從2G到5G，20年核心網的分裂式演進之路

　　ICCSZ訊  從2000年GPRS首商用到2020年5G到來，這20年，核心網經歷了怎樣的進化？它又將如何演進？

　　回顧過去，不禁為移動通信迅猛發展之勢而感慨。數據速率從2G GPRS 65Kbit/s到LTE-A 1Gbit/s，再到5G時代10-20Gbit/s，增長速度令人吃驚。

　　移動核心網正是在這驚人的增長速度下，不斷適應，不斷創新和演進。

　　從3GPP R6到R8，你會發現，核心網的演講實際上呈現“分離”之勢。

　　上面這張圖告訴我們，R7開始通過Direct Tunnel技術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，用戶面數據流量直接繞過SGSN在RNC和GGSN之間傳輸。

　　R7打開了核心網分離式演進之路。

　　因此，到了LTE R8，出現了MME這樣的純信令節點。

　　2009年，在部署LTE/EPC的時候，有人認為核心網演進之路已經走到盡頭，繼續突破創新實在太難，畢竟要掌控每小區峰值速率150Mbps的網絡王國，實在是一件不容易的事。

　　然而，核心網并未停滯不前，反而展現出了氣吞萬象的霸氣。

　　隨著VoLTE和VoWiFi的出現，LTE/EPC又引入了S2a、S2b和S2c接口，這些接口將核心網的控制范圍延伸到了非3GPP網絡，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網關PGW。

　　自此，核心網的構架如下圖所示...

　　圖中綠色實線表示用戶面&控制面接口。

　　演進之路還在繼續。

　　到了4.5G面向5G時代，2017年R14階段，3GPP將再次向分離式的核心網構架演進之路出發。

　　這一次更徹底，我們可以把它叫“全分離式”的網絡構架。

　　在“全分離式”構架下，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”的網絡構架?

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

　　我們也戲稱這叫“杯子式”的網絡構架。杯子，即CUPS，Control and User Plane Separation of EPC nodes。

　　為什么核心網用戶面要下沉呢?這得從5G的容量和時延目標上去理解。

　　5G時代，高清視頻、VR/AR等應用必然給網絡帶來超大數據流量，這不但給回傳帶來沉重負擔，而且對核心網集中處理能力也是挑戰，只能核心網用戶面下沉，從集中式向分布式演進。另外，將內容緩存于接入網，更接近用戶，還降低了時延。

　　對于毫秒級的5G時延，下沉與分布式是一個必然的選擇。光纖傳播速度為200km/ms，數據要在相距幾百公里以上的終端和核心網之間來回傳送，顯然是無法滿足5G毫秒級時延的。物理距離受限，這是硬傷。

▲4G集中式核心網與5G分布式核心網

　　伴隨著用戶/控制面分離、核心網下沉和分布而來的是部署于接入網或接近接入網的分布式數據中心，并引入基于NFV的MEC(移動邊緣計算)。

　　何為MEC?

　　我們知道NFV(網絡功能虛擬化)指的是解耦傳統電信設備的軟硬件，并將軟件功能運行于通用服務器硬件上，以降低成本，縮短部署周期和激發服務創新。

　　與NFV一樣，MEC也強調功能軟件化和平臺開放化，以提升網絡敏捷性，靈活性，加快部署和創新。

　　在標準構架上，MEC和NFV看起來不無二致，但它們是有區別的。區別主要在應用服務平臺和相關服務上，MEC根據無線接入網環境對NFV進行了優化，它將移動接入網與互聯網業務深度融合，并將云計算和云存儲下沉到邊緣數據中心，加速內容分發和下載，且向第三方提供開放接口以驅動創新。

　　有了MEC，PGW/SGW的用戶面就下沉到了移動邊緣節點，且由NFV VIM(虛擬基礎設施管理)、SDN和Orchestrator(編排器)控制管理。

　　以下圖這個MEC物聯網用例為例，SGW和PGW用戶面下沉到MEC服務器。

　　另一個與MEC、SDN/NFV并行而來的是網絡切片。

　　所謂網絡切片，就是運營商為了滿足不同的商業應用場景需求，量身打造多個端到端的虛擬子網絡。

　　與2/3/4G單調的手機應用不同，5G面向萬物聯接，將應對不同的應用場景。不同的應用場景對網絡的移動性、安全性、時延、可靠性等，甚至是計費方式的需求是不同的。因此，5G網絡需要像瑞士軍刀一般能為不同的場景切出相應的虛擬子網絡。

　　下面這張圖向我們展示了網絡像面包一樣被切成多個虛擬子網絡：高清視頻切片網絡、手機切片網絡、海量物聯網切片網絡和任務關鍵型物聯網子網絡。

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

　　同樣，由于任務關鍵型物聯網對時延要求高，比如車聯網，為了降低物理距離帶來的時延，核心網(Core)也下沉到了邊緣云，并在邊緣配置車聯網應用服務器(V2X Server)。

　　回顧歷史，展望未來，短短20年內，核心網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，分享和移動化的趨勢，有需求的倒逼，也有技術的主動適應，但最可貴的是，我們看到了未來將有更多來自前沿和邊緣的創新，看到了一種分布式的蓬勃生長之勢正在移動網絡蔓延。