控制和轉發分離核心網建設和運維初探

方 東

（中國聯合網絡通信有限公司河南省分公司網絡發展部，鄭州 450000）

1 引言

隨著移動互聯網的深入發展，各種移動創新業務如雨后春筍般蓬勃發展，這對網絡帶寬和時延提出了新的要求。

近年來，河南聯通4G 用戶占比的不斷增長，尤其是2I2C 套餐的推廣，使得4G 業務量呈突飛猛進的發展態勢。用戶流量的快速增長將對主設備容量及承載網絡帶來極大壓力。

而現有網絡架構中，GW 都是以集中的方式部署，傳輸距離長，轉發時延大，用戶體驗不佳。針對這個問題，3GPP 提出了C/U 分離（CUPS）的解決方案，將GW-C 面和GW-U 面分離：GW-C 面集中部署在中心數據中心，GW-U 可以靠近用戶按需下沉部署，以降低傳輸時延、節省傳輸帶寬，全面提升用戶體驗。

而對于5G 網絡，其在設計之初就采納了天然的C/U 分離架構，將用戶面設計為獨立的UPF（用戶面功能）服務，UPF 服務可以根據實際需要部署一個或者多個，其部署位置基于業務流量進行規劃，可集中部署，也可下沉到邊緣進行分布式部署，從而滿足5G 大帶寬和低時延的應用場景。

2 河南聯通CUPS 試點成果

3GPP 描述了將EPC 網絡控制平面和用戶平面分離的架構，為演進的分組核心網的SGW、PGW 功能分離提供了架構上的增強。通過分布式或集中式部署，以及控制面和用戶面功能之間的獨立伸縮，網絡部署和運行就能夠更加靈活，同時不影響其他周邊網元。

控制面和轉發面分離以后，控制平面可以集中部署，與原架構相同，而用戶面可以根據需要下沉到更加靠近用戶的地方。控制平面與用戶平面之間的接口是Sx。

5GSA 架構天然支持CUPS，提供了兩個獨立的NF，分別是SMF 和UPF，實現了控制面和用戶面的分離，SMF 通過N4接口與UPF 通信，SMF 實現控制面的功能，UPF 實現用戶面的功能。

控制和轉發分離的4G 網絡相，只需要增加5G 組件就可以平滑演進到5G 核心網。GW-U 只需要增加UPF 的資源和功能，MME 增加AMF 的資源和功能，GW-C 增加SMF 的資源和功能等等，而整體架構和組網可以維持不變。

為了驗證CUPS 架構和性能，河南聯通在2019年初進行了CUPS 試點，該試點在鄭州建設一個資源池承載xGW 控制面，在南陽建設兩個資源池承載xGW 媒體轉發面，應用軟件采用中興2G/3G/4G/5G 融合核心網（CommonCore）版本。

下沉到南陽的xGW 與洛陽大區xGW 組POOL，將南陽xGW 地址加入DNS 解析，南陽本地流量優先從本地xGW 疏導，洛陽xGW 作為容災保障網絡安全。實現聯通集團對移動核心網提出的“提升業務能力、優化網絡結構、實現設備全面容災，保持合理利用率”的總體目標。未來可以平滑演進升級支持

5GUPF。

試點結果表明，用戶流量在南陽本地169出口以后，大大節省了南陽與鄭州之間的傳輸帶寬，降低了網絡時延，試點平均延時減少30%；試點的峰值時延僅為原網絡的60%。

圖1 河南聯通南陽CUPS時延測試對比圖

3 河南聯通分組域建設思路

隨著地市CDN 固移融合改造以及實現OTT 視頻cache 功能，急需轉發面GW-U 下沉到地市，以便能夠減少流量迂回，簡化網絡結構，有效地提高當地4G 用戶的業務體驗。

因此考慮優選業務量較大的城市，按需下沉GW-U，GGSN仍維持在原地，利舊GW-U 下沉后的設備，將流量優先本地卸載，優先采用CUPS 的方式擴容，一方面有利于本地卸載流量，另一方面將來可以平滑演進至5G，保護投資。

另外，河南作為文化大省、古都大省和工業大省，可以借助用戶面下沉的建設契機進行MEC（移動邊緣計算）的布局。基于CUPS 架構的MEC 架構，GW-C 集中部署，GW-U 下沉至MEC 進行MEC 分流，本地的流量可以通過IP 五元組、DNS 等規則分流到本地，非本地的流量通過上送到大網的U 面進行處理。

借助CUPS 的部署，可以提前占領戰略高地，初步考慮可以從如下幾個方面著手：古都VR 游，通過下沉MEC 部署VR 直播，用戶可以足不出戶就能游覽到河南的古都和博物館文化。大力發展智能智造，通過MEC 部署智能園區和工業智造方案，讓河南的工業水平再上一個新臺階。提前布局智能制造，是抓住國家產業轉型升級的窗口，大力發展垂直應用，拓展新的業務增長點的大好機會。

考慮將CUPS 的試點延伸到MEC 試點，從網絡架構改造上升到垂直行業的拓展，目前可考慮的落地方案包括：

鄭州大學MEC 試點河南聯通在鄭州大學建設5G 站點可有效牽引鄭州大學科研需求，借助鄭州大學信息工程學院5G 創新實驗室的優勢，結合5G 大帶寬、高可靠低時延等特性開展基于5G 的相關技術研究，逐步形成雙向互動反饋的良好局勢，并將對科研成果轉化為產業優勢。

格力電器園區MEC 試點格力電器位于鄭州市高新區，內有大量的傳感器、AP、WiFi、PDA 等設備，以及若干4G 終端；格力生產的空調也與聯通有合作，內置4G 卡用于上報信息數據。目前園區網絡面臨辦公用戶多、物聯網接入制式多和網絡管理較為復雜的問題，亟需通過MEC 等新技術對網絡業務進行整合。可以考慮建設MEC 平臺，實現機器和設備相關生產數據的實時分析處理和本地分流，實現生產自動化，提升生產效率。

4 轉發面下沉后的運維模式

控制和轉發面分離后的運營管理模式也需要進行相應的改變，建議運營與管理也按照兩級架構進行部署：

集中網管中心流量數據維護由集中網管中心管理和控制，當網絡服務數據發生變化時，相關配置數據將通過中心SMF/GW-C同步到區域UPF/GW-U。并且負責SMF/GW-C 設備軟硬件故障告警處理、UPF/GW-U 設備軟硬件故障告警處理、SMF/GW-C 日常辦公數據管理和生產、CP/UP 項目建設和擴容牽頭、日常網絡調整、性能預警、安全應急響應、軟件版本管理等。

區域運維中心區域運維中心負責分布式UPF/GW-U 硬件的日常維護和管理，包括，UPF/GW-U 設備硬件故障告警處理、UPF/GW-U 項目新建和擴容合作、網絡日常調整協調工作等。

向邊緣云演進在邊緣云架構成熟以后，運營管理可以延伸至邊緣云的三級管理架構：地市邊緣云，區縣邊緣云，接入邊緣云；地市邊緣云和大區核心區同樣采用標準VIM 部署，區縣邊緣和接入邊緣一般采用輕量化VIM；邊緣云一般以地市為單位進行集中管理，地市邊緣云中部署邊緣統一管理平臺進行資源統一管理，CT/IT 應用根據規模可使用不同資源池部署，也可共資源池部署（共部署時需要隔離）。

5 展望

4G 改變生活，5G 改變社會！5G 時代即將到來，面對新時代大流量、高可靠、低時延的迫切需求，網絡重構的窗口已經打開。

提前實現控制與轉發分離，將轉發面下沉至用戶側實現流量就地卸載，為5G 平滑演進做好準備，提前布局邊緣云，打造垂直行業創新的星星之火，在5G 浪潮到來的時候，必將形成燎原之火。