移动通信核心网应用技术研究

段宜宾 邵佳

(广东省新一代通信与网络创新研究院,广东广州 510700)

0 引言

移动通信网络是为移动用户提供通信服务的网络,是当代通信网尤其是运营商网络的主要组成部分。移动通信网络主要由三部分组成:接入网,承载网和核心网,其中核心网是为移动用户提供接入,移动性管理及用户面数据传输服务的网络。本文主要介绍了移动通信核心网近年来的主要应用技术,对其特点及应用场景进行了论述,并且展望了核心网应用技术未来可能的发展方向。

1 核心网概述

核心网在移动通信网中所处位置如图1所示。从提供的功能角度来看,核心网就是为移动用户提供通话与数据上网业务的接续、计费、移动性管理、数据路由交换及其他附加功能的网络实体单元。核心网从最初的固话交换网络,经历了MSC/MGW(2G)、UMTS(3G)、EPC(4G)、5GC(5G)的发展,架构不断演进,功能不断增强,应用技术不断发展,为移动用户提供了广覆盖、高速率及可靠的通话及数据服务。

图1 核心网在移动通信网中所处位置示意Fig.1 Illustration of the location of the core network in the mobile communication network

2 核心网主要应用技术

核心网近年来不断发展演进。在架构方面,主要运用了虚拟化平台及服务化架构相关技术进行架构改造;在网络服务方面,应用了网元功能融合,网络切片及网络能力开放等技术进行服务升级;而在用户转发面部分,则应用了网络加速技术极大提升了数据转发能力。

2.1 虚拟化技术

虚拟化,全称网络功能虚拟化(NFV,Network Function Virtualization),是指采用虚拟化技术,基于X86等通用硬件实现业务功能节点的软件化,最初的时候是IT(Information Technology)行业的概念,随着IT和CT(Communication Technology)不断融合,虚拟化技术也开始进入传统通信行业。

运用虚拟化技术可将核心网网元功能与硬件资源解耦,实现核心网功能软件化和硬件资源通用化,并为移动网络运营商节省成本[1]。在设备升级时不需要替换整套硬件设备,同时网络接口部分通用化,简化组网和运维的复杂度。虚拟化后的核心网还可具备弹性伸缩,迁移/自愈等附加特性,能够应对突发业务流量并提升资源的使用效率。此外,虚拟化后的网元可以部署在私有云或公有云上,不必依赖特定的平台资源提供方,降低了部署应用的门槛。而对于核心网产品开发商来说,需要在虚拟机,容器等环境下开发核心网的系统软件功能,通过虚拟化管理平台部署运行。

2.2 服务化架构

4G之前的核心网,传统网络软硬件绑定,网络实体间流程,架构固定化,无法满足网络运营商等快速部署及海量连接的需求。从5G开始,以运营商为主导,3GPP对5G核心网(5GC)进行了重构定义,以网络功能(NF,Network Function)方式重新定义了网络实体,各NF对外以独立的功能提供服务并可实现共享,基于标准的接口以服务化的形式自由组合,从而实现从固化网络向基于服务的灵活网络转变。3GPP提出的核心网服务化架构[2]如图2所示。

图2 5G核心网服务化架构Fig.2 Service-oriented Architecture of 5GC

核心网的服务化架构设计,参考了IT领域的微服务架构[3],5GC各NF服务之间的信令,采用的是IT领域通用的http2协议。5GC新引入的NRF,类似于微服务架构中的注册中心,用于提供NF的服务注册管理,以及服务发现机制等功能。核心网通过这种服务化的机制可实现NF服务的云化部署和功能的快速灵活上线。

2.3 网元功能融合

在运营商现网中,除了已经退网的1G,2/3/4/5G网络均保有一定的用户量,尤其是4/5G网络,在现阶段以及未来较长一段时间都将保持共存。在4G网络之前,核心网网元软硬件绑定,进行升级换代往往意味着需要将现网的设备整体替换或者在上一代设备之外部署新设备,建设成本高,网络部署代价大。而在4G核心网发展后期,尤其是5G架构重定义后,核心网加速向网元功能虚拟化,服务化方向发展,核心网融合多网元功能的技术也得到了发展。

融合核心网,可以支持通过统一的鉴权和接口,将多种接入方式(包括2/3/4/5G,NSA/SA)融合到一张网络处理。融合核心网可以简化网络,为网络运营商减少建设及运维成本,并为用户提供无缝的业务体验。在融合核心网的设计开发中,多采用先将网元功能分类,再将同类网元功能合并的方式进行。比如将核心网控制面会话管理功能分为4G的PGW-C/SGW-C以及5G的SMF,将PGW-C/SGW-C与SMF进行合一,合一后的PGW-C/SGW-C/SMF融合网元支持4G及5G NSA/SA的会话管理功能,区分接入类型进行不同信令流程的处理。

2.4 网络切片技术

移动通信的服务是多样化的,包括移动通话、用户上网、物联网、VR/AR、工业互联服务等。多种类型的服务对核心网的服务要求是不一样的,比如,VR/AR要求超高带宽,但是对超低时延无特别要求,而工业互联则要求超低时延,但是对带宽要求一般。虽然核心网支持用户,承载及应用级的QoS策略控制,但是如此多样化的业务如果通过同一网络进行承载,尤其是在存在突发用户接入和网络流量场景下,服务质量还是无法得到保障。

网络切片技术是5G网络的关键技术,网络切片是指将物理网络通过虚拟化技术分割为多个相互独立的虚拟网络,每个虚拟网络被称为一个网络切片,每个切片中的网络功能,通过动态的编排,形成一个完整的核心网网络服务实例,该实例在逻辑功能上对应一张传统核心网网络。如图3所示,核心网中的网络功能实例可以作为共享切片为不同虚拟网络服务,也可作为独享切片为指定虚拟网络服务。5G核心网支持通过UDM(Unified Data Management)网络功能实体为用户签约不同切片,同时支持通过NSSF(Network Slice Selection Function)网络功能实体智能选择切片,通过切片选择,可以满足不同业务应用对于网络资源的使用要求,从而保证服务质量。

图3 核心网网络切片示意图Fig.3 Schematic diagram of core network slicing

2.5 网络能力开放

网络能力开放是从4G核心网开始提出的,指的是核心网和第三方应用之间相互开放能力,包括网络基础能力、网络控制能力、网络服务及管理能力、网络安全能力等[4]。在5G核心网中,通过NEF(Network Exposure Function)及PCF(Policy and Charging Function)与外部应用功能AF(Application Function)交互信息和转换协议,根据AF的请求调用核心网的网络资源。

一般在核心网的能力开放功能之上,还会设立能力开放平台,通过能力开放平台提供的API接口,实现核心网与第三方应用的交互,这样可以让更多的第三方应用开发者参与进来。通过网络能力开放技术,可以将移动网络运营商的网络能力及资源安全可靠的开发给第三方应用,便于其根据各自需求设计定制化的业务应用,有利于各行业推出新型应用,并加速移动通信网络的生态建设进程。

2.6 网络加速技术

移动通信运营商提供的现网数据业务速率增长速度越来越快,并且呈现加速趋势。而核心网一直向着控制面和用户面分离的方向发展,尤其到了3GPP R14(4G)阶段,引入了CUPS(Control and User Plane Separation)的架构,实现了控制面与用户面网元功能的彻底分离。在分离之后,提升转发速率,就需要相应提升用户面网元的数据转发性能,而在虚拟化技术应用之后,用户面网元会部署在通用硬件服务器之上,目前广泛应用的针对通用硬件服务器的加速技术主要有两种。

DPDK(Data Plane Development Kit):DPDK是Intel推出的运行在用户空间上利用自身提供的数据平面库来实现数据包快速收发的套件[5],其绕过了虚拟化层直接调用硬件资源,并运行在用户态上对数据包进行相应处理,以提高通用服务器上的报文转发处理性能。DPDK主要提供了两部分功能:底层驱动和数据收发。在底层驱动部分,实现了对多类型网卡驱动的支持,可以运行在多种类型高性能网卡之上。在数据收发部分,提供了多核CPU处理框架,将逻辑CPU分为收发核与工作核,采用轮询模式从网卡获取数据包,并通过无锁队列传递处理。在整个用户面程序运行期间,CPU都是独占的,不会被其他程序抢占。通过上述方式,有效减少了开销,实现数据包的快速收发。

VPP(Vector Packet Processing):VPP是Cisco开发的一套基于DPDK实现的运行在用户空间的可扩展框架。一个应用在VPP里以连起来的若干节点组成,每个节点包含一个或多个功能。网络帧在VPP中被储存在网络帧向量(Packet Vector)中,节点会根据处理结果来决定网络帧的下一个目的地节点。这种处理框架充分利用了通用CPU流水的指令预取,减少了cache缺失,提高了CPU的运行效率。同时,VPP作为一个开源项目,还加入了常用的用户面协议栈功能,在一定程度上弥补了DPDK协议栈部分的不足。

3 核心网应用技术发展方向

进入到5G时代以后,网络带宽的需求将呈现爆发式增长;同时,随着5G在垂直行业领域应用的铺开,对于低时延,高可靠业务的需求也越来越明确;另外,核心网的部署应用越来越多,智能运维的需求也会随之增长。面对这些需求,核心网的应用技术发展可能会体现在以下几个方向。

3.1 用户面硬件加速

基于通用硬件服务器的网络加速技术将核心网用户面网元的转发带宽提升到了100Gbits+,单节点转发时延降低到了百微秒这一水平。但是,想要在指标上继续实现指数级的提升还是遇到了瓶颈。

近年来出现了一些用户面硬件转发加速技术,如用户面UPF中FPGA智能网卡的使用,基于可编程交换机的UPF等。这些技术多基于如下思想:将核心网用户面功能进一步拆分为用户面控制单元与转发单元,控制单元继续运行在虚拟化环境上,而将转发单元下沉到智能网卡FPGA或者可编程交换机的ASIC芯片中,利用硬件芯片的强大转发能力,可将用户面的转发带宽提升到Tbits以上,同时将时延降低到微秒以内。目前这些技术应用大多处于实验室验证阶段,尚未规模商用,随着技术的不断成熟,将会有较大发展。

3.2 确定性网络

在5G垂直行业的业务中,确定性的传输数据是关键要求之一,而时间敏感网络(TSN)是满足该要求的重要技术。3GPP R16版本已经提出TSN与5G融合的技术思路,将5G系统作为TSN中的网桥部署在TSN网络中。5G系统网桥由核心网UPF/NW-TT侧的TSN端口、UPF和UE之间的用户面隧道以及UE/DS-TT侧的TSN端口组成。

为了支持TSN融合技术,核心网需要支持时钟同步以及TSN的确定性传输[6]。在时钟同步方面,UPF需要通过NW-TT传递TSN时钟信息,支持gPTP协议处理,同时需要支持5G系统内的时钟同步并进行报文的时延补偿等。在确定性传输方面,需要UPF通过NW-TT支持IEEE802.1 Qbv,IEEE802.1 QCI等协议的流量调度和转发机制,同时需要核心网SMF、PCF、AF、UPF以及5G系统外的TSN控制器共同配合以支持TSN端口的配置与管理等。

目前TSN与5G融合的技术主要体现在协议框架层面,尚未有具体的技术应用,核心网侧NW-TT的技术实现路线,极有可能是通过将硬件芯片集成在UPF内,或是通过UPF与外置的支持TSN交换机配合的方式来实现。

3.3 智能运维

进入到5G时代以后,核心网不断新建/扩容,如果沿用传统运维模式由人工进行网络设计、规划、开通设备,存在效率低且容易出错的问题。同时,核心网是一张高度融合的网络,承载着多设备连接和高并发业务,出现问题如果仅依靠人工处理,很难快速定位收敛,其影响范围不可预估。

近年来,随着AI、大数据、云计算、NFV等领域的技术积累,核心网运维智能化已有初步应用,可能是未来的发展方向之一。智能运维系统可体现在如下几个方面。

网络自动构建与配置:通过用户选择必须的信息,如设备ID、容量、业务场景、网络基础参数等,由系统完成核心网功能的实例化、网络平面构建、配置参数生成与下发及设备开通等。

故障自动诊断与恢复:先期由人工预设故障诊断模板,系统上线后由AI和大数据系统根据网络实际参数生成具体规则并更新到知识库中。当实际发生故障时,系统根据知识库进行诊断,给出告警并执行预定的操作。此外,系统还应根据每次执行效果进行自我更新与完善。

网络可视化:系统通过学习与运算,将核心网的网络拓扑、流量负荷、运行状态等实时展现出来,并可通过统一的操作接口进行人工查询与干预。

4 结语

核心网作为移动通信网络中的重要组成部分,为移动通信业务提供基本的交换和传输服务。随着用户需求的不断提升以及新技术的应用,核心网的架构从最初的专用CT网络发展为CT/IT融合,朝着虚拟化、服务化、功能融合化等方向发展,旨在为越来越多的移动用户、企业用户、物联网用户等提供更加灵活可控的网络服务。核心网的用户面,经历了从最初使用专用硬件,到转向拥抱通用处理器与网络加速技术结合的虚拟化平台,再到投入通用处理器与可编程芯片结合的发展方向的转变,旨在为用户提供更高带宽、更低时延及更高质量的网络传输服务。本文介绍了核心网近年来主要的应用技术,分析论述了各类技术的特点及应用场景,最后对核心网应用技术几个可能的发展方向作出了展望。希望通过本文的研究与总结,能够为相关领域的研究人员提供参考与帮助。