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中国电信移动核心网虚拟化部署的探索与实践

2017-12-14 09:18    it168网站 原创  作者: 厂商投稿 编辑: 李雪薇

  【IT168 案例】随着4G网络的大规模部署和智能手机的普及,移动业务正从以话音、短信业务为主的模式快速转变为以移动互联网业务为主的模式。在移动互联网OTT业务的巨大冲击下,运营商处于一种被动挨打的态势。运营商现有网络架构封闭、扩展困难、新业务成熟周期过长、创新缺乏,不能满足移动互联网业务按需供给、随需而变和灵活快速的需求。因此,运营商急需一个能够实现资源灵活调度、业务快速上线,且可以节省投资的网络来应对困境。从目前的情况看,NFV(network functions virtualization,网络功能虚拟化)/SDN(software defined network,软件定义网络)的理念是解决运营商困境的一个比较有效的方法。

  移动核心网元虚拟化后,可按需弹性提供网络资源,解决了传统设备无法灵活扩缩容的问题;由于硬件设备标准化和通用化可以有效降低了网络成本;通用设备的使用,可以极大地降低新业务成熟周期,满足多业务复杂的应用场景。但是NFV技术目前也仍存在COTS设备可靠性低、厂商三层解耦能力不足能技术挑战。

  2016 年 7 月中国电信集团公司发布《CTNet2025 网络架构白皮书》,明确了未来网络的演进路径,坚持“网络云化”和“新老协同/能力开放”两条腿并行的方式。为了接应集团公司的号召,中国电信上海研究院成立项目组,在移动核心网网元(包括P-GW、MME、SGW、ePDG、CG等)虚拟化技术领域进行了积极而深入的探索,并分别开展vEPC和vePDG现场试验,将研究成果在中国电信上海公司现网上进行了有效的尝试。

  通过本次实践,一方面在验证NFV技术灵活性、低成本、易部署的优点在现网运营的实际意义,另一方面也通过实验室开发测试与现网验证相结合的模式,积极推动产业链,推进可靠性和三层解耦能力等问题的解决。

  一、方案概述

  本方案以支撑NB-IoT和VoWiFi业务商用为目的,在电信机房建设全套虚拟化移动核心网网络(包括vPGW、vSGW、vMME、vePDG、vCG),与IT系统、NB-IoT使能平台、VoLTE-IMS网络打通,建立端到端的试验环境。

  为了验证vEPC各个虚拟网元的网络功能,验证传统EPC与vEPC在相互叠加组网时,根据配置不同IMSI、不同号段、不同APN等方式的分流方法是否可以按预定设想进行分流,同时验证各个接口的信令是否正常;分别在不同组网形式下进行试验,为后续的全面化商用部署提供依据。

  为了验证VoWiFi业务商用能力,本项目通过研究3GPP S2b相关标准,制定了VoWiFi技术方案,对组网架构、虚拟化ePDG网元功能性能要求、相关接口要求、主要业务流程进行了明确定义,并在中国电信上海公司现网完成部署。之后进行大量的虚拟化功能及MANO功能的现网测试。

  本项目实施过程中,完成了《基于S2b的非受信的WLAN接入EPC的核心网总体技术要求》等4项CCSA行业标准和1项研究报告的立项,制定了《中国电信LTE EPC系统设备支持VoLTE的增补技术要求》等4项中国电信企业标准,并在《电信科学》发表了1篇论文,获得了专利受理6件。

  二、 应用场景

  本项目的主要应用场景之一为NB-IoT业务。上海公司拥有大量物联网应用为主的行业类客户,具有各自的个性化需求,但是目前传统的 EPC 业务扩展性较差,无法完全满足用户需求。为此,在上海电信进行 vEPC 试点,解决现实的业务场景和迫切的需求。主要以 NB-IoT 为网络切入点,试点基于 vEPC 的端到端组网和业务适配,满足窄带物联网灵活部署、快速开通和网络安全的要求;以行业应用为业务出发点,解决大量的行业和企业定制化需求,满足 vEPC进行灵活随需的配置;同时以融合组网为发展着眼点,研究现网与 vEPC 融合组网方案,安全隔离策略和业务区分策略,满足现网用户的不同需求。

  本项目的主要应用场景之二为VoWiFi(Voice over WiFi)业务。VoWiFi是基于WiFi无线接入、LTE核心网和IMS网络,承载于分组网络的电信级基础语音业务。移动终端用户通过WiFi网络接入后,分别在LTE网络IMS网络注册后进行呼叫接续。本项目对基于NFV的虚拟化设备vePDG(VoWiFi业务关键网元)进行标准化要求,并在现网中部署试点,通过功能测试、拨打测试等手段验证虚拟化设备的扩缩容能力、易部署能力和可靠性。

  本次vEPC试点对现有运营业务和试商用VoWiFi业务有完美的适配和承载能力,同时也展现了vEPC与传统EPC网络的融合能力。

  三、 详细方案

  1 整体描述

  1.1 虚拟化网络架构

  基于虚拟化技术的核心网络架构,以移动核心网络为例,其分为两个主要部分,即硬件层和虚拟层。硬件层主要包括各种硬件资源,如网络硬件、计算机、存储硬件等。虚拟层额范围功能和管理两个部分组成。其中虚拟功能部分是以虚网络功能为主题,利用不同的软件对不同的网络功能加以实现;虚拟管理部分包括虚拟化的网管、设施管理、编排器等部分,主要负责虚拟化网络管理的实现,如下图所示;

中国电信移动核心网虚拟化部署的探索与实践

  基于虚拟化技术的核心网络对原网络的网元功能和接口的技术要求保持不变,其改变主要体现在硬件平台的改变,使硬件及软件能够在统一的平台上实现。

  在NFV变革的浪潮之下,电信运营商在积极探索新的技术道路的同时,也会避免再度落入供应商锁定的窘境,同当前网络架构(独立的业务网络+OSS系统)相比,NFV从纵向和横向上进行了解构,按照NFV设计,从纵向看分为三层,如下图所示:

中国电信移动核心网虚拟化部署的探索与实践

  1.基础设施层:NFVI是NFVInfrastructure的简称,从云计算的角度看,就是一个资源池。NFVI映射到物理基础设施就是多个地理上分散的数据中心,通过高速通信网连接起来。 NFVI需要将物理计算/存储/交换资源通过虚拟化转换为虚拟的计算/存储/交换资源池。

  2.虚拟网络层:虚拟网络层对应的就是目前各个电信业务网络,每个物理网元映射为一个虚拟网元VNF,VNF所需资源需要分解为虚拟的计算/存储/交换资源,由NFVI来承载,VNF之间的接口依然采用传统网络定义的信令接口(3GPP+ITU-T),VNF的业务网管依然采用NE-EMS-NMS体制。

  3.运营支撑层:运营支撑层就是目前的OSS/BSS系统,需要为虚拟化进行必要的修改和调整。

  在NFV方面,解耦是首当其冲的问题,目前业界有不解耦、软硬件解耦和三层解耦这三种思路。本项目在实施过程中也根据厂商设备的实现能力分阶段实施:

  ● 第一阶段由于各厂商设备还不具备分层解耦能力,主要实现单一厂商vePDG与vEPC的硬件资源共享,统一网管、统一MANO。

中国电信移动核心网虚拟化部署的探索与实践

  ● 后期将基于各厂商设备分层解耦能力,逐步实现各NFV网元使用统一硬件服务器、云操作系统和统一MANO

中国电信移动核心网虚拟化部署的探索与实践

  1.2 试验组网

  本项目以NB-IoT、本地物联网业务、垂直行业应用、VoWiFi业务为切入点,在网络中部署虚拟化移动核心网,和传统EPC部分网元结合,形成叠加组网方式,稳步推进vEPC和VoWiFi商用,并跟进商用进程和网络技术发展,后续实现混合组网,逐步把移动核心网全软件化,利于向5G核心网的演进。本次试验的整体组网如下图所示。

中国电信移动核心网虚拟化部署的探索与实践

  组网说明:

  1、 vEPC承接本地NB-IoT业务,以及本地部分垂直行业应用类业务,由传统EPC承接集团NB-IoT业务;

  2、 vePDG网元承接VoWiFi业务,VoWiFi用户接入vePDG经传统型P-GW对接VoLTE-IMS,由P-GW为锚点实现VoWiFi与VoLTE的双向无缝切换

  1.3 验证内容

  本次移动核心网虚拟化工作在现网部署完成后,进行了大量的测试工作进行技术验证,主要的测试内容有:

  (一) 网元虚拟化功能验证

  1、 网元实例化自动部署

  2、 手动扩缩容

  3、 多呼叫模型下自动扩缩容

  4、 冗余保护

  5、 物理机、虚拟机故障时VNF的正常工作

  (二)MANO功能验证

  1、 VNF Package管理

  2、 VNF实例生命周期的管理

  3、 性能监控

  4、 故障管理

  5、 虚拟资源管理

  (三) 虚拟化网元对业务的支持情况验证

  1、 NB-IoT业务端到端业务验证:验证NB-IoT业务的小数据包和低功耗等特性;其它业务,验证低时延、大流量业务的验证,如视频业务。

  2、 VoWiFi业务端到端业务验证:通过大规模拨打测试验证vePDG网元的可靠性

  3、 NB-IoT小数据包和低功耗特性:验证vEPC支持NB-IoT业务的基本功能和流程,如寻呼优化、Non-IP小数据传输优化等;

  4、 NB-IoT大连接特性:验证vEPC对物联网大连接特性的支持情况;

  2.2 技术特点

  核心网虚拟化后,网络服务和网元管理自动程度显著提高。网络服务生命周期管理、网元生命周期管理等整个过程都自动化完成,从物理网元时代的几周甚至几个月,到虚拟化时代的几十分钟甚至十几分钟,极大改善了运营商开通新业务的需求。

  2.2.1 平滑演进,资源随选

  此前上海电信现网使用传统EPC,新建设的虚拟EPC在承接一些专有业务的同时,可能会有某些不稳定的故障,使用传统EPC与虚拟EPC叠加组网,实现虚拟EPC与传统EPC之间的快速切换,切换过程中不影响业务,可靠性更强。

  2.2.2 弹性扩容,可靠保障

  根据当前网络状态,实现虚拟资源按需申请或释放,既体现了高资源利用率又符合节能减排的理念。如下图所示:

中国电信移动核心网虚拟化部署的探索与实践

  在日常维护时,系统自动根据话务量调整虚拟机数量,实现网元间、地区间或子网间硬件资源共享。特别是在重大节假日话务激增时,动态调整资源。在话务闲时通过关停虚拟机和物理机,系统进入节能状态,节能减排5~10%。

  与传统EPC相比,vEPC扩容时间由原来的数周减少为现在的几分钟。同时可以快速支撑业务,建立专有网,大大提高效率,而且有利于向下一代核心网NGC演进。

  2.2.3 三层解耦,灵活部署

  虚拟化技术实现了软硬件解耦,同时基于NFV架构的设计理念,使得系统部署更加灵活开放。本项目的业务切入点为NB-IOT业务和VoWiFI业务,这两种业务均为新兴业务,此前在传统网络架构下,对于新兴业务的设备投资非常难易估算,业务流估算如果过高会导致资源的浪费,如果过低一旦业务出现井喷式发展存在扩容周期长的问题,而虚拟化设备的使用很好的解决了这一矛盾,统一的硬件资源,灵活的扩缩容机制可以在一定的资源下进行合理调度,有效提高资源利用率。

  2.3 方案亮点

  上海电信公司开展 vEPC 现网试点,形成现网部署经验。具体方案亮点如下:

  1. 以 NB-IoT 为网络切入点,试点基于 vEPC 的端到端组网和业务适配,满足窄带物联网灵活部署、快速开通和网络安全的要求。

  2. 以行业应用为政企用户出发点,试点基于 vEPC 能力的产品化和能力开放,解决大量的行业和企业定制化需求,满足 vEPC进行灵活随需的配置。

  3. 以VoWiFi业务为个人用户出发点,进行业务试商用,解决居民区移动信号覆盖差的问题,为未来VoLTE与VoWiFi的协同商用提供技术保证。

  4. 以融合组网为发展着眼点,研究现网与 vEPC 融合组网方案,安全隔离策略和业务区分策略。同时针对技术发展,研究针对 Cat-M 物联网应用、5G 网络发展以及 NFV 网络切片。

  四、 商业价值

  1.网络更加便捷

  与互联网OTT快速的业务创新和响应速度相比,运营商传统的网络架构在新业务开发与创新能力、速度方面慢了不止一拍。而NFV/SDN使运营商能够整合基础设施云化的资源弹性、SDN赋予的网络弹性以及NFV带来的业务弹性,根据业务需求对网络、VNF以及云基础设施统一调度和协同工作,使其能够在业务增长时自动增加业务实例和在业务下降时自动减少业务实例,实现整个系统资源端到端的自动部署和灵活调度,加快业务上线速度。这就需要运营商采用先进的云化软件架构,支持程序与数据分离,将业务状态存储在独立的分布式数据库中,使业务处理单元可以任意弹性伸缩,根据业务量的增减灵活增加或释放所占用的虚拟机资源,且伸缩过程中当前业务不会受到任何损失。

  2.网络更加智能化、自动化

  当前,基于数据中心的网络虚拟化、软硬件解耦、网络个性化、海量第三方业务的引入、业务和资源的自动编排和弹性伸缩,均要求整个网络必须具备可维护、可服务、可运营的特征。此时,就需要通过统一的智能编排系统,按照不同的业务和策略对网络、资源、网元进行统一调度和统一变更,并自动集成和整合运营经验,达到业务自动编排和运维自动化,从而降低工作量、减少维护复杂度;同时需要支持对业务KPI进行实时监控,在关键业务KPI下降达到一定范围后,针对故障原因启动自动告警、自动切换等一系列措施,实现系统故障自愈;还需要支持在网络软硬件解耦后进行端到端的故障定界定位,对各个组件的安全信息比如日志、告警和异常输出等进行智能分析和关联,快速定位或提前预测系统安全隐患。总之,无论网络如何转型,电信级可靠性都是通信网络必备的特性,通过多层级的可靠性策略以及多种技术创新,保证网络虚拟化后仍然可以保持99.999%以上的电信级可靠性。

  3. 支持不同企业、不同场景的灵活部署

  NFV/SDN技术的出现,使得运营商可以方便灵活地整合自己的管道能力,将自身的网络能力直接开放给第三方提供服务(即VNF as a Service),打造全新的生态环境,增加运营商自身营收。这就需要帮助运营商向第三方合作伙伴提供一站式网络能力开放平台,包含开发、测试、上线、运维全业务生命周期在内的一体化运营模式,将运营商的语音、视频、会议、消息、位置、带宽、数据等通信资源封装成API或者SDK开放给合作伙伴,加快新业务的创新和上线,实现运营商与合作伙伴、甚至与OTT的双赢。

  4. 推动产业链发展

  本项目通过与产业链中相关企业合作,共同探讨技术方案,并一起在现网环境下进行测试,推动了产业链中各企业设备对业务功能的支持。

  ● vEPC及vePDG设备厂商:华为、诺基亚、爱立信、中兴

  ● 刀片服务器厂商:Intel、浪潮

  ● 操作系统厂商:Redhat、windriver

标签: 中国电信
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