控制和转发分离核心网建设和运维初探

方 东

（中国联合网络通信有限公司河南省分公司网络发展部，郑州 450000）

1 引言

随着移动互联网的深入发展，各种移动创新业务如雨后春笋般蓬勃发展，这对网络带宽和时延提出了新的要求。

近年来，河南联通4G 用户占比的不断增长，尤其是2I2C 套餐的推广，使得4G 业务量呈突飞猛进的发展态势。用户流量的快速增长将对主设备容量及承载网络带来极大压力。

而现有网络架构中，GW 都是以集中的方式部署，传输距离长，转发时延大，用户体验不佳。针对这个问题，3GPP 提出了C/U 分离（CUPS）的解决方案，将GW-C 面和GW-U 面分离：GW-C 面集中部署在中心数据中心，GW-U 可以靠近用户按需下沉部署，以降低传输时延、节省传输带宽，全面提升用户体验。

而对于5G 网络，其在设计之初就采纳了天然的C/U 分离架构，将用户面设计为独立的UPF（用户面功能）服务，UPF 服务可以根据实际需要部署一个或者多个，其部署位置基于业务流量进行规划，可集中部署，也可下沉到边缘进行分布式部署，从而满足5G 大带宽和低时延的应用场景。

2 河南联通CUPS 试点成果

3GPP 描述了将EPC 网络控制平面和用户平面分离的架构，为演进的分组核心网的SGW、PGW 功能分离提供了架构上的增强。通过分布式或集中式部署，以及控制面和用户面功能之间的独立伸缩，网络部署和运行就能够更加灵活，同时不影响其他周边网元。

控制面和转发面分离以后，控制平面可以集中部署，与原架构相同，而用户面可以根据需要下沉到更加靠近用户的地方。控制平面与用户平面之间的接口是Sx。

5GSA 架构天然支持CUPS，提供了两个独立的NF，分别是SMF 和UPF，实现了控制面和用户面的分离，SMF 通过N4接口与UPF 通信，SMF 实现控制面的功能，UPF 实现用户面的功能。

控制和转发分离的4G 网络相，只需要增加5G 组件就可以平滑演进到5G 核心网。GW-U 只需要增加UPF 的资源和功能，MME 增加AMF 的资源和功能，GW-C 增加SMF 的资源和功能等等，而整体架构和组网可以维持不变。

为了验证CUPS 架构和性能，河南联通在2019年初进行了CUPS 试点，该试点在郑州建设一个资源池承载xGW 控制面，在南阳建设两个资源池承载xGW 媒体转发面，应用软件采用中兴2G/3G/4G/5G 融合核心网（CommonCore）版本。

下沉到南阳的xGW 与洛阳大区xGW 组POOL，将南阳xGW 地址加入DNS 解析，南阳本地流量优先从本地xGW 疏导，洛阳xGW 作为容灾保障网络安全。实现联通集团对移动核心网提出的“提升业务能力、优化网络结构、实现设备全面容灾，保持合理利用率”的总体目标。未来可以平滑演进升级支持

5GUPF。

试点结果表明，用户流量在南阳本地169出口以后，大大节省了南阳与郑州之间的传输带宽，降低了网络时延，试点平均延时减少30%；试点的峰值时延仅为原网络的60%。

图1 河南联通南阳CUPS时延测试对比图

3 河南联通分组域建设思路

随着地市CDN 固移融合改造以及实现OTT 视频cache 功能，急需转发面GW-U 下沉到地市，以便能够减少流量迂回，简化网络结构，有效地提高当地4G 用户的业务体验。

因此考虑优选业务量较大的城市，按需下沉GW-U，GGSN仍维持在原地，利旧GW-U 下沉后的设备，将流量优先本地卸载，优先采用CUPS 的方式扩容，一方面有利于本地卸载流量，另一方面将来可以平滑演进至5G，保护投资。

另外，河南作为文化大省、古都大省和工业大省，可以借助用户面下沉的建设契机进行MEC（移动边缘计算）的布局。基于CUPS 架构的MEC 架构，GW-C 集中部署，GW-U 下沉至MEC 进行MEC 分流，本地的流量可以通过IP 五元组、DNS 等规则分流到本地，非本地的流量通过上送到大网的U 面进行处理。

借助CUPS 的部署，可以提前占领战略高地，初步考虑可以从如下几个方面着手：古都VR 游，通过下沉MEC 部署VR 直播，用户可以足不出户就能游览到河南的古都和博物馆文化。大力发展智能智造，通过MEC 部署智能园区和工业智造方案，让河南的工业水平再上一个新台阶。提前布局智能制造，是抓住国家产业转型升级的窗口，大力发展垂直应用，拓展新的业务增长点的大好机会。

考虑将CUPS 的试点延伸到MEC 试点，从网络架构改造上升到垂直行业的拓展，目前可考虑的落地方案包括：

郑州大学MEC 试点河南联通在郑州大学建设5G 站点可有效牵引郑州大学科研需求，借助郑州大学信息工程学院5G 创新实验室的优势，结合5G 大带宽、高可靠低时延等特性开展基于5G 的相关技术研究，逐步形成双向互动反馈的良好局势，并将对科研成果转化为产业优势。

格力电器园区MEC 试点格力电器位于郑州市高新区，内有大量的传感器、AP、WiFi、PDA 等设备，以及若干4G 终端；格力生产的空调也与联通有合作，内置4G 卡用于上报信息数据。目前园区网络面临办公用户多、物联网接入制式多和网络管理较为复杂的问题，亟需通过MEC 等新技术对网络业务进行整合。可以考虑建设MEC 平台，实现机器和设备相关生产数据的实时分析处理和本地分流，实现生产自动化，提升生产效率。

4 转发面下沉后的运维模式

控制和转发面分离后的运营管理模式也需要进行相应的改变，建议运营与管理也按照两级架构进行部署：

集中网管中心流量数据维护由集中网管中心管理和控制，当网络服务数据发生变化时，相关配置数据将通过中心SMF/GW-C同步到区域UPF/GW-U。并且负责SMF/GW-C 设备软硬件故障告警处理、UPF/GW-U 设备软硬件故障告警处理、SMF/GW-C 日常办公数据管理和生产、CP/UP 项目建设和扩容牵头、日常网络调整、性能预警、安全应急响应、软件版本管理等。

区域运维中心区域运维中心负责分布式UPF/GW-U 硬件的日常维护和管理，包括，UPF/GW-U 设备硬件故障告警处理、UPF/GW-U 项目新建和扩容合作、网络日常调整协调工作等。

向边缘云演进在边缘云架构成熟以后，运营管理可以延伸至边缘云的三级管理架构：地市边缘云，区县边缘云，接入边缘云；地市边缘云和大区核心区同样采用标准VIM 部署，区县边缘和接入边缘一般采用轻量化VIM；边缘云一般以地市为单位进行集中管理，地市边缘云中部署边缘统一管理平台进行资源统一管理，CT/IT 应用根据规模可使用不同资源池部署，也可共资源池部署（共部署时需要隔离）。

5 展望

4G 改变生活，5G 改变社会！5G 时代即将到来，面对新时代大流量、高可靠、低时延的迫切需求，网络重构的窗口已经打开。

提前实现控制与转发分离，将转发面下沉至用户侧实现流量就地卸载，为5G 平滑演进做好准备，提前布局边缘云，打造垂直行业创新的星星之火，在5G 浪潮到来的时候，必将形成燎原之火。