商用日期预计为2020年左右，2020年以后4G网络和5G网络将长期并存。我国目前的4G移动业务和网络建设并没有因等待5G技术成熟而停止发展，根据工信部《2017年通信业统计公报》以及最近公布的统计数据，2017年移动互联网接入流量消费达246亿GB，比上年增长162.7%，全年月户均移动互联网接入流量达到1 775 MB/月/户，是上一年的2.3倍，2018年3月当月户均移动互联网接入流量达到3.29 GB，比去年同期增长160%。随着各运营商移动上网不限量流量套餐业务的全国推广以及大流量流媒体互动类业务的应用，移动用户的流量仍然有非常大的增长空间，这就意味着现有的4G移动核心网仍然需要大规模建设。

当前阶段运营商4G核心网的建设需要考虑既能满足移动流量的爆发式增长需求，又能保证技术的先进、合理和高效，并符合未来技术发展趋势。本文结合当前4G核心网的发展需求，分析研究5G提出的CUPS（Control and User Plane Separation，控制面和用户面分离）技术在4G核心网的应用，探索更佳、更优的核心网解决方案，以便更好地支撑运营商的4G移动网核心网络的建设。

2 CUPS技术分析

在5G的系统架构中将传统媒体网关设备的控制面和用户面分离，具体表现为SMF（Session Management Function，会话管理功能）负责会话管理、IP地址分配、UPF（User Plane Function，用户面节点）的选择和控制等控制面的功能，UPF负责数据包的路由和转发、数据包检测、策略执行等用户面的功能。为了更早、更广泛地发挥CUPS技术的价值，3GPP把5G的CUPS技术理念引入到4G EPC核心网。相对传统用户面和控制面一体的S/PGW设备（SGW和PGW的合体），EPC的CUPS是指S/PGW的用户面和控制面在架构上分离，即分为S/PGW-C和S/PGW-U。CUPS架构的S/PGW增加了网络部署和运营的弹性和灵活性，用户面和控制面可以分布式部署也可以集中部署，控制面和用户面设备还可以独立建设；CUPS技术可将用户面的S/PGW-U设备靠近无线侧设置，用户可以就近通过S/PGW-U出移动网访问业务，从而缩短业务路径、降低业务应用的时延。另外CUPS架构下网络扩容更简单，用户面和控制面相互独立，可以各自按需分别扩容，两者没有必然的同时扩容关系，如果用户增长、流量未增长，只需扩容控制面设备。此外控制面和用户面可以独立演进发展，不受彼此的约束，如控制面可以向SDN发展，用户面可以向云化、虚拟化方向发展，两者互不影响。

图1 SGW和PGW分设的CUPS架构图

在CUPS架构中，S/PGW的控制面S/PGW-C负责用户IP地址分配和管理以及承载绑定等功能；S/PGW的用户面S/PGW-U负责IP包的转发、承载/APN的流量管制、业务检测（DPI）等功能，其他更多的处理是控制面和用户面共同分工完成。控制面和用户面间的接口为Sx接口（具体Sxa为SGW-C与SGW-U的接口，Sxb为PGW-C与PGW-U的接口），控制面通过Sx接口终结GTP-C以及Gx、Gy、Gz等接口的Diameter信令，通过Sx接口控制面向用户面下发数据包配置规则，如数据包检测规则、包处理规则（如转发、复制、缓存、丢弃等）、QoS策略规则、流量使用报告规则等，此外Sx接口还负责控制面和用户面关联的建立、更新、释放，控制面和用户面间的心跳检测、控制面对用户面负载的控制等。CUPS架构的控制面和用户面并没有严格的一一对应的关系，一个控制面可以管理多个用户面，同样一个用户面可以被多个控制面分享，一个终端用户可以被一个控制面控制，可以通过多个用户面访问不同的PDN。图1和图2分别是SGW、PGW分设时及合设时的CUPS架构图，其中TDF是可选设备。

3 CUPS技术在4G核心网EPC的应用

3.1 CUPS在移动互联网的应用

图2 SGW和PGW合设的CUPS逻辑架构图

目前运营商的4G核心网EPC的网关采用SGW与PGW合设的设备，设备硬件为ATCA架构。SGW/PGW一般集中设置在省会不同局址的机房，形成1～2个Serving Area覆盖全省的所有移动互联网业务。移动互联网的业务由终端发起，通过eNodeB接入到运营商的IP专网，用户的业务流在省会汇聚后接入到SGW/PGW，再由SGW/PGW进行路由出移动网，访问互联网业务。流程示意如图3所示。当前的组网属于省内集中模式，流量需经省内的IP专网汇聚后再出移动网，对IP专网的带宽有较高的要求。另外国内各运营商已经开展了CDN下沉到地市的工作，以便把宽带用户访问的内容贴近用户使得用户能快速访问，这既改善了宽带用户的体验，又降低了承载网的带宽压力，但移动网当前的省内集中模式无法享受CDN下沉地市带来的这些益处。

面对当前的移动流量快速增长，4G核心网的建设仍然有相对现网数倍容量的建设需求，这就为4G核心网引入CUPS技术带来契机。4G核心网EPC引入CUPS架构设备时，S/PGW的控制面和用户面可以分开设置，其中S/PGW-C仍然集中部署，S/PGW-U下沉到地市分散部署，靠近用户侧。当移动用户从部署CUPS设备的地市接入时，MME选择对应的S/PGW-C和S/PGW-U为用户服务，用户访问互联网业务的控制流路径和现网路径基本一致，但业务的媒体流从本地的S/PGW-U出移动网（Local breakout），媒体流不需要再去省会绕圈，这不仅减轻了对IP专网的带宽压力，同时也可以让用户就近访问下沉地市CDN的互联网内容，从而给移动互联用户带来更快的4G网速体验。

CUPS技术的引入没有改变运营商当前的集中运营的管理架构。核心网设备的配置操作、策略控制、规则发布等仍然是在集中设置的S/PGW-C上进行，设置在地市的S/PGW-U功能更简化，主要负责媒体面的路由转发，业务运营期间S/PGW-U基本不直接操作，设备的维护要求较低。另外因控制面和用户面分离，设备功能更集中和简化，相应设备处理能力的容量比传统架构的S/PGW容量更大，这也符合运营商核心网的集约化运营要求。