面向5G的NFV核心网演进方案研究

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2017年1月第1期（第30卷总第232期）月刊
电信工程技术与标准化5G技术2017年第1期
面向5G的NFV核心网演进方案研究
于建伟1，张保华1，于娟娟1，卜忠贵2
(1中国移动通信集团河南有限公司，郑州450008；2中国移动通信集团设计院有限公司，
北京100080)
摘要本文对中国移动核心网网络现状和演进需求进行分析，研究面向5G网络发展需求，核心网引入NFV/SDN技
术和分层虚拟化的架构目标和部署方案。文中还分析了在网络演进过程中可能遇到的各方面问题，并对如何
应对挑战提出建议。
关键词网络功能虚拟化；软件定义网络；5G；网络重构
中图分类号TN929.5文献标识码A文章编号1008-5599（2017）01-0042-06
收稿日期：2016-12-05
1引言
移动通信已经深刻地改变了人们的生活，为了应对
未来爆炸性的移动数据流量增长、海量的设备连接、不
断涌现的各类新业务和应用场景，第五代移动通信（5G）
系统将应运而生。
网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）
是未来5G的关键技术。我们期望5G支持千倍带宽、
海量连接能力、多样化的业务和用户。如此高带宽需求
的灵活和可扩展的5G网络将基于虚拟化和软件定义网
络技术构建，形成资源开放、适宜开发新业务的架构，
更适合新业务和新应用创新。它提供从网络运营到业务
服务的经济和可持续发展的模式。
本文将研究5G核心网引入NFV/SDN的分层虚拟
化架构的必要性分析以及存在的问题和挑战。
2核心网网络结构现状与演进需求
2.1核心网网络结构现状
目前中国移动已经建成了一张2G/3G/4G融合的
核心网络，承载中国移动的话音、短信、数据等业务。
融合核心网中包含以下各域网元设备。
（1）2G/3G电路域核心网。电路域核心网支持
2G/3G基本话音、短信业务，包含MSS、MGW、GMSS、
GMGW、eMSC等设备。
（2）2G/3G/4G分组域核心网。分组域核心网支
持用户数据上网业务，也作为VoLTE话音的网络管
道，包含SGSN/MME、GGSN/SAE-GW、CG、DNS、
PCRF等设备。
（3）IMS域核心网。IMS域核心网包含核心侧网
元I/S/E-CSCF/BGCF、MGCF/IM-MGW、DNS，
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2017年第1期5G技术电信工程技术与标准化
IMSAS，接入侧SBC、P-CSCF等设备。已经建成
的CM-IMS网络主要承载集团客户固定接入话音业务，
正在建设的VoLTEIMS网络主要负责4G话音的控制
和接续，核心侧网元与CM-IMS融合组网。
（4）用户数据域。用户数据域主要指2G/3G/4G、
IMS三融合HSS/HLR设备，负责对各域用户的注册、
鉴权和移动性管理。
（5）信令网。信令网包含转接No.7号信令的七号
信令网和转接Diameter信令消息的Diameter信令网。
信令网均采用三级组网，包含转接省际信令的HSTP、
HDRA设备和转接省内信令的LSTP、LDRA设备。
中国移动现网运行的核心网网元由电信设备供应商
提供。厂家提供的设备硬件可分为两类，一类是厂家专
用硬件，一类是通用硬件。有些网元仅包含厂家专用硬
件，有些网元仅包含通用硬件，有些网元则同时包括厂
家专用硬件和通用硬件。同时，厂家基于其硬件平台为
中国移动定制开发相关软件功能。
2.2核心网演进需求分析与技术发展现状
目前，4G网络已经投入大面积运营，各国际通信组
织开始展望5G网络的愿景，需求调研和技术探索工作已
经展开。5GForum、EU-MERITS、IMT-2020、NGMN
和我国的IMT-2020(5G)均已发布5G愿景白皮书。面向
人和物联网的5G移动通信网，将提供多种场景下的多种
应用服务，为用户提供广覆盖、高速率、低时延、低能耗
的通信服务，相关网络规范的标准化计划在2020年完成。
对于支撑未来5G网络应用的需求，现有融合核心
网面临以下几方面问题，核心网NFV云化演进将是解
决问题的有力手段。
2．2．1建设部署模式
传统核心网设备由电信设备供应商提供和集成，软
硬件均为厂家定制设备，不具备通用性，网络的规划、
设备的采购、建设实施通常以年为周期。现有架构的网
络的建设周期、需求响应速度、网络资源调配能力均无法
满足移动互联网和5G时代海量的、变化的业务应用需求。
NFV核心网资源池的集中建设将促进各网元系统
的硬件资源共享，功能模块的软件化部署将加快各网元
的需求相应速度，减少建设交付周期。
2．2．25G网络分片需求
5G网络将支持网络分片功能，为不同的用户和业
务虚拟专用的网络资源。目前的接入网、传输网、承载网、
核心网、业务网，相互独立的烟囱式建设方式，无法为
用户提供端到端的资源预留和服务质量保障。
各网络系统的虚拟化、分层化演进，将使网络信息
传送能力的统一控制得以实现。
2．2．3多节点控制问题
目前各网络网元的控制和承载紧密耦合，不同网
络的不同系统接受不同控制中心的控制策略。MME、
HSS、SPR、PCRF、HSS按照各自规范对同一通信行
为的不同层面进行管理，无法相互协同工作制定统一的
资费和资源保障策略。
NFV/SDN架构的引入，控制承载进一步分离，各
系统同平台部署，系统互通和协同工作更为方便。
中国移动通信集团公司已经开始NFV网络部署的
技术探索和网络试点，基于云架构的融合通信RCS平台
已在南方基地部署应用。各设备厂商已提供NFV架构的
IMS域控制类网元（CSCF/BGCF、AS）产品，并将参
与集团公司在山东、河北、陕西、安徽的现网试点验证工作。
3NFV核心网目标架构及演进方案
3.15GNFV网络目标架构设想
为满足面向5G业务指标和应用场景需求，各国
际通信组织陆续发表5G愿景白皮书。其中，我国的
IMT-2020(5G)组织提出了基于“三朵云”的网络总体
架构设想。
未来的5G网络将是基于SDN、NFV和云计算技术
的更加灵活、智能、高效和开放的网络系统。5G网络架构
包括接入云、控制云和转发云3个域。接入云支持多种无
线制式的接入，融合集中式和分布式两种无线接入网架构，
适应各种类型的回传链路，实现更灵活的组网部署和更
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高效的无线资源管理。5G的网络控
制功能和数据转发功能将解耦，形成
集中统一的控制云和灵活高效的转发
云。控制云实现局部和全局的会话控
制、移动性管理和服务质量保证，并
构建面向业务的网络能力开放接口，
从而满足业务的差异化需求并提升业
务的部署效率。转发云基于通用的硬
件平台，在控制云高效的网络控制和
资源调度下，实现海量业务数据流的
高可靠、低时延、均负载的高效传输。
基于“三朵云”的新型5G网络架构是移动网络未
来的发展方向，但实际网络发展在满足未来新业务和新
场景需求的同时，也要充分考虑现有移动网络的演进途
径。5G网络架构的发展会存在局部变化到全网变革的
中间阶段，通信技术与IT技术的融合会从核心网向无
线接入网逐步延伸，最终形成网络架构的整体演变。
3.2NFV核心网演进方案
结合上述5G网络的架构愿景，现有核心网各网元
实现NFV云化和5G网络能力建议分两阶段进行。
3．2．1第一阶段：现有核心网网元由传统平台向云化平
台演进
根据各厂家设备支持情况和中国移动集团公司部署
计划，核心网各网元的NFV/SDN演进应遵循以下原则：
（1）改造价值高、有利于提供新业务、有利于网络
从CT向IT转型的网元优先演进；架构成熟稳定、演
进价值较低的网元推后部署。
（2）偏计算、控制、数据存储类的网元优先演进；
偏媒体转发、有专用硬件需求的推后部署。
（3）信令面网元NFV较为成熟，结合VoLTE大规
模建设契机，IMS控制面先行。
根据以上原则，核心网各域、各网元NFV/SDN
演进优先级和成熟度如图1所示。
综上，第一阶段现网核心网网元云化演进步骤建议
如下：
（1）现阶段：RCS在互联网基地已经开始部署应用，
IMSAS、CSCF/BGCF等网元已经完成实验室测试，
开始现网的技术试点。
（2）控制类网元（MME、PCRF）、数据类网元（HSS/
HLR）、信令转接网元（DRA），包括有架构分离需求
的媒体转发类网元（SAE-GW）已处于方案论证和产
品设计阶段，技术成熟后应尽快推动现网引入。
（3）媒体转发面网元（MGW、SBC）尚处于技术研
究阶段，可根据SDN技术成熟度按需部署。
（4）2G/3G电路域相关网元（MSC、GSMC、
STP）随业务量下降，传统设备面临网络的融合、替换
和退网，不再考虑云化升级。
核心网各系统NFV云化改造全面完成后，硬件平
台采用通用的硬件资源，CSCF、MME等控制功能网
元基于核心网资源池软件部署，GW、SBC等网元的媒
体功能下沉到转发层。
3．2．2第二阶段：控制面网元功能重构
传统核心网通过多个网元实体实现对用户的服务和
管理，其中，MME负责移动性管理、CSCF负责会话
管理、PCRF负责管控策略管理、HSS负责用户数据
管理、AS负责业务能力管理。对不同用户、不同业务、
不同网络的管理需要不同的网元实体组合完成，没有统
一的业务逻辑和统一的管理协调中心提供端到端的管控
和服务质量保障。
图1NFV/SDN演进优先级和成熟度
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2017年第1期5G技术电信工程技术与标准化
在各控制网元实现虚拟化改造、逻辑网元软件方式
部署的情况下，核心网演进第二步骤需要对以上各功能
网元实施整合和重构，以支持提供5G网络的业务需求
和网络能力。核心网网元功能重构尚在规范之中，但结
合5G网络的网络分片需求，5G核心网目标体系应包括
以下几个层次。
（1）业务处理节点：承接传统核心网GW、SBC等
媒体接入处理类网元的功能；
（2）融合控制节点：承接传统核心网MME、CSCF、
HSS、PCRF等管理控制类网元和HSS等用户数据类
网元的功能；
（3）业务能力节点：承接传统核心网应用服务AS、
业务平台类网元的功能层次，同时支持提供网络能力开
放和网络拓扑设置功能。
网络功能重构架构及支持网络分片能力如图2所示。
通过以上3个层次的网络重构和逻辑流程整合，核
心网将具备端到端的网络控制能力，支持硬件基础设施
（计算、存储、交换）的网络分片，满足各种业务场景
下的网络能力需求。
3．2．3局点设置方式建议
为充分发挥虚拟化优势、提供端到端资源调配能力，
5G网络应遵循业务提供全网集中、控制转发分级部署、
业务处理分布下沉的原则设置局点。可考虑按图3中的
几种方式进行网络部署。
方式1：业务能力节点全国/区域集中部署，融合
控制节点分省部署，业务处理节点分地市部署；
方式2：业务能力节点全国/区域集中部署，融合
控制节点、业务处理节点省集中部署。
方式3：业务能力节点、融合控制节点功能全国/
区域集中部署，业务处理节点分地市部署；
在网络层次方面，方式2最接近现网核心网结构，
方式1中GW和SBC下放到地市，方式3最为扁平；
对现有网络影响方面，方式3中省公司仅承担接入
转发网络的建设和维护工作，与现有运营架构差异较大；
网络资源调度方面，方式1和方式3的业务处理功
能更接近用户，媒体路由迂回较少；方式3中控制和业
务能力部分全网集中，有利用资源的共享和灵活调度。
运营维护管理方面，集中化组网要求具备全国/区
图2功能实体重构支持网络能力分片
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域中心运维能力，方式3业务能力与网络控制全部集中，
对集中运维能力要求最高，方式1和方式2网络管理部
署在省节点。
综上，建议NFV核心网局点设置采用由“方式2—
方式1—方式3”的演进步骤，逐步形成业务控制层全
网集中设置、转发处理层分布下沉的扁平化格局。
45GNFV核心网网络演进的挑战
4.1过渡期组网
上一张章节中提出了核心网各网元分步骤NFV演
进的建议，演进过渡期存在传统设备与云化设备混合组
网的场景，对网络规划设计和管理维护提出特殊要求。
以现网MMEPool为例，从传统设备组Pool向虚拟化
设备组Pool需要经过网络过渡期如图4所示。
网络演进过渡期演进应重点关注如下问题：
（1）信令控制面网元NFV
在先，过渡期优先考虑信令面的
迁移。如MMEPool，此类网元
同Pool内可同时存在NFV和非
NFV设备。虚拟化MME设备部
署于核心网云资源池，由编排器
MANO进行计算、存储和网络接
口资源的配置和管理。
（2）媒体面网元进行SDN
改造。如SAE-GW进行控制面
GW-C和用户面GW-C分离，
GW-C功能作为控制节点集中设
置，GW-C负责媒体的接入转发
靠近用户分布设置，控制面对用
户面的控制将通过SDN北向接口
实现。SDN架构的SAE-GW设
备应以Pool为单位部署，不建议
与传统设备混合组Pool。
（3）核心网网元的NFV/
SDN改造可根据虚拟化网元设备的成熟程度逐步实施，
实际网络建设中，可考虑新增的网元容量引入虚拟化设
备承载，不支持网络新功能的现网网元逐步进行替换、
退网并引入新技术。
（4）演进过渡期内，同一Pool内传统网元和虚拟
化网元同时存在，无线基站需同时接入Pool内传统网
元和虚拟化网元，Pool内的业务均衡配置需要传统设备
OSS网管和虚拟化设备MANO网管协同完成，对网络组
织和Pool资源管理都存在挑战，对网管维护要求较高。
建议在虚拟化设备技术成熟的情况下，尽量减少过渡期
的存续时间，也可以考虑跨过过渡期，一步调整到位。
4.2网络安全
云化核心网通过云资源池的容灾机制和物理局点容
灾设计，实现云化核心网的网络安全性容灾。由于核心网
对硬件资源的计算处理能力、网络吞吐能力、时延保障能
力、负荷均衡能力的特殊要求，核心网云资源池的建设中，
图3局点设置方案
图4过渡期组网方案
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ResearchonevolutionschemeofNFVcorenetworkbasedon5G
YUJian-wei1,ZHANGBao-hua1,YUJuan-juan1,BUZhong-gui2
(1ChinaMobileGroupHenanCo.,Ltd.,Zhengzhou450008,China;2ChinaMobileGroupDesignInstituteCo.,Ltd.,
Beijing100080,China)
AbstractThispaperanalyzesthecurrentsituationandevolutionneedofCMCCcorenetwork.Forthe5Gnetwork
development,thispaperresearchesthevirtualizationarchitectureobjectivesanddeploymentschemewhen
corenetworkintroducestheNFV/SDNtechnology.Thepaperalsoanalyzesthevariousaspectsthatmay
beencounteredintheprocessofnetworkevolution,andputsforwardsomesuggestionsonhowtodeal
withthechallenges.
KeywordsNFV;SDN;5G;networkrestructure
参考文献
[1]IMT-2020(5G)推进组．IMT-2020(5G)推进组-5G概念白皮书[R]．
2015．
[2]IMT-2020(5G)推进组．IMT-2020(5G)推进组-5G愿景与需求白
皮书[R]．2015．
[3]中国移动通信集团公司．中国移动技术发展策略(2015)[Z]．
2015．
对基础设施的设备能力和网络组织
要予以特殊考虑。例如，资源池内
服务器需配置高性能专用CPU，网
络设备配置大吞吐量高速网卡，以
满足编解码转换等运算量大、带宽
占用多、实时性要求高的网元需求。
云化核心网具备开放的架构和灵活部署能力，但同
时也带来了信息和网络安全风险，现有信息安全系统主
要针对通话、信息等基本业务进行管控和防护，还需针
对未来的5G云化网络对重点业务、个人隐私、防攻击
等方面加强安全防护保障。
4.3运营模式
核心网NFV云化将打破旧的产业格局，运营商面
临集成商、软件开发商多重身份的选择，必将推动运营
商现有运营方式的变革。核心网NFV云化对运营商运
营模式的影响分析如表1所示。
如上分析，网络功能与资源解耦需传统运营商建立
新的运维体系，现有运维体系面临调整。由于网络高度
灵活，电信运营商需逐步提升运维能力，实现网络的自
主掌控、灵活调整和资源全局控制。
5总结
本文通过对核心网向NFV架构演进的研究探讨，
分析核心网支持5G业务的能力需求，得出以下几点结论：
（1）现有移动核心网在网络部署方式、控制功能分
散和提供网络分片能力方面无法满足5G业务发展的需求；
（2）面向5G网络“三朵云”的目标架构，按照“现
网设备云化演进”和“控制功能重构”两个步骤实现
5G核心网演进升级；
（3）5G核心网的局点设置应形成“业务控制集中，
业务处理下放”的扁平格局；
（4）5G云化核心网的部署，将在演进过渡期组网、
网络安全、运营机制方面带来挑战和变革，需深入分析、
积极应对。
运营阶段传统核心网时期NFV核心网时期
网络规划、
建设各网元分别规划建设硬件基础资源统一规划建设，网元软件化按需部署，现有的分专业网络规划建设方式需要调整
设备采购按网元分类采购统一采购硬件资源，网元软件按需采购
运营维护OSS网管，话务网、数据
网、业务网横向分组维护
MANO或MANO+OSS网管，按基础设施、软
件生命周期管理、软件网元部署纵向分层维护
表1网络运营影响分析
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