中国电信中兴未来移动核心网演进趋势白皮书

目录 目录2 前言3 1概述4 2八大演进趋势5 2.1云原生演进，提升网络柔性5 2.2空天地海，提供全域网络覆盖7 2.3分层分布，提升网络健壮性9 2.4场景定制，提升网络灵活性12 2.5网络智能，提升网络智能化14 2.6算网融合，提供连接计算融合服务17 2.7应用使能，提升网络服务能力19 2.8虚实多感，提供全新业务体验21 3总结与展望23 参考文献24 缩略语25 前言 5G网络商用已满三年，围绕eMBB（增强移动宽带）、uRLLC（低时延高可靠）以及mMTC（海量大连接）三大应用场景，极大地提升了用户的通信体验，推动了行业的数字化和智能化转型。5G不仅增强了人与人通信，为用户提供超清视频、VR/XR等身临其境的极致业务体验，更扩展到人与物、物与物通信，满足移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等物联网应用需求。 展望2030年后的未来，人类将进入一个“虚实通感，全域智联”的世界，数字世界与物理世界将相互交融，人类社会将进入泛在互联的智能化时代，下一代移动通信网络将搭建人类与数字世界的桥梁。而在网络演进过程中，核心网的演进有着举足轻重的作用。一方面，核心网上接各种业务和应用，是整个网络业务的汇聚点，也是未来业务发展的发动机；另一方面，核心网下连各种制式的终端及接入网，是整个网络拓扑的中心，牵一发而动全身。 本白皮书系统化分析5G核心网当前的现状和系统优化方向，畅想核心网演进目标，提出了未来核心网演进的八大趋势，希望能为业界在核心网架构设计和关键技术的研究提供参考，共同推进移动核心网的未来发展。 研究单位： 中国电信研究院、中兴通讯电信云及核心网 1概述 从1G语音、2G语音和文本，到3G多媒体、4G移动互联网，再到5G的场景连接，移动通信的发展过程，不仅为人类社会发展提供各种便利，更是通过支持日新月异的创新应用潜移默化的改变人类的生活方式、工作方式和社交方式，为人类的经济和社会进步做出了卓越的贡献。随着5G大规模商业部署，以超大带宽、超低时延和超大连接为特征的5G新基建，正成为数字经济发展的重要引擎，推动千行百业实现数字化高质量转型。 5G与IT技术的结合，使得移动核心网获得革命性的成功。服务化架构SBA和IT的HTTP/2接口协议，结合云化技术，实现了网络的高度灵活性、定制化、开放性以及服务化；智能化网元NWDAF的引入，开启了移动核心网智能化、自动化的新征程。伴随着技术的发展以及软硬件能力的提升、既有应用的进一步发展，可以预见，后5G以及6G将涌现更多的新应用、新场景需求以及新的技术发展趋势。 图1移动核心网演进趋势关系示意图 为应对这些变化，业界对移动网络进一步融合人工智能、空天地一体化、分布式架构、云原生等方面已形成初步共识。本白皮书结合未来业务需求、技术发展趋势以及当前5G的增强需求，从移动核心网的三大维度（架构演进、网络能力、业务能力），甄选出云原生、 空天地海、分布式、场景定制、网络智能、算网融合、应用使能和多维感知等八大技术方向，如上图所示，初步给出了与核心网结合的演进趋势和技术发展思路。 2八大演进趋势 2.1云原生演进，提升网络柔性 5G核心网架构借鉴了云原生软件架构的理念，采用了SBA服务化架构进行设计和开发，并支持云化部署，但随着5G核心网版本的迭代，新功能和新网元不断增多，当前仍然存在不少需要优化和提升的地方：一方面，网络功能的数量增加导致网络功能之间的服务交互多，服务交互的安全机制弱，服务的新旧版本切换对应的流量切换配置操作步骤复杂；另一方面，网络功能服务的可观测性差，拓扑逻辑可视化弱，服务的运行日志未标准化存储，性能指标不标准化，使得在网络功能的服务维护和定位排障方面的手段存在大量人工操作；最后，运营商在NFV阶段已有的虚拟化资源池的资产，大量以虚拟机的资源形态建设和发放，需要考虑如何复用迁移到云原生的电信基础设施，以容器资源形态运行5G网络，进一步提升网络的灵活性及资源利用率。 云原生架构是现代软件架构设计模式的演进趋势，CNCF定义云原生的5个关键属性是容器、微服务、服务网格、不可变基础设施以及声明式设计，参考CNCF的云原生的技术属性同时结合电信网络功能的高性能、高可靠、持续演进等电信级特性[1]，未来核心网架构需要在如下几个技术方向进行优化： 1）分布式服务交互：建议采用服务网格作为潜在的技术，使得服务关注自身业务逻辑，服务之间交互的安全加密，流量管理（A/B测试、canary部署和基于百分比的流量分割的分阶段部署）采用服务网格统一架构，简化系统架构设计，简化运营商部署架构，易部署，易升级； 2）可观测技术：采用云原生的可观测技术把网络服务的运行日志，性能指标输出标准化，服务调用拓扑逻辑可视化，为系统故障排查，系统优化和维护等提供可观测的基础数据，为运营商维护，优化和排障提供系统观测手段； 3）多形态资源管理：采用虚机，容器，裸机多形态共存架构，使得运营商在NFV初期的虚拟化资源池提供的虚拟机和裸机形态的网络功能继续运行，同时也可以基于虚拟机构建容器集群运行容器形态的网络功能，来保护运营商已有的资产投资，最大化资源利用效率，降低网络部署成本； 4）可编程技术：随着可编程交换芯片技术的发展以及用户面可编程方案的逐渐丰 富，可编程网元逐步迈入控制面、用户面等都可编程的全可编程网元趋势，可编程网元为网元侧带来的灵活控制与智能分析能力，使数据智能分析、资源监测、流量控制等功能在网元侧得以实现，助力解决可观测和资源管理问题，未来移动核心网将是具备弹性灵活、高性能、SLA有保障的智能核心网。 图2未来核心网云原生演进关键方向 2.2空天地海，提供全域网络覆盖 空天地海是未来5G-A/6G通信的重要方向，面向山区、沙漠、海洋、空中等提供宽带接入或广域物联，尤其是为航线上的飞机提供空中网络接入服务。其次，应对地震、海啸等自然灾害，提供应急通信，以及实现遥感、观测和地球保护等。空天地海一体化融合通信，通过分布式网络覆盖全域，实现用户随时随地的网络接入。 因此，空天地海通信对未来核心网具有较高的要求，从广域角度，未来核心网应该具备分布式互联互通形成一张广域大网，连接空天、海域和地面；从地面通信角度，未来核心网需支持固移融合以及基于D2D的多跳近域通信，进一步优化覆盖，提供更丰富的接入手段。空天地海一体化通信未来核心网面临的主要挑战如下： 全异构、多模态接入：空天地海通信未来核心网需要支持卫星、飞机、空中平台、无人机、地面基站、D2D、固定网络等多模接入，终端的异构性、传输环境的多样化等对核心网的融合调度提出了挑战； 空天网络空间有限、承重有限：卫星、飞机、空中平台等空间有限，承载的设备的重量有限，对于需要实现未来核心网星上、空中部署的特定场景，对未来核心网的轻量化、低能耗提出了进一步的要求； 组网复杂，动态化：中低轨卫星、空中飞机是高速运动的、网络拓扑是动态变化的，对核心网支持终端移动性管理和连接管理提出了更高要求； 空天网络部署开通困难，运维难度高：相比地面网络，星上、机载系统的部署、开通以及运维难度极大，板件可靠性要求高，且扩容难，需要考虑对于星上和空中核心网设备的自动化运维能力及远程运维能力。 针对上述挑战，空天地海的未来核心网需要向极简、轻量、可裁剪方向演进，同时需要 支持免运维、网络自治以解决空天网络运维难、开通难的问题。 极简化：以用户数据为中心，核心网网络功能可划分成控制、用户、数据及智能等四个平面，简化架构，统一接口。前端可考虑以数字孪生UE适配各种接入模式、多形态终端，后端统一认证，统一信令，一网多态。 轻量化：针对小空间、小载量卫星、飞机、空中平台等，提供超轻量化、超薄、极低功耗的核心网； 可裁剪：支持多子网、多形态网络，可定制、可裁剪。根据星上、飞机、空中平台等复杂部署环境，未来核心网需提供量体裁衣、按需DIY的能力； 免运维：支持即插即用，上星即可用，免运维、高度自治，未来核心网具有自我修复和远程监控的能力； 多接入：未来核心网需支持蜂窝、固定、D2D近域多跳、ATG、卫星等多种接入方式协同，实现空天地海全面覆盖。尤其是飞机空中互联网，除卫星接入外，还可在航线上线性部署基站和集中部署核心网，通过ATG接入技术完成对所有航线的覆盖，在航班密集地区增加基站部署密度，从而提升网络容量。沿海地区通过增强ATG基站的覆盖半径实现近海航线的覆盖。 图3空天地海一体化融合网络 2.3分层分布，提升网络健壮性 展望未来，越来越多样化的应用/业务将不断涌现，它们都将对网络提出连接之外的更多样化的功能要求、以及更极致时延和可靠性等性能要求，例如：车联网需要提供就近接入服务和算力能力，超低时延高可靠工业控制业务要求时延小于1ms以及可靠性高于99.99999%等[2]，网络及相关的服务和资源趋于分层分布式协同部署、网络及应用更进一步靠近用户是满足上述需求的关键手段。当前，5G核心网采用了相对集中的部署模式，网络整体的健壮性依赖于各单个网元的性能，后续演进需要从整体上进一步考虑系统的健壮性。此外，在移动通信网络应用于工业互联网等垂直行业之后，网络自身的时延及可靠性等性能指标的重要性进一步凸显。最后，5G核心网控制面引入了SBA服务化架构，通过NRF服务注册、发现机制可以更加灵活的在网络中新增服务和功能，但同时也引入了集中控制点，容易形成性能瓶颈。 为增强网络可靠性和提升网络性能，当前核心网可考虑进一步向分布式架构演进。分布式网络，是由分布于不同位置和组织的节点或者网络组成，面向用户、客户和应用提供多元 化网络能力的，协同自治的端到端网络系统。在架构中引入分层分布式，提升网络可靠性和降低时延，减少因为单点故障导致全网故障的风险，同时降低组网复杂度，优化NF路径选择机制，实现健壮的分层分布式边缘网络体系。 基于上述设想，未来网络将呈现集中+分布式趋势，由中心网络、分布式边缘网络、企业专网等多种网络混合分布的多样化多网互通协作的网络架构。各个边缘网络具备完整的网络功能，可在特定场景下实现独立运行，从而为不同的业务场景、用户群体或接入方式提供服务，同时具备自治能力，实现网络的自主管理和优化。此外，在特定场景下，各分布式边缘网络可采用融合架构简化网元间的信令流程，将原本大量的NF间的标准化的复杂通信简化为为分布式边缘网络的内部交互。 对于未来网络，除了用户面，控制面、新增功能面逐渐实现按需分布式部署，接入、连接、计算、数据、信任等要素走向分布式，通过将网络功能靠近用户源部署，分布式边缘网络支持完成快速的连接控制、区域智能和流量疏导，与集中网络功能构成协同控制体系，共同完成鉴权认证、移动性管理以及智能任务的协同等。在分布式边缘网络之间，通过对等协作或者集中控制的方式，协同保障服务的连续性和高质量。未来网络可通过分布式账本、服务网格等分布式、云原生技术，实现中心网络与各分布式边缘网络的服务协同。如引入服务网格理念，将网络功能的业务逻辑和非业务逻辑分开，由服务访问代理完成非业务逻辑功能，NF可以通过服务访问代理机制实现分布式服务的注册、发现和调用，降低NF的信令组网能力要求，隐藏内部网络拓扑结构，聚焦业务功能，在保障隐私、满足溯源需求情况下提供服务。另外，通过分布式技术和信任框架（如分布式账本），每个网络部署一个分布式节点，可以在一点数据更新后实现多个网络快速统一更新，避免单点故障，并且可以保障协同过程的公开透明和真实可信，实现网络间的可信认证、信息共享，提高跨域场景下的服务注册和 发现的可靠性、可用性与灵活性，在未来特定场景下具备很好的应用价值。 图4分层分布式网络示意图 2.4场景定制，提升网络灵活性 未来，应用场景将越来越多样化，面向垂直行业场景，行业用户普遍需要定制化的产品，同一行业场景的需求存在相似之处，不同行业场景的需求差异较大[3]。现有ToB网络仍然沿用ToC集中规模部署的设计方式，通过将多个行业NF融合打包预部署，面向企业用户数从数十到数万不等场景，网元仍然比较厚重，且无法满