NFV硬件资源池规划建设重点

（一）核心网基础知识介绍

1．什么是核心网

核心网即通信网络中处在网络架构中间位置的一系列网元的总称。目前移动已经建成了一张2G/4G/物联网融合的核心网络，承载移动用户的语音、短信、数据等业务，核心网网络组织结构如下所示：

2．电路域基础知识介绍

（1）电路域网络结构

以MSC POOL为单位组建网络，通过关口局实现与其他运营商的互联互通，2/3/4/5G用户遵照不换号原则，共用HSS/HLR，主要承载窄带语音、短信业务，随着话务量向VOLTE及VOIP迁移，现有电路域承载的话务量逐渐降低，但MSS所承载的物联网业务仍不见减少。网络结构如下图：

（2）电路域主要网元介绍

MSS:负责完成信令层面业务的处理，并控制MGW的业务信息。

MGW：完成呼叫接续、越区切换控制、无线信道管理等功能，并产生和存储计费信息。完成承载控制、媒体流的转换和净荷处理（如编解码、回音抑制、会议桥的建立）等功能。

关口局：GSM网与其它通信网络互通的接口设备，是完成互联互通转接的网关。

HLR：归属位置寄存器。存储和管理归属移动用户信息，这些信息包括用户信息和位置信息两类，用户信息一般为静态数据，主要有用户的有关号码及用户类别，签约的电信业务、承载业务等。

3. 分组域基础知识介绍

（1）分组域网络结构

作为数据业务承载的通道，负责2/3/4/5G的数据业务承载，传统网络的MME、SAE-GW、PCRF采用各厂家专用设备，以MME POOL、SAE-GW POOL、PCRF POOL的方式组网。网络结构如下图：

（2）分组域主要网元介绍

SGSN ：是GPRS用户接入交换子系统的接入点，主要负责GPRS用户的接入控制、与HLR协同工作执行GPRS用户的附着、位置更新等移动性管理，以及对GPRS用户的计费等。

GGSN ：是GPRS网与外部分组数据网（如：Internet、企业专用网等）的接口。GGSN接收移动台发送的数据，选路到相应的外部网络，或接收外部网络的数据，根据其地址选择GPRS网内的传输通道，传给相应的SGSN。此外GGSN还有地址分配和计费功能。

无线资源逼近“香农极限”移动通信核心网需引入NFV

王慧娟;何力毅

【期刊名称】《通信世界》

【年(卷),期】2016(000)016

【总页数】2页(P51-52)

【作 者】王慧娟;何力毅

【作者单位】中讯邮电咨询设计院有限公司上海分公司;中讯邮电咨询设计院有限公司上海分公司

【正文语种】中 文

未来的5G 移动通信系统无论是从连接、运营，还是业务需求等方面，都对核心网络提出了新挑战。

目前，移动用户爆炸式增长，频率资源紧缺，数据传输速率需求呈现几何级数式增长，能源的巨大消耗以及网络的优化问题等都成为需要解决的核心问题。

由于频谱资源的稀缺以及空口技术频谱效率提升空间受限于“香农极限”，因此在5G系统的研究中，研究人员逐渐认识到网络架构对网络容量提升的重要性。而移动通信系统从2G、3G 逐步演进到现在的LTE ，相对于接入网技术的变革，核心网络架构并没有发生根本性的变化。

未来的5G移动通信系统无论是从连接、运营，还是业务需求等方面，都对核心网络提出了新挑战。从连接需求角度，我国IMT-2020推进组认为，5G关键能力体系将呈现巨幅增长。从运营需求角度，5G将面临每比特的能耗和成本压力、升级困难、扩展性差、资源利用率低，以及多网并存导致的网络管理、用户体验等问题。从业务需求角度，网络服务的继承、提升及创新都要求更高的带宽、更低的时延，而虚拟运营方式的引入，则需要更细粒度的划分和更灵活的策略控制，新业务的部署以及与第三方的合作。

未来，用户对网络性能的需求将进一步加大，如果网络能力不能满足发展需求，缺点将不断暴露出来。如移动网络体系结构越来越复杂、设备庞杂、性能提升空间小；网络设备种类繁多，导致运营商升级困难，扩展性差；现有的接入技术还不能实现无缝切换；控制和转发紧耦合，数据面过于集中，而控制面过于分散，无线资源配置效率低；P-GW功能过分集中，导致设备极其昂贵，成本和收益形成“剪刀差”；P-GW造成路由迂回单点失效导致整个系统的可靠性变差等。

2020年，国铁集团在《国铁集团关于加快推进5G技术铁路应用发展的实施意见》（铁发改［2020］144号）中明确将铁路5G专网（5G-R）作为铁路下一代移动通信发展制式，加快5G-R技术攻关，为推动新时代铁路高质量发展提供有力支撑［1］。我国铁路通信技术发展路线与国际铁路联盟（UIC）一致，遵从国际标准化技术体系［2］，充分利用标准化技术和产业支撑条件，基于第三代合作伙伴计划（3GPP）规范的公网通用架构，结合铁路应用特点，增加铁路特定功能需要的网元，形成5G-R系统架构，聚焦关键业务和应用［3］，实现承载无线调度通信、列车运行控制、行车指挥等应用业务。5G-R系统包括核心网、无线接入网、用户设备、应用接口/接入管理设备和运营与支撑系统。其中，核心网为用户提供网络连接、对用户进行管理、实现业务承载，并提供到应用系统的接口。5GC是核心网中重要的网元，是实现业务的关键，围绕铁路实际应用和场景，开展5GC组网技术和部署方案的研究十分必要，可为网络规划、工程建设提供参考。1　5GC架构5G-R核心网包括5GC、MC（宽带集群通信）设备、DNS（域名服务器）、RADIUS（远端拨入用户验证服务）、5G-EIR（5G设备识别寄存器）、5G-IN（5G智能网）、一级NRF（网络存储功能）、一级SCP（服务通信代理）等［4］。其中，5GC包括接入和移动管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）、策略控制功能（PCF）、统一数据管理（UDM）、认证服务器功能（AUSF）、短消息服务功能（SMSF）、网络切片选择功能（NSSF）、计费功能（CHF）、用户面功能（UPF）、二级NRF、二级SCP等。5GC基于服务化架构，支持网络功能虚拟化（NFV）/软件定义网络（SDN），具有网络接入控制、注册和连接管理、移动性管理、会话管理、用户面管理、数据管理等功能。5GC构成［5］见图1，其中虚线框内为5GC网元，虚线框外为无线接入网、用户设备等。按照网元的类型，可采用的容灾方式主要包括：①NRF等互联互通类网元，可采用主备或负荷分担容灾方式；②AMF、SMF、UPF等接入管理类网元，可采用池组POOL负荷分担容灾方式；③PCF、UDM/AUSF等存储类网元，可采用主备方式或者负荷分担容灾方式，要求数据实时同步。2　组网原则目前，5G-R核心网包括全路共用核心网设备和局核心网设备，根据业务需求规划边缘计算节点。根据5G-R系统技术特点和铁路业务需求，借鉴GSM-R建网经验，总结5GC组网原则如下。1）5GC组网应以铁路局集团公司为单位进行集中部署，就近与无线调度通信、CTCS-3级列控等系统互联，与运输生产组织架构相适应，满足维护界面清晰、应急响应快、处置高效等需求。特殊情况下，可下沉设置网元，以符合业务要求。NEF（可选）NRFAUSFAMFPCFUDMAFSMFSCPNWDAF(可选）RANUEDNNnefNnrfNpcfNudmNafNausfNamfNsmfN1N2N3SMSFNsmsfNSSFNnssfCHFNchfTNGF（可选）N6UPFN4N9AF：应用功能UE：用户设备DN：数据网络RAN：无线接入网NEF：网络开放功能 NWDAF：网络数据分析功能TNGF：可信非3GPP网关功能 图1 5GC构成——75G-R系统核心网5GC组网技术和部署方案研究铁道通信信号 2023年第59卷第1期2）由于5GC服务范围广，若发生故障，影响范围大，同时考虑到网元升级、无线接入，以及高速、普速铁路运维方式不同，5GC各网元在虚拟机、服务器、网元级、DC（数据中心）级等方面均应采取容灾备份机制，保证系统的可靠性、可用性和可维护性。3）5GC组网和部署方案应充分考虑列车跨局、跨线运行等应用场景和需求，确保车地信息交互安全可靠、高效畅通，保证业务的连续性、安全性，并应实现GSM-R既有业务的无缝迁移，保证系统之间平稳过渡。3　部署方案3.1　数据中心部署方案按照网络规划，在铁路局同城异地部署2个DC站点（机房），实现信息集中存储和处理。在DC内搭建虚拟化云平台，满足各应用业务的资源需求。5G-R核心网包括全路共用设备和局核心网设备，建议采用“2地4中心，18个铁路局”的组网架构。其中，5G-EIR、5G-IN等设备全网共用，部署在2个城市4个机房节点，实现地理容灾；局核心网设备（包括5GC、MC、DNS、RADIUS等）下沉在铁路局部署，2个DC内部的局核心网设备软件、版本、容量和处理能力相同，形成同城异地容灾备份。5GC原生支持NFV、AMF等网元部署，并运行在虚拟化平台上。DNS、RADIVS等核心网其他网元也均可部署在云平台上。5GC通过承载网与全路核心网共用设备，与其他铁路局5GC互联，实现跨局业务转接和处理。全网DC规划部署架构见图2。各铁路局DC内分层组网架构见图3，自下往上分别为接入层、核心层和出口层［6］。

SDN和NFV技术特点

SDN 最大特点是实现了控制和转发分离，网络设备分离为单独的控制设备及转发设备，转发设备功能简单化，控制与转发间遵循标准的Openflow 协议，使得设备和网络性能更佳高效，进一步细分产业链；网络资源控制集中，计算资源、存储资源和转发资源池化，全网的控制集中到一点，通过控制器可以控制全网，可以有效提高网络资源的管理和控制效率；提供可编程接口，控制器提供丰富开放的可编程API接口灵活编排变化，可以通过软件对网络的资源、拓扑、策略、路由等内容进行动态定义。

SDN 能有效提高全网资源使用效率，提升了网络虚拟化能力并革命式的创新了网络架构。集中式的控制层可完成路由测算、资源集中监控、拓扑管理等功能，精确采集全网资源使用情况，安全隔离不同用户间的虚拟网络；应用层通过开放丰富接口提供可编程环境，采用软件优化网络功能、调度监控网络资源，提高网络资源的使用率和网络质量，同时将虚拟网络配置的能力开放给最终用户，满足用户按需调整网络的需求。

NFV 采用虚拟化技术，将传统的通信设备功能与硬件解耦，采用通用的计算、存储、网络设备实现通信网络功能，打破了专有硬件对网络的限制。NFV有助于提升网络建设、管理和维护的效率。在NFV 方式下，新业务的上线、更新由传统的硬件建设和割接转变为软件加载过程，建设周期大大缩短。结合云计算资源池的规模优势，可以实现多种业务共享资源和集中化管理，大幅提升管理和维护效率。