面向5G的NFV核心网演进方案研究

1、42 2017年1月 第 1 期（第30卷 总第232期）月刊2017 年 第 1 期电信工程技术与标准化 5g技 术 面向5g的nfv核心网演进方案研究 于建伟1，张保华1，于娟娟1，卜忠贵2 (1 中国移动通信集团河南有限公司, 郑州 450008；2 中国移动通信集团设计院有限公司,北京 100080)摘要本文对中国移动核心网网络现状和演进需求进行分析，研究面向5g网络发展需求，核心网引入nfv/sdn技术和分层虚拟化的架构目标和部署方案。文中还分析了在网络演进过程中可能遇到的各方面问题，并对如何应对挑战提出建议。关键词网络功能虚拟化；软件定义网络；5g；网络重构中图分类号 tn929.

2、5 文献标识码 a 文章编号 1008-5599（2017）01-0042-06收稿日期 ： 2016-12-051 引言移动通信已经深刻地改变了人们的生活，为了应对未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不断涌现的各类新业务和应用场景， 第五代移动通信（5g）系统将应运而生。网络功能虚拟化（nfv）和软件定义网络（sdn）是未来 5g 的关键技术。我们期望 5g 支持千倍带宽、海量连接能力、多样化的业务和用户。如此高带宽需求的灵活和可扩展的 5g 网络将基于虚拟化和软件定义网络技术构建，形成资源开放、适宜开发新业务的架构，更适合新业务和新应用创新。它提供从网络运营到业务服务的经济和可持

3、续发展的模式。本文将研究 5g 核心网引入 nfv/sdn 的分层虚拟化架构的必要性分析以及存在的问题和挑战。2 核心网网络结构现状与演进需求2.1 核心网网络结构现状目前中国移动已经建成了一张 2g/3g/4g 融合的核心网络，承载中国移动的话音、短信、数据等业务。融合核心网中包含以下各域网元设备。（1）2g/3g 电路域核心网。电路域核心网支持2g/3g 基本话音、短信业务，包含 mss、mgw、gmss、gmgw、emsc 等设备。（2）2g/3g/4g 分组域核心网。分组域核心网支持用户数据上网业务，也作为 volte 话音的网络管道，包含 sgsn/mme、ggsn/sae-gw、c

4、g、dns、pcrf 等设备。（3）ims 域核心网。ims 域核心网包含核心侧网元 i/s/e-cscf/bgcf、mgcf/im-mgw、dns，43 2017年1月 第 1 期（第30卷 总第232期）月刊2017 年 第 1 期 5g技 术 电信工程技术与标准化ims as，接入侧 sbc、p-cscf 等设备。已经建成的 cm-ims 网络主要承载集团客户固定接入话音业务，正在建设的 volte ims 网络主要负责 4g 话音的控制和接续，核心侧网元与 cm-ims 融合组网。（4）用户数据域。用户数据域主要指 2g/3g/4g、ims 三融合 hss/hlr 设备，负责对各域用户

5、的注册、鉴权和移动性管理。（5）信令网。信令网包含转接 no.7 号信令的七号信令网和转接 diameter 信令消息的 diameter 信令网。信令网均采用三级组网，包含转接省际信令的 hstp、hdra 设备和转接省内信令的 lstp、ldra 设备。中国移动现网运行的核心网网元由电信设备供应商提供。厂家提供的设备硬件可分为两类，一类是厂家专用硬件，一类是通用硬件。有些网元仅包含厂家专用硬件，有些网元仅包含通用硬件，有些网元则同时包括厂家专用硬件和通用硬件。同时，厂家基于其硬件平台为中国移动定制开发相关软件功能。2.2 核心网演进需求分析与技术发展现状目前，4g 网络已经投入大面积运营，

6、各国际通信组织开始展望 5g 网络的愿景，需求调研和技术探索工作已经展开。5g forum、eu-merits、imt-2020、ngmn和我国的 imt-2020(5g) 均已发布 5g 愿景白皮书。面向人和物联网的 5g 移动通信网，将提供多种场景下的多种应用服务，为用户提供广覆盖、高速率、低时延、低能耗的通信服务，相关网络规范的标准化计划在 2020 年完成。对于支撑未来 5g 网络应用的需求，现有融合核心网面临以下几方面问题，核心网 nfv 云化演进将是解决问题的有力手段。2.2.1 建设部署模式传统核心网设备由电信设备供应商提供和集成，软硬件均为厂家定制设备，不具备通用性，网络的规划

7、、设备的采购、建设实施通常以年为周期。现有架构的网络的建设周期、需求响应速度、网络资源调配能力均无法满足移动互联网和 5g 时代海量的、变化的业务应用需求。nfv 核心网资源池的集中建设将促进各网元系统的硬件资源共享，功能模块的软件化部署将加快各网元的需求相应速度，减少建设交付周期。2.2.2 5g 网络分片需求5g 网络将支持网络分片功能，为不同的用户和业务虚拟专用的网络资源。目前的接入网、 传输网、 承载网、核心网、业务网，相互独立的烟囱式建设方式，无法为用户提供端到端的资源预留和服务质量保障。各网络系统的虚拟化、分层化演进，将使网络信息传送能力的统一控制得以实现。2.2.3 多节点控制问

8、题目前各网络网元的控制和承载紧密耦合，不同网络的不同系统接受不同控制中心的控制策略。mme、hss、spr、pcrf、hss 按照各自规范对同一通信行为的不同层面进行管理，无法相互协同工作制定统一的资费和资源保障策略。nfv/sdn 架构的引入，控制承载进一步分离，各系统同平台部署，系统互通和协同工作更为方便。中国移动通信集团公司已经开始 nfv 网络部署的技术探索和网络试点，基于云架构的融合通信 rcs 平台已在南方基地部署应用。各设备厂商已提供 nfv 架构的ims 域控制类网元（cscf/bgcf、as）产品，并将参与集团公司在山东、 河北、 陕西、 安徽的现网试点验证工作。3 nfv

9、核心网目标架构及演进方案3.1 5g nfv 网络目标架构设想为满足面向 5g 业务指标和应用场景需求，各国际通信组织陆续发表 5g 愿景白皮书。其中，我国的imt-2020(5g) 组织提出了基于“三朵云”的网络总体架构设想。未来的 5g 网络将是基于 sdn、nfv 和云计算技术的更加灵活、智能、高效和开放的网络系统。5g 网络架构包括接入云、控制云和转发云 3 个域。接入云支持多种无线制式的接入， 融合集中式和分布式两种无线接入网架构，适应各种类型的回传链路，实现更灵活的组网部署和更44 2017年1月 第 1 期（第30卷 总第232期）月刊2017 年 第 1 期电信工程技术与标准化

10、 5g技 术高效的无线资源管理。5g 的网络控制功能和数据转发功能将解耦，形成集中统一的控制云和灵活高效的转发云。控制云实现局部和全局的会话控制、移动性管理和服务质量保证，并构建面向业务的网络能力开放接口，从而满足业务的差异化需求并提升业务的部署效率。转发云基于通用的硬件平台，在控制云高效的网络控制和资源调度下，实现海量业务数据流的高可靠、低时延、均负载的高效传输。基于“三朵云”的新型 5g 网络架构是移动网络未来的发展方向，但实际网络发展在满足未来新业务和新场景需求的同时，也要充分考虑现有移动网络的演进途径。5g 网络架构的发展会存在局部变化到全网变革的中间阶段，通信技术与 it 技术的融合

11、会从核心网向无线接入网逐步延伸，最终形成网络架构的整体演变。3.2 nfv 核心网演进方案结合上述 5g 网络的架构愿景，现有核心网各网元实现 nfv 云化和 5g 网络能力建议分两阶段进行。3.2.1 第一阶段 ： 现有核心网网元由传统平台向云化平台演进根据各厂家设备支持情况和中国移动集团公司部署计划， 核心网各网元的 nfv/sdn 演进应遵循以下原则：（1） 改造价值高、有利于提供新业务、有利于网络从 ct 向 it 转型的网元优先演进 ；架构成熟稳定、演进价值较低的网元推后部署。（2） 偏计算、控制、数据存储类的网元优先演进 ；偏媒体转发、有专用硬件需求的推后部署。（3） 信令面网元

12、nfv 较为成熟，结合 volte 大规模建设契机，ims 控制面先行。根据以上原则，核心网各域、各网元 nfv/sdn演进优先级和成熟度如图 1 所示。综上，第一阶段现网核心网网元云化演进步骤建议如下 ：（1） 现阶段： rcs 在互联网基地已经开始部署应用，ims as、cscf/bgcf 等网元已经完成实验室测试，开始现网的技术试点。（2） 控制类网元 （mme、 pcrf） 、 数据类网元 （hss/hlr） 、信令转接网元（dra） ，包括有架构分离需求的媒体转发类网元（sae-gw）已处于方案论证和产品设计阶段，技术成熟后应尽快推动现网引入。（3） 媒体转发面网元（mgw、sbc）

13、尚处于技术研究阶段，可根据 sdn 技术成熟度按需部署。（4） 2g/3g 电 路 域 相 关 网 元（msc、gsmc、stp）随业务量下降，传统设备面临网络的融合、替换和退网，不再考虑云化升级。核心网各系统 nfv 云化改造全面完成后，硬件平台采用通用的硬件资源，cscf、mme 等控制功能网元基于核心网资源池软件部署，gw、sbc 等网元的媒体功能下沉到转发层。3.2.2 第二阶段 ： 控制面网元功能重构传统核心网通过多个网元实体实现对用户的服务和管理，其中，mme 负责移动性管理、cscf 负责会话管理、pcrf 负责管控策略管理、hss 负责用户数据管理、as 负责业务能力管理。对不

14、同用户、不同业务、不同网络的管理需要不同的网元实体组合完成，没有统一的业务逻辑和统一的管理协调中心提供端到端的管控和服务质量保障。图1 nfv/sdn演进优先级和成熟度45 2017年1月 第 1 期（第30卷 总第232期）月刊2017 年 第 1 期 5g技 术 电信工程技术与标准化在各控制网元实现虚拟化改造、逻辑网元软件方式部署的情况下，核心网演进第二步骤需要对以上各功能网元实施整合和重构，以支持提供 5g 网络的业务需求和网络能力。核心网网元功能重构尚在规范之中，但结合 5g 网络的网络分片需求，5g 核心网目标体系应包括以下几个层次。（1） 业务处理节点 ：承接传统核心网 gw、sb

15、c 等媒体接入处理类网元的功能 ；（2） 融合控制节点 ： 承接传统核心网 mme、cscf、hss、pcrf 等管理控制类网元和 hss 等用户数据类网元的功能 ；（3） 业务能力节点 ：承接传统核心网应用服务 as、业务平台类网元的功能层次，同时支持提供网络能力开放和网络拓扑设置功能。网络功能重构架构及支持网络分片能力如图2所示。通过以上 3 个层次的网络重构和逻辑流程整合，核心网将具备端到端的网络控制能力，支持硬件基础设施（计算、存储、交换）的网络分片，满足各种业务场景下的网络能力需求。3.2.3 局点设置方式建议为充分发挥虚拟化优势、 提供端到端资源调配能力，5g 网络应遵循业务提供全

16、网集中、控制转发分级部署、业务处理分布下沉的原则设置局点。可考虑按图 3 中的几种方式进行网络部署。方式 1 ：业务能力节点全国 / 区域集中部署，融合控制节点分省部署，业务处理节点分地市部署 ；方式 2 ：业务能力节点全国 / 区域集中部署，融合控制节点、业务处理节点省集中部署。方式 3 ：业务能力节点、融合控制节点功能全国 /区域集中部署，业务处理节点分地市部署 ；在网络层次方面，方式 2 最接近现网核心网结构，方式 1 中 gw 和 sbc 下放到地市，方式 3 最为扁平 ；对现有网络影响方面，方式 3 中省公司仅承担接入转发网络的建设和维护工作，与现有运营架构差异较大；网络资源调度方面

17、，方式 1 和方式 3 的业务处理功能更接近用户，媒体路由迂回较少 ；方式 3 中控制和业务能力部分全网集中，有利用资源的共享和灵活调度。运营维护管理方面，集中化组网要求具备全国 / 区图2 功能实体重构支持网络能力分片46 2017年1月 第 1 期（第30卷 总第232期）月刊2017 年 第 1 期电信工程技术与标准化 5g技 术域中心运维能力，方式 3 业务能力与网络控制全部集中，对集中运维能力要求最高，方式 1 和方式 2 网络管理部署在省节点。综上，建议 nfv 核心网局点设置采用由“方式 2方式 1方式 3”的演进步骤，逐步形成业务控制层全网集中设置、转发处理层分布下沉的扁平化格

18、局。4 5g nfv 核心网网络演进的挑战4.1 过渡期组网上一张章节中提出了核心网各网元分步骤 nfv 演进的建议，演进过渡期存在传统设备与云化设备混合组网的场景，对网络规划设计和管理维护提出特殊要求。以现网 mme pool 为例，从传统设备组 pool 向虚拟化设备组 pool 需要经过网络过渡期如图 4 所示。网络演进过渡期演进应重点关注如下问题 ：（1） 信 令 控 制 面 网 元 nfv在先，过渡期优先考虑信令面的迁移。如 mme pool，此类网元同 pool 内可同时存在 nfv 和非nfv 设备。虚拟化 mme 设备部署于核心网云资源池，由编排器mano 进行计算、存储和网络

19、接口资源的配置和管理。（2） 媒 体 面 网 元 进 行 sdn改造。如 sae-gw 进行控制面gw-c 和 用 户 面 gw-c 分 离， gw-c 功能作为控制节点集中设置，gw-c 负责媒体的接入转发靠近用户分布设置，控制面对用户面的控制将通过 sdn 北向接口实现。sdn 架构的 sae-gw 设备应以 pool 为单位部署，不建议与传统设备混合组 pool。（3） 核 心 网 网 元 的 nfv/sdn 改造可根据虚拟化网元设备的成熟程度逐步实施，实际网络建设中，可考虑新增的网元容量引入虚拟化设备承载，不支持网络新功能的现网网元逐步进行替换、退网并引入新技术。（4） 演进过渡期内，

20、同一 pool 内传统网元和虚拟化网元同时存在，无线基站需同时接入 pool 内传统网元和虚拟化网元，pool 内的业务均衡配置需要传统设备oss 网管和虚拟化设备 mano 网管协同完成，对网络组织和 pool 资源管理都存在挑战，对网管维护要求较高。建议在虚拟化设备技术成熟的情况下，尽量减少过渡期的存续时间，也可以考虑跨过过渡期，一步调整到位。4.2 网络安全云化核心网通过云资源池的容灾机制和物理局点容灾设计，实现云化核心网的网络安全性容灾。由于核心网对硬件资源的计算处理能力、网络吞吐能力、时延保障能力、负荷均衡能力的特殊要求，核心网云资源池的建设中，图3 局点设置方案图4 过渡期组网方案

21、47 2017年1月 第 1 期（第30卷 总第232期）月刊2017 年 第 1 期 5g技 术 电信工程技术与标准化research on evolution scheme of nfv core network based on 5gyu jian-wei1, zhang bao-hua1, yu juan-juan1, bu zhong-gui2 (1 china mobile group henan co., ltd., zhengzhou 450008, china; 2 china mobile group design institute co., ltd., beijing

22、100080, china)abstract this paper analyzes the current situation and evolution need of cmcc core network. for the 5g network development, this paper researches thevirtualization architecture objectives and deploymentscheme when core networkintroduces the nfv/sdn technology. the paper also analyzes t

23、he various aspects that may be encountered in the process of network evolution, and puts forward some suggestions on how to deal with the challenges.keywords nfv; sdn; 5g; network restructure参考文献1 imt-2020(5g)推进组. imt-2020(5g)推进组-5g概念白皮书r. 2015.2 imt-2020(5g)推进组. imt-2020(5g)推进组-5g愿景与需求白皮书r. 2015.3 中国移动通信集团公司. 中国移动技术发展策略(2015)z. 2015.对基础设施的设备能力和网络组织要予以特殊考虑。例如，资源池内服务器需配置高性能专用 cpu，网络设备配置大吞吐量高速网卡，以满足