5G核心網云化部署需求與關鍵技術

作者:紀光 責任編輯:呂萌 2019.10.08 08:52 來源:物聯網報告中心

5G核心網5G核心網的創新驅動力源于5G業務場景需求和新型ICT使能技術,旨在構建高性能、靈活可配的廣域網絡基礎設施,全面提升面向未來的網絡運營能力。5G系統架構采用原生云化設計思路,關鍵特性包括服務化架構(Service-based Architecture)、網絡切片、邊緣計算。服務化架構將網元功能拆分為細粒度的網絡服務,“無縫”對接云化NFV平臺輕量級部署單元,為差異化的業務場景提供敏捷的系統架構支持;網絡切片和邊緣計算提供了可定制的網絡功能和轉發拓撲。更有意義的是,5G網絡能力不再局限于運營商的“封閉花園”,而是可以通過友好的用戶接口提供給第三方,助力業務體驗提升,加速響應業務模式創新需求。

第一版本(R15)的5G核心網標準已在2018 年6月SA全會上批準凍結。具體到相關工作組的標準編制進展包括:業務需求規范完成、系統架構規范完成(含獨立組網和非獨立組網)、系統安全規范90%、接口協議規范95%、網管計費規范主體部分基本完成。

在3GPP SA2,下一版本(R16)5G系統架構預研已經啟動,方向聚焦垂直行業和網絡智能化。重點項目包括:垂直行業架構增強、大數據/AI賦能網絡自動化和增強微服務化架構。同時,ITU-T將IMT-2020(5G)網絡與NFV/ SDN等納入未來網絡的研究框架,這些預研項目為5G網絡持續發展提供了保障。因此,綜合架構特性、標準進展和發展趨勢來看,5G核心網已具備商用基礎,宜盡快啟動面向部署的相關工作。

網絡功能虛擬化網絡功能虛擬化(Network Function Virtualization,NFV)是運營商實現云化組網的關鍵技術。從2012年10月第一次正式提出NFV構 想,2013年成立ISG NFV工作組至今,其已發展成ETSI參與會員最多的工作組,共包含38家運營商在內的300多個成員。

ETSI在NFV標準化方面成果顯著,為NFV 產業發展奠定了堅實的基礎。每個版本的關鍵性成果和工作進展包括:Release-1在2013年發布的NFV參考架構和2014年發布的NFV管理與網絡 編排(MANO)框架;2015年Release-2針對功能、模型、接口及互操作標準方面進行標準化定義及完善;Release-3的工作于2016年啟動,重點研究NFV投入商用的架構框架和功能特性,以及與接口和描述符相關的新需求和規范。由于互操作接口和信息模型標準的部分議題推進較慢, 因而導致NFV Stage 3整體進展延后。

目前,基于NFV技術的解決方案已經成為運營商核心網擴容和新建的優選考慮,在全球已有超過400項部署計劃和100個多商用局點,覆蓋EPC、IMS、物聯網等多種網絡場景。通過近兩三年的概念驗證、試驗網、現網試點以及試商用等一系列準備工作,國內外運營商已經基本掌握了NFV虛擬化階段的核心技術和部署能力,可以預期不久的未來有更多的規模商用部署落地。但目前大多數部署方案采用的是基于同廠家垂直建設再整合的模式,與NFV云化階段所要求的統一云平臺解耦部署、全網資源共享、敏捷的業務編排等能力要求仍存在差距。

5G核心網對云化NFV平臺的關鍵需求

5G核心網既是對傳統移動互聯網服務能力的升級,也是向產業互聯網邁進不可或缺的關鍵一環。當前5G核心網云化部署面臨標準滯后,技術儲備薄弱和缺乏全局規模成熟的部署經驗等困難。因此從推進5G核心網云化部署的角度來說, 現階段有必要梳理關鍵需求,確定基礎框架,開展關鍵技術攻關與試驗驗證,促進5G核心網與NFV云化兩種技術協同并進。5G核心網對云化NFV平臺(簡稱云平臺) 的關鍵需求包括:

● 開放:云平臺需要實現解耦部署和全網資源共享,探索標準化和開源相結合的新型開放模式,消減網絡和平臺服務單廠家鎖定風險,依托主流開源項目和符合“事實標準”的服務接口來建立開放式通信基礎設施新生態。可靠:電信業務對現有IT數據中心(Data Center,DC)和基礎設施在可靠性方面提出了更高要求,NFV系統由服務器、存儲、網絡和云操作系統多部件構成,涉障節點多,潛在故障率更高,電信級“5個9”的可靠性需要針對性的優化方案。

● 高效:云平臺的效能需求包括業務性能和運維彈性兩個方面。業務性能體現在云平臺需要滿足5G核心網服務化接口信令處理、邊緣并發計算和大流量轉發的要求;運維彈性主要包括云平臺業務快速編排,靈活跨DC組網和資源動態擴縮容的能力。

● 簡約:5G核心網的網絡功能單元粒度更細,需要云平臺提供更輕量化的部署單元相匹配,實現敏捷地網絡重構和切片編排。NFV編排需要將復雜的網絡應用、容器/虛機、物理資源間的依賴關系、拓撲管理、完整性控制等業務過程模板化,實現一鍵部署和模板可配,降低交付復雜度和運維技術門檻。

● 智能:云平臺能夠從廣域網絡和海量數據中提取知識,智能管理面向多行業、多租戶、多場景的廣域分布的數據中心資源。引入人工智能輔助的主動式預測性運營,為網絡運營商和切片租戶提供運維優化、流量預測、故障識別和自動化恢復等智能增值服務。

如圖1所示,其中開放、可靠和高效是5G網絡功能在云化NFV平臺規模部署的基礎要求。因此,5G核心網云化部署建議采取分步推進的模式:部署初期重點考慮滿足云平臺開放性、穩定性和基本業務性能要求,確定DC組網規劃、

NFV平臺選型、核心網建設等基礎框架問題,促進5G核心網云化部署落地。待后續云平臺運行穩定后,基于NFV靈活擴展和快速迭代的特征,可按照不同業務場景的高階功能要求,逐步進行針對性優化和完善。

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圖1 5G核心網對云化NFV平臺關鍵需求

5G核心網云化部署基礎框架

 端到端組網框架如圖2所示,5G核心網部署可采用 “中心- 邊緣”兩級數據中心的組網方案。在實際部署中,不同運營商可根據自身網絡基礎、數據中心規劃等因素靈活分解為多層次分布式組網形態。

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圖2 端到端云化組網參考架構

中心級數據中心一般部署于大區或省會中心城市,主要用于承載全網集中部署的網絡功能,如網管/運營系統、業務與資源編排、全局SDN控制器,以及核心網控制面網元和骨干出口網關等。控制面集中部署的好處在于可以將大量跨區域的信令交互變成數據中心內部流量,優化信令處理時延;虛擬化控制面網元集中統一控制,能夠靈活調度和規劃網絡;根據業務的變化,按需快速擴縮網元和資源,提高網絡的業務響應速度。邊緣級數據中心一般部署于地市級匯聚和接入局點,主要用于地市級業務數據流卸載的功能,如UL-CL  UPF、4G   GW-U、邊緣計算平臺和特定業務切片的接入和移動性功能。用戶數據邊緣卸載的好處在于可以大幅降低時延敏感類業務的傳輸時延,優化傳輸網絡負載。通過分布式網元的部署方式,將網絡故障范圍控制在最小范圍。 此外,通過本地業務數據分流,可以將數據分發控制在指定區域內, 滿足特定場景的安全性需求。虛擬化層方面,針對移動核心網業務,運營商可采用統一的NFV基礎設施平臺向下收斂通用硬件,支持軟硬件解耦或NFV系統三層解耦能力。電信運營商對云平臺的核心價值關切在于高可用性、高可靠、低時延、大帶寬。數據中心組網方面,通過兩級數據中心節點的SDN控制器聯動提供跨DC組網功能,提高5G核心網切片端到端自動化部署和靈活的拓撲編排管理能力;數據中心內部組網可采用兩層架構+交換機集群(TOR/EOR)模式,減少中間層次,提高組網效率和端口利用率;或選擇Leaf- Spine水平擴展模式,實現Leaf和Spine全互聯、多Spine水平擴展,處理東西向流量;在滿足電信虛擬化網絡功能(VNF)性能的條件下,通過Overaly網絡虛擬化實現大二層,利用SDN技術,增強按需調度和分配網絡資源的能力。

核心網云化部署重點任務完成數據中心組網和云平臺部署后,可根據運營商的運營策略和發展要求啟動移動核心網云化部署工作,為5G整體商用就緒提供核心網業務能力。

5G階段,移動核心網云化部署的可能任務包括以下幾個方面:

● 4G核心網(EPC)功能升級:支持非獨立部署(NSA)EPC功能和網關控制承載分離

(CUPS)功能。

● EPC功能虛擬化:對4G核心網網元進行虛擬化改造。

● 分布式云網建設:包括分布式數據中心組網、云化NFV平臺建設、NFVO建設與網管對接、以及容器部署等。

● 5G核心網(5GC)建設:完成5G核心網功能開發,支持服務化架構、網絡切片、邊緣計算、語音等業務能力。

● 5GC部署配套建設:基于HTTP的信令網建設優化,4G/5G設備合設、混合組池和互操作,以及業管、網管和計費配套支持等。

(option3)和虛擬化改造為起點觸發5G全網云化部署是一種基于演進思路的選項,這一方面是出于保護現有投資和維持移動寬帶業務延續性的考慮,同時也因為vEPC已有部署和商用經驗, 有利于促進云網一體化建設,快速達成云化運營的目標,同時為5GC新功能部署和配套建設奠定基礎。

運營商也可以選擇直接部署支持5G基站獨立組網(option2)的5GC。直接部署5GC可以在一定規模上快速滿足5G三大場景對網絡的創新要求,第一時間把握5G新型業務的發展機遇。然而,5GC部署涉及服務化架構、網絡切片、容器等全新技術,而且5G核心網必須實現與傳統網絡的共存,滿足網絡平滑升級和業務連續性要求, 因此建議運營商在規劃時提前考慮,充分開展技術試驗驗證,推進關鍵技術和部署方案成熟。

4G/5G云端共存與融合5G窗口期內的移動核心網云化部署需要綜合考慮多業務場景和多系統共存演進的問題。利用云化NFV平臺快速業務上線,靈活功能迭代的特性,分步驟、同步性地平滑實現核心網過渡、共存、互操作和融合(如圖3),達成4/5G核心網一體化、智能化運營的目標。

第一階段,概念驗證階段:運營商可同步推進EPC升級和5GC部署概念驗證。EPC側重驗證NSA和CUPS升級功能,以及NFV平臺解耦方案;5GC重點驗證新功能特性和接口協議等。同時,基于對EPC和5GC驗證結果的評估,確定云平臺選型方案。

第二階段,組網驗證階段:重點完成試驗網驗證,并向規模組網平滑升級。EPC可先期啟動面向規模組網的NSA和CUPS功能升級,實現網絡功能云化,承接eMBB業務。5GC在試驗網階段,重點開展不同應用場景下架構、功能和性能驗證,以及MME和AMF間N26接口互操作功能驗證。同步啟動5G HTTP信令網方案論證和組網建設。

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第三階段,4/5G核心網融合階段:隨著5G 應用的涌現和5GC的試驗成熟,可以啟動5GC規模組網,引導eMBB業務向5G核心網分流,鼓勵 垂直行業切片部署嘗試。支持4/5G互操作和語音業務,驗證EPC/5GC、物理/虛擬化設備的混合組池和功能合設方案,提供無縫的業務連續性和運營一致性。

未來,智能化運營階段:基于云端4/5G融合核心網構建全新運營生態。基礎設施層面實現基于服務粒度靈活編排,以容器為單位的敏捷部署能力,構建NFV統一平臺生態;網絡業務層面圍繞網絡切片為不同行業需求定制功能增強的業務專網,實現大數據/人工智能驅動的智能運營,構建5G應用創新生態。

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5G核心網云化部署關鍵技術

NFV平臺解耦當前,討論較多的核心網VNF解耦方案包括實現軟硬件分離的二層解耦方案和實現硬件、虛擬化層和上層應用分離的三層解耦方案。二層解耦方案采用通用化的硬件設備,建設統一的標準化硬件資源池,由網絡設備廠家完成虛擬化平臺,虛擬化網絡功能和編排系統的整合。三層解耦方案可以概括為:

● NFVO作為NFV系統相對獨立的模塊,由運營商統一部署。

● VIM+虛擬化平臺與VNF+VNFM解耦支持 采用不同廠家方案進行集成。

●硬件層采用通用硬件設備。

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在一個5G核心網組網規劃的區域內,VIM+ 虛擬化平臺集成系統的數量建議盡可能收斂。異廠商的VNF+VNFM方案通過開放接口與虛擬化 平臺對接。

核心網屬于系統級網絡功能,為保證整體性能優化,其設備集成度要求較高,網絡功能和NFV平臺可采用單廠家集成模式(如VNF和VNFM)。隨著NFV平臺功能不斷完善,后續可考慮為輕量化的VNF開發提供統一VNFM功能和調用接口,有利于運營商參與NFV平臺運維開發,提升網絡服務個性化能力。

分層解耦NFV架構分層解耦的NFV架構使得運營商網絡更開放,業務部署更靈活,同時也帶來多廠商、多接口、多功能域集成的挑戰。運營商選擇的最佳模式是廠商集成交付能力和網絡靈活性間的平衡。考慮到實際部署中,統一云平臺建設往往早于網絡系統上線, 這意味著5G核心網部署三層解耦是必須考慮的環節。實現三層解耦方案需要重點考慮的問題包括:

● 解決業務平滑遷移、平臺和網絡穩定性與性能保證、跨層故障定位和運維等方面的問題。

● 強化NFV系統框架,開放接口的信息模型和統一的VNFD數據模型的標準化工作。

● 構建運營商主導,網絡設備、IT和硬件廠商廣泛、高效參與的基于“開源+標準”的新型統一NFV應用生態。

● 著力培養云化NFV平臺和虛擬化網絡功能開發運維團隊。

容器技術引入

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5G核心網服務化架構基于微服務設計,網絡服務的粒度更細,容器技術是實現業務靈活編排和按需功能調用所必需的云化NFV平臺能力。但是,當前NFV技術標準基于Hypervisor、以支持虛機部署為主,因此5G核心網部署初期,可采用虛機容器方案。

考慮到5G核心網VNF對性能的要求,容器一般是嵌入在廠家提供的VNF內。容器管理功能CaaS(Container as a Service)嵌入在VNFM內(如圖5-(a)),NFVO不感知容器的存在。這一方案的好處是可直接使用ETSI NFV 現有架構,無需改造。各個容器共享所屬虛機的Guest OS內核,而不需要獲取Host OS的管理權限。同時,虛機的使用能兼顧資源隔離性和安全性,比較適合核心網這種規模較大,任務密集型的網絡功能。

待容器平臺運行穩定后,有必要將廠家VNF內部的容器實現對外暴露,便于運營商逐步規范容器應用框架和優化5G核心網微服務架構方案。在容器虛機方案的基礎上,圖5-(b) 引入獨立部署CaaS平臺對容器資源進行管理調度,統一對外提供容器的調用接口。基于CaaS 平臺,VNF由容器構成,以容器粒度進行資源管理編排調度。容器可以使用虛機容器、裸機容器兩種方式進行部署,有利于逐漸將MANO 對生命周期的管理從以虛機為單位轉向以容器為單位,全面獲取容器性能損耗小、啟動速度快、可敏捷開發部署的增益。

不同的容器部署方案還有助于更好的調配不同區域數據中心的資源:在核心DC,考慮到容器隔離需求較強、沿用NFV技術要求和資源池等因素,可優先選擇虛機容器方式進行部署。在邊緣DC資源緊張的情況下,可優先選擇裸機容器方式進行部署,提高集成度和靈活性。

如前所述,要發揮容器的最大效用,需盡快開展VNFM增強支持CaaS的工作,實現不同資源類型(虛擬機資源和容器資源)的統一管理, 協助VNFM支持混合業務場景的功能管理。對vnfm-vnf接口、vnfm-caas接口、caas-nfvo接口和nfvo-vim接口進行容器化改造,實現CaaS與MANO網元解耦,同時考慮容器在安全性和可靠性等方面的加固要求。



5G核心網的演進將進一步打破網元界限, 將網絡功能解構為服務,以服務為基礎進行調度編排、資源配置。在虛擬化資源層通過軟件化開放接口,能夠組織各種網絡服務提供業務,旨在構建NFV統一應用生態。

未來基礎設施將更貼近云化架構:CaaS對容器服務進行管理,IaaS為CaaS提供虛機或裸機資源,Iaas/CaaS平臺對接通用的云架構。待CaaS標準化成熟后,不僅有利于敏捷開發部署,快速響應業務的頻繁迭代變更,而且可以利用成熟的IT解決方案,促成ICT 的深入融合,有利于推動產業共同進步繁榮。

切片友好運營

面向部署的網絡切片需要具備按需設計、自動部署、SLA保障、智能化分析預測、安全隔離以及租戶可管可控等關鍵運營能力,以引導垂直行業選擇切片開展應用創新,拓展全新運營模式。

初期切片運營,多廠商管理以及NFVO都在建設中,云平臺可以根據租戶關鍵性需求,先上線5G核心網子切片,實現網絡服務(NS)快速部署與業務配置激活等切片功能,并利用分層SLA指標監控以及跨層根因定位來提供運維保障。隨著面向垂直行業的增強架構標準和云平臺切片運維配套功能的逐步完善,切片租戶在切片運行過程中也愈發明晰組網、架構和資源用量需求,最終將形成以網絡切片為單位的信息基礎設施運營模式,充分發揮5G核心網和云化NFV平臺敏捷服務提供的能力。

切片本質上是運營商提供給租戶的邏輯專網,租戶定制的網絡、計算和存儲資源節點布放其間。一個完整的切片上可能既有運營商提供的網絡功能,也有租戶定制開發的網絡功能,因此必須將用戶關注的信息從不同層面和不同網絡域中加以整合提取和集中呈現,實現租戶對切片的可視、可管、可控、可編排。在傳統的運營商視圖基礎上,需要為切片租戶的運維人員提供租戶運維視圖,其內容是對運營商運維業務級視圖、網絡級視圖、網元級視圖和用戶終端視圖基礎上的二次定制,包括關鍵業務KPI指標、終端接入信息、套餐化配置、關鍵事件提醒(如成功率、故障,配額,費用等)。

NFV運維配套

電信級的業務對數據中心的可靠性提出了更高要求,因為NFV系統較傳統系統的業務節點跟多,潛在的故障點和風險系數提高。IT設計需要通過構建VNF系統多級容災、備份體系來構建電信級高可靠性,應對運營挑戰。

IT級容災:單數據中心支持硬件多路徑, 多可用區(AZ), 提升單DC可靠性。每個可用域都配備獨立的供電和網絡,當DC內單AZ出現故障的時候,業務可以快速切到另一個AZ。

網元級容災:采用多路架構應對多點故障, 提升VNF可靠性。采用狀態數據與業務處理解耦的無狀態設計,即使系統內多虛機同時故障,也能將業務快速切換到剩余的虛機上,從容應對多服務器故障;開展A/B測試,提供敏捷業務發布,降低現網商用風險。

網絡級容災:跨DC網元間Pool ,提升網絡可靠性。當單DC,單虛擬網元功能VNF故障時,業務快速切換到其他DC的VNF,保證業務可用;通過業務與多DC并聯,達到業務的電信級高可靠性。

此外,5G網管系統與云平臺對接,實現編排、監控、升級等云網業務流程一體化和自動化是運維配套的另一重點任務,主要內容包括:

● 網管定制,支持4G/5G 網元共管

● 混合Pool管理

● 支持虛機和容器資源的編排和管理

● NFV域編排和管理能力構建

● 網管北向支持EPC/5GC網元共管

● SDN實現5G部署和切片網絡配置

● 網絡切片的部署和管理能力構建

● 端到端切片業務發放對接BSS平臺

X86通用硬件性能

當前,基于通用服務器的虛擬化設備在性能和集成度方面低于物理設備是全產業共同面臨的問題,這一問題在5G大吞吐量指標要求和邊緣計算機房高集成度要求的背景下顯得尤為突出。NFV系統需要針對5G核心網業務需求提供全面的加速能力:

● 優化通用CPU和存儲單元,滿足5G核心網、MANO等網絡功能對計算和數據存儲能力的要求。

● 綜合軟件加速,如DPDK+SR-IOV,和專用硬件加速技術,如NP和FPGA等,提升用戶面轉發性能和硬件集成度。

● 優化服務化架構的信令交互性能:改進HTTP2 Client/Server通信機制,提升請求/響應處理能力,降低信令處理時延。

● 優化邊緣計算性能:針對邊緣平臺語音圖象識別、VR/AR等計算密集型應用,提供GPU、AISC等硬件加速方案。

物理用戶面設備是部署早期滿足高性能、高密度流量處理以及保護現網投資的一種選擇。基于COTS平臺的軟件加速技術和硬件加速技術能夠實現從物理用戶面設備的平滑演進, 滿足按需彈縮、部署靈活性和動態切片編排的需求,是NFV平臺的關鍵技術環節。特別地, 邊緣計算業務要求網關下沉和邊緣業務處理, 需要同時具備高性能、高集成度和靈活部署業務的能力,X86+硬件加速技術在這一領域有廣泛的應用和創新空間。

與服務器綁定的專用硬件模塊會降低NFV 平臺的靈活性且成本較高。一種解決思路是將加速硬件同樣視為NFVI統一管理下的一類資源,通過VIM北向接口對上層管理和編排功能暴露,實現統一的資源管理、業務編排和流量導入,即專用資源通用化。也可以通過獨立的PIM或者專有設備能力直接提供北向接口,對上暴露資源給MANO,減少VIM的復雜度,保持功能清晰獨立。


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