【摘要】新业务对5G网络建设和运营提出了新的要求，因此结合业务愿景，分析EPC核心网架构存在的局限和NGC网络关键技术选择，给出NGC网络阶段部署计划和三级DC网络组织，通过云化的网络架构演进，实现敏捷部署、弹性伸缩、智能开放的5G核心网架构。
【关键词】EPC NGC NFV 网络切片 数据中心
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000 中图分类号：TN929.531 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2018)01-0000-00
引用格式：徐大伟,何力毅,周新荣. 核心网从EPC向NGC的演进[J]. 移动通信, 2017,42(1): 00-00.
Core Network Evolution Deployment from EPC to NGC
XU Dawei, HE Liyi, ZHOU Xinrong
(China Information Technology Designing & Consulting Institute Co., Ltd., Shanghai 200050, China)
[Abstract] Businesses and technologies promote the evolution of core network architecture. According to business visions, this paper analyzes the limitation of EPC network architecture and the choice of key technologies of NGC network firstly, then presents NGC network stage deployment plan and three level DC network organization.The evolution of cloud-based network achieves NGC architecture with agile deployment, flexible scalability and smart capability.
[Key words] Evolved Packet Core Next Generation Core Network Function Virtualization network slicing data center
1 引言
未来5G将会催生4k/8k、VR/AR、全息通信、V2X、网联无人机、远程医疗、智慧产业、万物互联等应用，推动社会发生深刻变革，使社会各个领域更加高效运转，提升用户体验与生活质量。新业务对5G网络建设和运营提出了新的要求：大带宽、低时延、本地化的传输能力，大连接、多场景、弹性高效的网络能力，快速、低成本的建设运营能力。而现有传统移动网络所承载的业务相对单一，核心网设备软硬件耦合度高，网元功能固化，开发周期长、代价大，且功能定制繁琐，无法满足新一代网络架构弹性、敏捷、智能、开放的特点。复杂固化的网络架构也导致了复杂的业务上线流程，加剧业务部署的难度，延长运营商的业务开通和创新周期。
下文将从运营商现有EPC网络架构分析入手，结合5G标准研究与NFV技术应用现状，研究核心网网络的演进部署方案，支持核心网的敏捷部署、迭代开发和智能开放。
2 核心网架构现状
2.1 EPC架构现状
传统EPC网络架构如图1所示，主要网元包括MME、S-GW、P-GW和HSS，实际组网中，S-GW和P-GW可以合设。MME是EPS移动性管理和会话管理的信令处理实体；SGW是一个终止于E-UTRAN接口的业务网关，对每一个与EPS相关的UE，在一个时间点上都有一个SGW为之服务；PGW是面向PDN终结于SGi接口的网关，如果UE访问多个PDN，UE将对应一个或多个PGW；HSS是用于存储用户签约信息的数据库。
在EPC架构中，SGSN功能分裂成MME和S-GW，MME专注于控制面功能，通过与HSS的交互完成用户的接入控制，并负责S-GW与基站之间的路由协商；S-GW专注于数据面处理，包括GTP的封装、解封装、上下行GTP数据报文的转发等。数据从终端用户到达P-GW，通过GTP隧道的方式逐段从基站送到P-GW，S-GW和P-GW上保留了GTP隧道的建立、删除、更新等GTP控制功能。
图1 传统EPC网络架构图
2.2 EPC架构局限分析
传统EPC核心网控制面与数据面分离不彻底，且数据面功能过于集中，EPC网络架构存在如表1所示局限，难以满足5G业务的需求：
表1 EPC架构局限分析
针对传统EPC核心网面临的问题，未来5G网络为了能够更好地适应网络数据流量的激增，核心网架构需要支持本地分流、控制面与数据面分离、控制面集中化、以及基于通用硬件平台实现软硬件解耦等，从而具备灵活性和可扩展性。
3 5G核心网架构演进
5G网络通过光纤般的接入速率、“零”时延和高可靠、千亿设备的连接能力、多样化场景的一致体验、超百倍的能效提升，实现“信息随心至，万物触手及”。与4G相比，5G具有更强性能：体验速率更快（4G×100）、连接数密度更高（4G×10）、空口时延更低（4G×0.2）；5G具有更多场景：增强移动宽带场景eMBB（增强/虚拟现实、云端机器人……）、低功耗广覆盖场景mMTC（海量物联网、智慧城市……）、低时延高可靠场景uRLLC（车联网、网联无人机……），5G网络构成全新一代基础设施，打造跨行业融合新生态，打造万物互联的新世界。
业务愿景、SDN/NFV技术驱动5G系统架构研究项目关注的热点技术方向包括：1）网络切片、2）QoS、3）移动性管理、4）会话管理、5）用户面和会话连续性、6）新型接口、7）互通和演进、8）融合接入等。业务需求和5G技术关联如图2所示：
图2 业务需求与5G技术关联示意图
借鉴IT领域的“微服务”设计理念，3GPP SA2工作组提出基于服务的系统架构SBA（Service-based architecture），如图3所示，将网络功能定义为多个相对独立可被灵活调用的服务模块：统一数据库UDM、认证服务器功能AUSF、接入及移动性管理功能AMF、会话管理功能SMF、用户面功能UPF、能力开放功能NEF和功能注册NRF。
5G SBA架构进行控制面重构，重新定义控制面网络功能，实现网络功能去耦合，使得功能可灵活组合，并能独自演进和更新；采用服务化接口，可被多个网络功能对端复用调用，提高接口实现效率。
图3 基于服务的5G系统架构图
相比EPC架构，NGC将以彻底云化的网络架构为基础，实现网元微模块化、原子化，按需灵活组合上线；实现网络切片，各垂直行业应用的网络逻辑隔离；C/U彻底分离，C面模块化设计灵活组合，U面按需分布，利于计算边缘化；构建DC部署的云化基础设施。
4 5G核心网演进部署
根据5G标准、产业链成熟程度，运营商可于2018年至2019年进行5G网络试点、试商用，2020年起考虑商用部署。NFV技术是5G核心网基础，5G网络部署时间倒逼NFV尽快商用，而NFV部署是一个渐进的过程，可以从控制到转发、从增量到存量、从核心到边缘、网络节点DC化等原则有序推进核心网虚拟化。
如图4所示，5G网络将构建以三级DC基础架构的云化网络，一级DC部署服务全国、大区或全省的业务、控制面网元；二级DC部署服务本地网的业务、控制面及部分用户面网；三级DC部署接入层以及边缘计算类网元。云资源池中硬件采用通用硬件服务器，以x86架构为主，ARM架构为辅，存储从集中存储逐步向服务器存储过渡；虚拟层VIM以Openstack为主，Hypervisor以KVM为主，后续可向容器类中间件演进。
图4 三级DC云化网络示意图
DC内组网采用Spine/Leaf的分层架构，如图5所示，接入交换机负责各种物理资源连接，按管理/存储/业务三个平面进行物理隔离，并分别成对配置；核心交换机负责转发DC内部的东西向流量；边界设备（Border leaf）负责对外业务出口，成对配置；如果资源池服务器/存储数量较少，可不部署接入层交换机，边界设备与核心交换机合设。
图5 DC内部组网示意图
初期，不同的DC之间如有互通需要，主要通过已有承载网互通；后期，城域承载网络和骨干承载网络分别实现融合，最终DC间通信逐步融合为目标云承载网。
5G建设初期，NGC在热点区域部署，和EPC之间通过Nx接口进行互操作：
（1）基于NFV平台，引入NGC；
（2）HSS和UDM全融合，实现统一数据管理；
（3）EPC和NGC共UP，控制面通过Nx接口传递UE上下文；
（4）随着传统EPC设备老旧退网，逐步向NGC迁移。
中后期，核心网逐步实现云化，EPC逐步融合演进，实现统一核心网：
（1）NFV云化三层解耦，全网统一管理编排；
（2）随着传统EPC设备老旧退网，逐步向NGC迁移，支持EPC与NGC融合组网；
（3）支持3GPP和Non-3GPP多种接入方式；
（4）支持端到端的网络切片。
5 总结与展望
本文首先分析EPC核心网架构存在的局限和NGC网络关键技术需求，结合NFV技术提出三级DC云化网络架构和NGC网络阶段部署计划。在后期的运营商NGC网络试点、试商用部署中，会进一步深入研究VNF需求模型、DC间网络组织和NFV电信级可靠性等问题。
参考文献：
[1] IMT-2020(5G)推进组. 5G愿景与需求白皮书[S]. 2014.
[2] 杨峰义. 5G网络架构[M]. 北京: 电子工业出版社, 2017.
[3] IMT-2020(5G)推进组. 5G概念白皮书[S]. .2015.
[4] IMT-2020(5G)推进组. 低时延高可靠通信场景、需求及性能指标研究报告[R]. 2014.
[5] 熊伟. EPC核心网接口带宽流量的规划设计[J]. 移动通信, 2015,39(2): 17-20.
[6] 薛淼,符刚,朱斌,等. 基于SDN/NFV的核心网演进关键技术研究[J]. 邮电设计技术, 2014(3): 16-22.
[7] 苗杰. 移动核心网虚拟化影响和演进分析[J]. 邮电设计技术, 2015(2): 33-36.
[8] 曹亘,李佳俊,李轶群,等. 5G网络架构的标准研究进展[J]. 移动通信, 2017,41(2): 32-37.
[9] 于建伟,张保华,于娟娟,等. 面向5G的NFV核心网演进方案研究[J]. 电信工程技术与标准化, 2017,30(1): 42-47.
[10] 李平,王雪,于大吉. 5G网络演进方案及运营思路探讨[J]. 邮电设计技术, 2017(3): 5-9.
[11] 杨旭. EPC向5G核心网架构演进探讨[C]//面向5G的LTE网络创新研讨会(2017)论文集. 2017: 5.
作者简介
徐大伟：高级工程师，现任职于中讯邮电咨询设计院有限公司上海分公司，从事核心网络相关咨询、设计工作。
何力毅：高级工程师，现任职于中讯邮电咨询设计院有限公司上海分公司，从事核心网络相关咨询、设计工作。
周新荣：高级工程师，现任职于中讯邮电咨询设计院有限公司上海分公司，从事核心网络相关咨询、设计工作。
