5G网络架构演进的思考

架构 重新设计5G网络架构
目录
5G网络面临的挑战 关于重新设计5G网络架构的思考
新网络架构概述
1 分布式用户面：
IMS
3
OTT
IoT
NewCore EP NewCore CP
2 Unified Control Entity Unified DB
Enterpris CP: Control Plane UP: User Plane e EP: Enabling Plane 4 D-GW: Distributed Gateway C-GW: Centralized Gateway M G T
• 集中的行业应 用 企业网VPN 时延不敏感业务 漫游Home Routed 高移动性业务
1
NewCore UP
ePCEF
CGW 5
DGW
NFV Infrastructure
• • • • 语音 时延敏感应用 本地化应用 热点本地缓存
• • • •
5 NFV Infrastructure
灵活的逻辑架构 + 统一的基础设施平台
QoS协商过程涉及网络中的多个实体，一旦出现冲突， 定位困难，解决周期很长。
为了支持基于SSL(Subscriber Spending Limits)的 QoS控制特性，定义了一个新的接口Sy。
控制逻辑分散导致的问题
分散的控制逻辑可能导致冲突。 引入新特性需要更改或增加接口，标准化周期很长。
IMT-2020推进组提出的5G愿景
5G愿景 信息随心至，万物触手 及 渗透到未来社会的各个 领域 以用户为中心构建全方 位的信息生态系统 拉近万物的距离 提供极佳的交互体验， 为用户带来身临其境的 信息盛宴
来源： IMT-2020(5G）愿景和需求白皮 书
总结
挑战
物联网 海量连接 信令开销 终端耗电 流量 视频爆发 千倍流量 体验速率 时延 自动驾驶 在线游戏 远程医疗 泛在网 多RAT 固移融合
ICT融合
R14~R16：
语音+数据
视频
开放
5G
IMS+PCC
SAE控制转发解耦
PST N
PDN
PSTN
PDN
IMS
PDN IMS
Internet
SCEF PCRF
GMSC HLR MSC/VLR
GGSN
MSC Server HLR
GGSN
MSC 服务器
PCRF HLR
GGSN
HSS
?
SGSN
MGW
A AA
DHCP Server
IP Allocation
LIG
OCS
Online Charging
CG
Off Cha line rgin g
GW
MME PCRF
LI
LI
SGSN
GTPv0V1 GTPv0V1 GTPv2 GTPv1
GTPv1
Policy
OCS
PCRF
S4 SGSN RNC MME
GTPv2 GTPv2 GTPV1 PMIPv6 PMIPv6
5G网络架构演进的思考
谭仕勇 2015.05
目录
5G网络面临的挑战 关于重新设计5G网络架构的思考
现有网络架构的痛点
HSS SPR UTRAN/ GERAN AAA
用户面： 不灵活
需支持多个控制面网元接口 可编程能力差 难以支撑动态伸缩
PDN
SGSN
MME
PCRF
OCS
OFCS
UE
eNodeB
黑盒，可以进行最优实施
Unification Simplicity
Flexibility
H.248 ForCES
数据库
来自ForCES，实现性能的优化
OpenFlo w
通过共享减少信息冗余
ForCES ：Forwarding and Control Element 重用成熟的数据库技术 Separation
地址分配 数据
LIG
信令 合法监听 合法监听
OCS
在线计费
CG
离线 计费
计 费
SGSN
GTPv0V1信令 GTPv0V1数据 GTPv2信令 GTPv1数据
GTPv1数据
控制面
策略和计 费控制 PCRF
S4 SGSN RNC MME
GTPv2信令 GTPv2信令 GTPV1数据 PMIPv6信令 PMIPv6数据
MBMS 准入 LI-C
认证
控制面安全
NewCore EP Mobile Network Service Fabric NewCore CP
Access Mobility Session Policy Charging Security SC
价值
消除冗余功能 使能网络开放
Unified DB
分布更广，更靠近用户 功能更简单 可编程性提升 融合控制面：
2 网元种类减少
统一控制逻辑 融合数据库
NFV Infrastructure
开放的使能平面： 开放更多更强的网络能 3 力 大数据
NewCore UP
ePCEF
敏捷的管理平面： 4 E2E虚拟网络自动管理 统一的NFV基础设施
用户面
网关
QoS 计费 LI LB TCP代理 HTTP代理 CDN 缓存 URL过滤 NAT
基站数量 流量 用户数量
1 10G 100
100G-1T 4T-8T 1k-10K 3-5 200-2K
NFV基础架构
时延（毫秒） 1 网关站点数量 20K
DCF：统一的用户面模型
三个参考模型
H.248协议: 由ITU-T定义，用于CS域的解耦，基于上下 文。
SGW
PGW
TDF
控制面： 控制逻辑分散
两个控制中心：MME、 PCRF 两个网元存放签约数据：HSS、SPR 众多其他网元：OCS/OFCS、ANDSF、AAA等
DHCP
Non3GPP
LIG
ePDG
BMSC
基于自主硬件
功能固定：新特性需要使用新的版本 容量固定：伸缩困难，资源闲置，扩容复杂 位置固定：不能进行动态迁移 网元众多：为了支撑新功能，不断引入新网 元
5G毫秒级端到端时延的需求，必然促使网关下移。 据估算，网关数量将增加10到100倍。 直接将现有的网关设备布置到较低位置会增加CAPEX和OPEX。 网关和控制面实体之间存在很多接口，使网络拓扑结构非常复杂。 网关布置更加分散，升级或重新配置网关更加困难
控制面的挑战
例1：MBB网络中的QoS协商
• 硬件 → 软件 • 固定 → 灵活 • 封闭 → 开放 • 网元 → 网络功能
• 通过控制转发解耦实现分布式网关是网络架构演进的第一步，华为计划在3GPP 推动相关的标准化工作。 • 后续需考虑其他重要事项，包括：
• 大数据的应用 • 物联网和相关的垂直市场 • 电信级SDN • 安全
ICT
wenku.baidu.com
分布式用户面
主要概念和数值 进一步解耦：一个接口
AAA 服 务器
鉴 权 授 权
控制面和用户面分离: 尽可能多的将控制功 能从用户面分离出来 统一模型: 建立统一的用户面模型，基于模 型定义一个可扩展的信令接口
价值 使能毫秒级E2E时延 分流本地流量 提升可编程性和扩展性
DHCP 服 务器
融合控制面
MME QoS 接入控制 位置 寻呼 网关选择 GTP-C MM 承载
Diameter
PCRF 策略 用户面安全 地址 SC 数据流 互通 计费 LI-U 控制面网关 Rx
主要思路
整个控制面融合为一个统一控制实体。 将所有有用数据聚合到统一数据库中。 基于SoA的概念重建控制面。
网络能力开放： 不成熟
用户面可编程能力差 控制面控制逻辑分散 开放所需数据分布在网络中
网络管理：复杂 NFV（网络功能虚拟化）正在改变移动网络的实现方式。 基于NFV，可以对下一代网络架构重新进行设计。
需要很多手动配置 故障定位困难 新业务上线时间长
用户面的挑战
AAA Server
GTPv1
UGW (Unified Packet Gateway)
Tunnel Data
OFCS
VPN
SGW
Tunnel Data
BMSC
……
PDN
eNodeB
Non-3GPP
MIP MIP PMIPv6 PMIPv6
GTPv2 GTPV1 PMIPv6 PMIPv6
PGW
难以满足5G网络极低的时延要求
企业应用 弹性定制 MVNO
业务创新 TTM 能力开放
运维 自动化 灵活部署
平滑演进 异构组网 互联互通 后向兼容
安全 用户隐私 统一认证
成本 CAPEX OPEX
KPI
总流量 提升1000倍 数据速率 提升10~100倍 连接数 提升10~100倍 端到端时延 减少10倍
备选技术
NFV SDN MEC SOA BigData ICN…
(HLR/HSS/SPR/AAA)
缩短新业务上线时间 简化整个网络
Unified Control Entity (MME/GW-C/PCRF/ANDSF/etc.)
架构演进历史
数据业务
R98~R99：
全IP化
语音+数据
MSC用户面和控制面解 耦 全IP R4：
扁平化
R5~R7：
能力开放
R8~R13：
Efficiency
关键 项
流表
描述
来自OpenFlow协议，灵活的数据流 控制
适用于用户面的无状态功能 白盒，利用通用硬件平台
Scalability
Applicability
Visualization
Extensibility
上下文
来自H.248协议，对流表功能的增强 适用于用户面的带状态的复杂功能
SGSN
MGW
3G流量
SGSN
2G流量
MME
S/P-GW
BSC/RNC
BTS/NodeB
RNC NodeB
RNC
eNodeB
NodeB
第一次控制转发解耦 发生在CS域
第二次控制转发解耦 发生在PS域
第三次控制转发 解耦发生在分组 网关
总结
• 作为ICT时代的第一代移动网络，5G网络与以往的网络存在很大的不同：
例2：基于SSL进行QoS控制
MME上进 行QoS协商
网关上进 HSS上进行 默认承 行QoS协 QoS签约 载的 商
SPR上进行 QoS签约
PCRF上进行 QoS协商
SPR
AF
Sy
OCS
QCI、
MME
HSS
SPR
PCRF
PCRF
UE
eNodeB
S-GW
P-GW
SCE
BBER F
TDF
PCEF
OFCS
DCF模型
DCF: Decoupling of Control and Forwarding Database（数据库)/Context（上下文）/Flow table（流表）
ForCES: 由IETF定义，用于互联网设备的解耦，基于 LFB+拓扑。
OpenFlow协议：由ONF定义，用于网络设备，基于流表。
GTPv1数据
通道创建 数据
企业网关
网关
通道创建 数据 BMSC
SGW
eNodeB
Non-3GPP
MIP信令 MIP数据 PMIPv6信令 PMIPv6数据
GTPv2信令 GTPV1数据 PMIPv6信令 PMIPv6数据
网关用户面
PGW
网关位置评估
基站 CloudB B 10-100 城域网 400800 40K80K 5-10 25-50 区域中心 2K-4K 20T-40T 200K400K 10-15 5-10 国家中心 20K 200T 2000K 15-30 1