小型化核心网,究竟会带给我们什么?

众所周知,移动通信网络通常由接入网、承载网和核心网三部分组成。而核心网,是整个网络最核心的那一部分。

作为整个网络的控制中心,核心网的作用和功能非常庞大且复杂——所有用户的数据,存放在核心网;所有用户的权限,都由核心网控制;所有用户的开机关机停机,也都是核心网在负责;用户之间的通话,由核心网负责接续;用户使用数据业务上网,也是最终通过核心网连入Internet。。。

如果将移动通信网络比作是一个人,那么核心网就是这个人的“大脑”,控制和管理着一切。由此可见核心网的重要性。

在不同的时代,核心网有不同的设备和架构。

2G时代,核心网主要包括MSC和HLR两个网元(网络单元、节点)。

MSC,就是Mobile Switching Center移动交换中心。它是当时核心网的最主要设备。

HLR,是Home Location Register归属位置寄存器。HLR和用户身份有关,存储了用户的数据,用于鉴权。

我们来看看当时的网络架构图:

2G网络架构

注意:VLR是一个功能实体,但是物理上和MSC是同一个硬件设备,所以画在一起。HLR/AUC也是如此,AUC是Authentication Center(鉴权中心)。

2G时代,我们只能打电话发短信,并不能上网。MSC这样的网元设备,我们称之为CS电路域(Circuit Switched,电路交换)核心网设备。

到了2.5G时代,我们为了让手机能够上网(访问Internet),就搞出了GPRS。GPRS是General Packet Radio Service,通用分组无线业务,它的作用,就是为手机提供数据(上网)服务。

像这种用于数据上网业务的设备,我们称之为PS分组域(Packet Switched,分组交换,包交换)核心网设备。

到了3G时代,这种网络架构逐渐成型。整个核心网的架构,变成了这样:

(为了简单,HLR等网元没有画出)

到了4G时代,核心网又发生了进一步的演进。主要的变化发生在PS分组域。为了提供更强大的业务能力,PS设备进一步升级。升级的结果是,SGSN变成MME,GGSN变成SGW/PGW。

4G核心网的架构,变成了这样:

4G LTE网络架构

(注意,基站里面的RNC没有了,为了实现扁平化,功能一部分给了核心网,一部分给了eNodeB)

MME:Mobility Management Entity,移动管理实体

SGW:Serving Gateway,服务网关

PGW:PDN Gateway,PDN网关

在3G到4G的过程中,出现了一类新的设备——IMS。它的作用,是取代传统CS(也就是MSC那些),提供更强大的多媒体服务(语音、图片短信、视频电话等)。

在硬件方面,从1G到4G,所有的核心网设备都是由设备商自己研发的硬件平台来实现的。也就是说,这些核心网设备都是独特的,专有的。

加上核心网复杂的软件功能以及极高的可靠性要求,就导致核心网设备具有很高的技术门槛。全球只有少数几家主流设备商具备核心网产品的研发和制造能力。

核心网产品的成本和售价,长期以来也居高不下。

但是现在情况发生了很大的变化。

随着通信技术的发展,核心网的各个网元设备都在不断进行演进。整体的演进趋势,就是解耦和分离。也就是说,各个设备之间的分工开始清晰,每个功能都有明确的设备来负责。

核心网网元功能的分离和解耦

这样一来,人们就开始考虑,将每个设备变成一台服务器,由服务器上面的软件,实现核心网的不同功能。

于是,就提出了虚拟化的做法。

所谓虚拟化,就是网元功能虚拟化Network Function Virtualization,NFV)。

说白了,硬件上,直接采用HP、IBM等IT厂家的x86平台通用服务器(目前以刀片服务器为主,节约空间,也够用)。

软件上,设备商基于Openstack这样的开源平台,开发自己的虚拟化平台,把以前的核心网网元,“种植”在这个平台之上。

网元功能软件与硬件实体资源分离

5G时代的核心网,就将采用虚拟化的方式实现。

5G核心网的网元,其实就是一个又一个的功能个体。每个个体,单独提供服务。这种架构,被称为SBA架构(Service Based Architecture,即基于服务的架构)。

红色虚线内为5G核心网

简而言之,5G核心网就是模块化、软件化

虚拟化给核心网带来了很多好处。虽然核心网的网元看上去很多,但是,所依托的硬件都是在虚拟化平台里面虚拟出来的,相互之间是“隔离”的。这样一来,非常容易扩容、缩容,也非常容易升级、割接,可以大大节约资源,也非常有利于降低维护难度和成本。

核心网虚拟化还带来一个好处,就是为核心网设备的小型化、轻量化提供了可能。

简单来说,你可以通过一台普通的X86服务器,实现核心网的相关功能。而不用再像以前一样,采购设备商们动辄几百万几千万的核心网专有硬件。

核心网小型化的应用场景非常广阔,举例来说,可以包括:

  • 中小型电信运营商

一直以来,对于中小型电信运营商(国外此类运营商数量较多)来说,购买核心网设备是一笔巨大的资金支出。

大型运营商因为无线基站等设备采购金额巨大,所以核心网设备通常会由设备商赠送。而对于小运营商,基站采购数量较少,金额不高。所以无法获得免费赠送的核心网设备。但是没有核心网又不行,所以只能付费购买。

如果采用虚拟化核心网,成本和价格低很多,资金压力也将大幅下降。

  • 政企专网用户

包括电力、铁路、公安、石油、港口等在内的专网通信项目,也离不开核心网。这类项目数量庞大,在各个行业领域都有应用。他们对容量要求不高,低成本、业务灵活的小型化核心网很符合这类用户的需求。

  • 高校和科研院所

出于人才培养和科学研究的需要,高校或科研单位通常也会积极建设移动通信实验室环境。

以前搭建通信实验室,最难搞定的就是核心网。单个基站和天馈系统价格只需要数万元,传输设备也可以简单实现。但核心网的话,一般都要上百万。这是很大的资金门槛,也困扰了很多高校和科研机构。

小型化核心网将是他们的福音。

  • 抢险救灾、应急保障

核心网小型化,在抢险救灾等特殊场景下,也能够会发挥重要的作用。

例如,某地如果发生自然灾害,导致传输网络中断,地区基站和省会核心网连接中断,将导致业务受阻。此事,如果有小型化带基本功能的核心网设备部署在当地,就可以保证业务的基本运行,满足基本的通信需求。

对于海外很多采用卫星进行回传的运营商网络,核心网小型化也可以起到相同的作用。但卫星线路中断时,本地的小型化核心网可以最大限度保证当地通信的畅通。

综上所述,核心网小型化拥有非常广阔的应用前景,市场潜力巨大。

目前,国内已经有企业开始利用虚拟化带来的机会,进入核心网产品的研发和制造领域。

其中有代表性的,就是位于广东深圳的深圳千通科技有限公司。这家公司是一家移动通信整体解决方案提供商,主要产品是2G/3G/4G基于虚拟化技术的低成本低功耗的小型核心网。其小型核心网及增值服务系统已经在国内和海外多个国家和地区部署,客户包括中小运营商,MVNO运营商,高校科研院所等,为客户提供稳定优质的服务。目前正在积极研发5G网络设备和核心软件,进展顺利,有望很快提供基于SA架构的5G核心网以满足市场需求。

千通科技的小型化核心网商用项目现场

随着5G网络建设的不断深入,越来越多的5G行业应用将会落地。这也就意味着,不管是运营商网络,还是专网通信网络,都会对核心网有大量的需求。核心网将不再是以前的“王谢堂前燕”,而是会飞入“平常百姓家”。

小型化核心网将凭借自身灵活机动、易于部署的特点,迎来宝贵的发展机遇!

原文发布于微信公众号 - 鲜枣课堂(xzclasscom)

原文发表时间:2019-09-17

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