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基于NFV云化的移动核心网部署与解决方案研究

http://www.c114.com.cn ( 2019/6/20 13:22 )

摘要

本文主要是中国联通山东分公司首局点部署云化C/U分离架构的解决方案,经过实际运行和测试,在减少时延、提升用户体验、优化运维、节省投资和网络演进方面均有较大提升。

关键词

NFV  云化   混合组POOL  分布式架构   演进  SA

概述

随着5G网络的到来、4G用户数据流量持续高速增长、用户体验需求不断提升,对核心网和承载网建设带来巨大挑战。现有核心网网络架构已不能满足业务发展的需求,需要通过C/U分离技术及网络功能虚拟化、混合组POOL等技术实现流量的本地分流和卸载,以便为用户提供更大的带宽,更低的时延,更好的业务体验。

2018年初山东联通决定进行NFV商用验证,引入云化核心网网元vMME、GW-C和GW-U,将GW-U在泰安进行设备下沉,验证NFV网络架构,同时满足未来5G网络需求。

EPC传统网络架构网络现状及面临的问题

2.1流量增长迅猛

随着移动宽带业务类型的进一步丰富,尤其是视频类业务的普及,业务所需的带宽也在逐步提升。最新统计数字显示,2018年,移动用户户月均使用流量4.42GB,是图1移动互联网介入流量和户均接入流量

2013年的30多倍。2018年12月,移动用户户月均使用流量6.25GB,是上年同期2.3倍。

图1 移动互联网介入流量和户均接入流量

2.2现网资源消耗

随着业务的发展,对运营商的传输资源消耗也在快速增长。一方面可以对传输网络进行扩容,另一方面也可以从网关C/U分离后用户面下移部署,伴随内容源和CDN节点一起下移部署的角度,来节省宝贵的传输资源。但是不同运营商的传输资源情况也各不相同,一些中小型的运营商,可能面临传输资源不足,甚至是租用传输的情况;一些运营商由于所处的地理位置的限制,比如岛屿区域、光纤部署困难等,传输资源受限。这些场景下,下移部署网关C/U分离的用户面和内容源,来节省宝贵的传输资源,是必要的选择。

2.3新业务对网络的需求

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。

当前各大运营商部署的EPC网络,其架构决定了数据业务的出口在SGi接口,而SGi接口通常要覆盖一个比较大的区域,部署位置比较高,这样的部署对于运营商的维护和建网成本有一定的好处,但是SGi接口的部署位置高也导致了UE业务的访问路径比较长,时延大,对EPC网络架构提出了新的挑战。

用户的业务体验提升是运营商不断追求和努力的方向,也是运营商吸引客户、留住客户、提升品牌价值的有效手段。从网络侧来看,端到端的业务访问时延越小,则业务体验越好,例如,某局点实测结果显示,视频业务的时延减少10ms~15ms,vMOS值可以提升0.1~0.2。这样容易得知,把业务服务器尽可能的部署到靠近用户的位置,即内容服务器下移部署,就可以缩短用户访问业务的时延,从而提升用户的业务体验。

山东省EPC传统网络现状及问题分析

3.1山东省网络现状

山东联通分组网在济南康巴丝一层西机房、四里村21层西机房、三枢纽9层西机房各安装3台华为GGSN 9811设备,作为公众应用SAE-GW,软件版本为V900R009;在海尔路182号联通大厦6层机房、山东路13号枢纽楼11层机房及辽阳东路12层机房各安装2台华为GGSN 9811设备,作为公众应用SAE-GW,软件版本为V900R009;公众应用SAE-GW总容量为2206万激活PDP。

济南、青岛设置汇聚路由器采用口字形上联至同局址的AR路由器;汇聚路由器与AR路由器之间采用OPTION A方式互联,运行EBGP协议。各本地网CE之间组网为MPLS VPN组网,CE有单独的自治域;各节点CE路由器与汇聚交换机SW之间运行OSPF多实例。

泰安属于济南大区,其分组域网络组织如下:

图1.1-1山东联通分组域网络现状(济南、临沂大区)

3.2问题分析

传统组网方案基于传统架构EPC核心网设备,所有流量均需要迂回至大区中心。存在以下问题:

(1)移动网络流量增长迅猛,网络压力大,近几年,移动核心网每年对承载网的投资大幅增加。

(2)因业务增长迅猛,现网资源消耗巨大,对大区所在地的机房、电源提出来更高的要求,大区核心机房物理资源非常紧张,已经无法有效满足业务发展需求。

(3)传统模式下,网络层级过多,网络时延、下载速率、运维效率都面临瓶颈,用户体验需要提升。

(4)5G核心网发展迅猛,而网关C/U分离是通向5G核心网的必经阶段,因此,山东联通在泰安做出试点,将泰安四分之一的流量通过C/U分离的架构实现。

网络架构发展趋势

4.1网络发展方向及步骤

5G核心网的架构在标准上已经定稿,基于控制面和用户面分离的架构,且控制面之间采用服务化接口。从4G到5G的网络演进路线,MME网元演进到5G中的AMF,SPGW演进到5G中的SMF+UPF,其中SMF为控制面,UPF为用户面。这就意味着,网关C/U分离是通向5G核心网的必经之路。如图2所示:

图2 5G核心网架构及接口图

5G核心网网元之间的接口,协议上进行了重新定义和描述,其中SMF和UPF之间的N4接口,基于PFCP协议,与网关C/U分离的Sx接口的协议栈相同,从协议上能够保证从网关C/U分离平滑演进到5G。

根据当前的理解与规划,由4G向5G的演进大致可以分为下面三个阶段:阶段一为网关C/U分离阶段,主要解决4G网络扩容,以及EPC网络业务体验提升等问题。阶段二为5G的NSA组网阶段,通过软件增强现网的EPC网元,支持通过NR接入5G终端,以较少的网络改动快速支持5G业务开展。阶段三为5G的SA组网阶段,即5G网络成熟部署阶段,控制面融合了4G和5G的功能,NR直接与UPF对接。如图3所示:

图3 4G向5G演进的三个阶段

山东联通EPC MME组网分为三个pool,分别是济南大区、青岛大区及临沂大区。其中济南大区由JNMME01/02/03/04/05/06组pool承担济南、淄博、泰安、德州、聊城、东营、滨州及莱芜等8个地市的业务;青岛大区由QDMME01/02/03/04/05/06组pool承担青岛、烟台、威海及潍坊4个地市的业务;临沂大区由LYIMME01/02/03/04组pool承担临沂、枣庄、日照、济宁及菏泽5个地市的业务。当前已完成JNMME05、QDMME05、LYIMME03的NSA升级改造工作,全省已具备5G测试条件。

4.2NFV云化方式部署vMME和GW-C、GW-U

NFV即网络功能虚拟化,是一种全新的网络搭建方式。传统的电信设备都是垂直一体化,软硬件产品都来自同一家厂商,且不同厂商间的设备无法实现互通,都是一个个的“黑盒子”。NFV将原本封闭设备中的网络功能释放出来,并通过搭建开放的网络平台统一承载。NFV是未来网络的基础性技术,有助于实现软件化的基础通信网络。核心网虚拟化是NFV在移动核心网中的具体应用,其最终目标是利用通用服务器存储和交换设备来取代原通信网络中专用网元。通用设备成本低廉,能够为运营商节省大量的投资成本。经过软硬件解耦后,网络设备功能将不再依靠传统专用硬件,能够实现资源的灵活共享,并有利于新业务的开发和快速部署。

山东省NFV网络建设方案

本项目基于NFV架构的RH2288服务器部署,同时与现网传统架构GW进行容灾,并测试容灾倒换功能,能够实现传统架构向NFV架构的平滑演进。

5.1山东省NFV网络建设方案

为确保网络的安全和平滑演进,全国创新性首次采用NFV和现网传统设备混合组POOL的方案。具体方案如下图所示:

将网关的控制面和用户面分离,GW-C(C面)和vMME保留在济南(省中心区域),GW-U(U面)下沉到泰安,下沉后网络架构如图5所示:

图5 泰安U面下沉后网络架构图

vMME:部署于省中心,与济南大区现网5套MME混合组pool,承载济南大区所有用户接入;

GW-C:部署于省中心,承载泰安地区用户信令面接入;

GW-U:部署于泰安,承载泰安地区用户数据面接入;

图6 泰安U面下沉后业务流程图

5.2实施步骤

CU分离架构实施主要步骤如图7所示:

图7 CU分离实施步骤图

(1)济南新建云化的MME网元,将vMME加入MME POOL轮选;

实现传统和云化vMME混合组POOL,满足业务安全的前提下实现逐步替代。

(2)济南新建云化的GW-C网元,MME/DNS选择网关增加新建的GW-C网元;

GW-C集中部署,统一出信令接口连接周边设备,简化网络部署,达到集中信令控制的目的。

(3)建设地市DC机房,基于云化部署GW-U;

GW-U分布部署,贴近用户,部署到城域甚至更低,缩短业务访问路径,提升用户业务体验。

(4)打通GW-U和C面链路,采用UTN方式连接,可以和Gn侧共用 VPN;

控制面和用户面通过Sx接口和包转发控制协议PFCP连通。当需要通信时控制面会通知对应的用户面创建对应的Sx session,从而控制面的信令可以下发到各个用户面上,各个用户面也可以将计费信息等数据送至控制面。

(5)与网管通过DCN连接,需要确认配套交换机是否满足1G端口需求;

CSM集中部署,地市DGW网元部署依赖省份CSM,因此对DCN带宽有需求,要求满足1G带宽。

(6)地市配套传输建设,打通GW-U地市网络出口,新增一对防火墙,进行用户NAT,并发布GW-U用户的地址池路由;

U面下沉,用户地址由CGW统一管理分配,用户面业务直接由地市出口,地市需要新增防火墙进行用户地址NAT转换,由私网地址转换为公网地址。用户地址资源分配由省公司统一完成,地市需要配合完成用户地址发布。

(7)U2000升级,支持对接云化的MME、GW-C和GW-U网元;信令面与新建的云化GW-C网元对接;

U2000配合网元进行升级,云化网元18.1,U2000需要升级为V200R018以上版本,否则对云化网元无法进行管理。

5.3实施经验和亮点

截至目前,已完成济南、泰安的网络割接,各项网络指标平稳运行。

5.3.1安全可靠性

实现了传统架构和虚拟架构的混合组POOL,提高了网络完全性,降低了网络复杂度。

图8 混合组POOL

泰安新建CU分离设备与现网传统UGW JNSAGW0601/JNSAEGW0801/JNSAEGW1101组建SAEGW POOL,泰安1/4业务量在CU设备承担,3/4业务量在传统UGW网元承担,CU出现故障不影响用户正常上网。

5.3.2减少流量迂回

由用户面流量由承载网承载改为城域网,解决了用户流量增长带来的流量迂回问题,达到预期效果。

使用济南传统UGW,测试终端到FTP服务器经过10个数通设备。

图9 传统组网下的网络路径

使用泰安DGW,测试终端到FTP服务器经过6个数通设备,减少4个数通设备。

图10 CU分离组网下的网络路径

5.3.3节省承载网投资

流量本地分流节约省内承载网干线投资;以视频监控回传为例,1080P(200万像素)的视频格式每路摄像头可节省4Mbps的带宽资源。

按照每个数通设备需要扩容的百G网络端口计算,CU分离后,因泰安四分之一流量的减少迂回,就可以节省承载网投资约80万。

5.3.4提升用户感知

云化的分布式核心网和内容服务器CDN的同步下移部署,可以缩短用户访问业务的端到端的时延,是提升用户业务体验的有效手段。通过将用户接入泰安GW-U和济南现网SAE-GW?进行比对测试,用户面就近本地分流到业务服务器时,业务体验有明显提升,平均时延缩短28%,下载速率提升25%。

C/U分离部署之后,数据配置统一从GW-C下发,运维效率提升87.5%。

见下图:传统UGW室外测试,FTP下载:峰值速率48.61Mbps,平均速率46.61Mbps;泰安DGW室外测试,FTP下载:峰值速率60.7Mbps,平均速率59.54Mbps。

图11传统UGW室外测试FTP下载速率

图12泰安DGW室外测试FTP下载速率

结论

综上所述,山东联通在泰安进行的NFV网络架构试点,符合协议演进方向,提升了用户体验,减少了投资,并优化运维效率,可进一步在全网推广,2019年将继续在烟台、潍坊、临沂、济宁等大区部署推广,为实现全网5G核心网架构打下基础。

参考文献

1、吴成林,许驰,陶伟宜5G CUPS技术在4G移动核心网的应用 [J].移动通信,2018,42(07):81-86.

2、刘光毅 黄宇红  《5G 移动通信系统 从演进到革命》  人民邮电出版社

3、鞠卫国 张云帆 《SDN/NFV 重构网络架构  建设未来网络》   人民邮电出版社

4、郑圣  姚勇  《电信技术》 2018年03期 基于CU分离的物联网研究分析

作者:王荣 张巾莹 崔萍 李慧敏

   来源:邮电设计技术

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