從2G到5G，20年核心網(wǎng)的分裂式演進(jìn)之路

　　ICCSZ訊  從2000年GPRS首商用到2020年5G到來(lái)，這20年，核心網(wǎng)經(jīng)歷了怎樣的進(jìn)化？它又將如何演進(jìn)？

　　回顧過(guò)去，不禁為移動(dòng)通信迅猛發(fā)展之勢(shì)而感慨。數(shù)據(jù)速率從2G GPRS 65Kbit/s到LTE-A 1Gbit/s，再到5G時(shí)代10-20Gbit/s，增長(zhǎng)速度令人吃驚。

　　移動(dòng)核心網(wǎng)正是在這驚人的增長(zhǎng)速度下，不斷適應(yīng)，不斷創(chuàng)新和演進(jìn)。

　　從3GPP R6到R8，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，核心網(wǎng)的演講實(shí)際上呈現(xiàn)“分離”之勢(shì)。

　　上面這張圖告訴我們，R7開(kāi)始通過(guò)Direct Tunnel技術(shù)將控制面和用戶面分離，在3G RNC和GGSN之間建立了直連用戶面隧道，用戶面數(shù)據(jù)流量直接繞過(guò)SGSN在RNC和GGSN之間傳輸。

　　R7打開(kāi)了核心網(wǎng)分離式演進(jìn)之路。

　　因此，到了LTE R8，出現(xiàn)了MME這樣的純信令節(jié)點(diǎn)。

　　2009年，在部署LTE/EPC的時(shí)候，有人認(rèn)為核心網(wǎng)演進(jìn)之路已經(jīng)走到盡頭，繼續(xù)突破創(chuàng)新實(shí)在太難，畢竟要掌控每小區(qū)峰值速率150Mbps的網(wǎng)絡(luò)王國(guó)，實(shí)在是一件不容易的事。

　　然而，核心網(wǎng)并未停滯不前，反而展現(xiàn)出了氣吞萬(wàn)象的霸氣。

　　隨著VoLTE和VoWiFi的出現(xiàn)，LTE/EPC又引入了S2a、S2b和S2c接口，這些接口將核心網(wǎng)的控制范圍延伸到了非3GPP網(wǎng)絡(luò)，即可信Non-3GPP接入(Non-3GPP Trusted Access)和非可信Non-3GPP接入(Non-3GPP untrusted Access)連接到3GPP網(wǎng)關(guān)PGW。

　　自此，核心網(wǎng)的構(gòu)架如下圖所示...

　　圖中綠色實(shí)線表示用戶面&控制面接口。

　　演進(jìn)之路還在繼續(xù)。

　　到了4.5G面向5G時(shí)代，2017年R14階段，3GPP將再次向分離式的核心網(wǎng)構(gòu)架演進(jìn)之路出發(fā)。

　　這一次更徹底，我們可以把它叫“全分離式”的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。

　　在“全分離式”構(gòu)架下，SGW和PGW被分離為控制面和用戶面兩部分(如上圖黃色填充部分，SGW分離為SGW-C和SGW-U，PGW分離為PGW-C和PGW-U)，同樣，SGSN也被分離為控制面(SGSN-C)和用戶面(SGSN-U)。

　　為什么需要這種“全分離式”的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架?

　　目的是讓網(wǎng)絡(luò)用戶面功能擺脫“中心化”的囚禁，使其既可靈活部署于核心網(wǎng)，也可部署于接入網(wǎng)(或接近接入網(wǎng))，這就是所謂的核心網(wǎng)用戶面下沉。同時(shí)，也保留了控制面功能的中心化。

　　我們也戲稱這叫“杯子式”的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。杯子，即CUPS，Control and User Plane Separation of EPC nodes。

　　為什么核心網(wǎng)用戶面要下沉呢?這得從5G的容量和時(shí)延目標(biāo)上去理解。

　　5G時(shí)代，高清視頻、VR/AR等應(yīng)用必然給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)超大數(shù)據(jù)流量，這不但給回傳帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)，而且對(duì)核心網(wǎng)集中處理能力也是挑戰(zhàn)，只能核心網(wǎng)用戶面下沉，從集中式向分布式演進(jìn)。另外，將內(nèi)容緩存于接入網(wǎng)，更接近用戶，還降低了時(shí)延。

　　對(duì)于毫秒級(jí)的5G時(shí)延，下沉與分布式是一個(gè)必然的選擇。光纖傳播速度為200km/ms，數(shù)據(jù)要在相距幾百公里以上的終端和核心網(wǎng)之間來(lái)回傳送，顯然是無(wú)法滿足5G毫秒級(jí)時(shí)延的。物理距離受限，這是硬傷。

▲4G集中式核心網(wǎng)與5G分布式核心網(wǎng)

　　伴隨著用戶/控制面分離、核心網(wǎng)下沉和分布而來(lái)的是部署于接入網(wǎng)或接近接入網(wǎng)的分布式數(shù)據(jù)中心，并引入基于NFV的MEC(移動(dòng)邊緣計(jì)算)。

　　何為MEC?

　　我們知道NFV(網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)指的是解耦傳統(tǒng)電信設(shè)備的軟硬件，并將軟件功能運(yùn)行于通用服務(wù)器硬件上，以降低成本，縮短部署周期和激發(fā)服務(wù)創(chuàng)新。

　　與NFV一樣，MEC也強(qiáng)調(diào)功能軟件化和平臺(tái)開(kāi)放化，以提升網(wǎng)絡(luò)敏捷性，靈活性，加快部署和創(chuàng)新。

　　在標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)架上，MEC和NFV看起來(lái)不無(wú)二致，但它們是有區(qū)別的。區(qū)別主要在應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)和相關(guān)服務(wù)上，MEC根據(jù)無(wú)線接入網(wǎng)環(huán)境對(duì)NFV進(jìn)行了優(yōu)化，它將移動(dòng)接入網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)深度融合，并將云計(jì)算和云存儲(chǔ)下沉到邊緣數(shù)據(jù)中心，加速內(nèi)容分發(fā)和下載，且向第三方提供開(kāi)放接口以驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新。

　　有了MEC，PGW/SGW的用戶面就下沉到了移動(dòng)邊緣節(jié)點(diǎn)，且由NFV VIM(虛擬基礎(chǔ)設(shè)施管理)、SDN和Orchestrator(編排器)控制管理。

　　以下圖這個(gè)MEC物聯(lián)網(wǎng)用例為例，SGW和PGW用戶面下沉到MEC服務(wù)器。

　　另一個(gè)與MEC、SDN/NFV并行而來(lái)的是網(wǎng)絡(luò)切片。

　　所謂網(wǎng)絡(luò)切片，就是運(yùn)營(yíng)商為了滿足不同的商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景需求，量身打造多個(gè)端到端的虛擬子網(wǎng)絡(luò)。

　　與2/3/4G單調(diào)的手機(jī)應(yīng)用不同，5G面向萬(wàn)物聯(lián)接，將應(yīng)對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性、安全性、時(shí)延、可靠性等，甚至是計(jì)費(fèi)方式的需求是不同的。因此，5G網(wǎng)絡(luò)需要像瑞士軍刀一般能為不同的場(chǎng)景切出相應(yīng)的虛擬子網(wǎng)絡(luò)。

　　下面這張圖向我們展示了網(wǎng)絡(luò)像面包一樣被切成多個(gè)虛擬子網(wǎng)絡(luò)：高清視頻切片網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)切片網(wǎng)絡(luò)、海量物聯(lián)網(wǎng)切片網(wǎng)絡(luò)和任務(wù)關(guān)鍵型物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)絡(luò)。

　　其中，由于高清視頻切片網(wǎng)絡(luò)要求海量視頻內(nèi)容緩存(Cache)、分發(fā)和用戶就近訪問(wèn)，所以核心網(wǎng)(Core)用戶面功能下沉到了邊緣云(Edge Cloud)。

　　同樣，由于任務(wù)關(guān)鍵型物聯(lián)網(wǎng)對(duì)時(shí)延要求高，比如車聯(lián)網(wǎng)，為了降低物理距離帶來(lái)的時(shí)延，核心網(wǎng)(Core)也下沉到了邊緣云，并在邊緣配置車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)器(V2X Server)。

　　回顧歷史，展望未來(lái)，短短20年內(nèi)，核心網(wǎng)正在從集中式向分離式的方向奔涌向前，這是一種去中心化、去集中化，分享和移動(dòng)化的趨勢(shì)，有需求的倒逼，也有技術(shù)的主動(dòng)適應(yīng)，但最可貴的是，我們看到了未來(lái)將有更多來(lái)自前沿和邊緣的創(chuàng)新，看到了一種分布式的蓬勃生長(zhǎng)之勢(shì)正在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)蔓延。