王計艷,李赟,董勛,沈蕾,蟻靜緘
(中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司網(wǎng)絡(luò)所,北京100080)
通過宏觀環(huán)境、行業(yè)環(huán)境以及業(yè)務(wù)需求分析,未來5年,移動數(shù)據(jù)流量仍有較大提升空間,預(yù)計2020年移動數(shù)據(jù)流量出現(xiàn)爆發(fā)式增長,其中移動數(shù)據(jù)流量主要承載在4G網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)流量收入將成為增長核心,以某公司為例,2014-2020年,預(yù)計移動數(shù)據(jù)流量復(fù)合增長率達(dá)到75%,2020年移動數(shù)據(jù)流量將達(dá)到2014年的18倍,如圖1所示。
圖1 移動數(shù)據(jù)流量爆發(fā)式增長
網(wǎng)絡(luò)接入速度的提升大大催生了移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),未來移動視頻、在線游戲?qū)⒊蔀橐苿恿髁空急鹊闹饕獊碓?。未來隨著資費的下降,用戶對大流量的需求將進(jìn)一步釋放,目前受限于流量資費等因素,用戶的大流量業(yè)務(wù)需求受到抑制。以某公司圣誕免流量活動為例,免流量活動高峰期間,LTE用戶對下載和流媒體資源需求飆升,視頻和下載類的流量占比翻倍,免流量過后回歸原來的流量占比情況,瀏覽類流量占比重新成為主流,如圖2所示。參考國外流量發(fā)展軌跡,預(yù)計移動數(shù)據(jù)流量結(jié)構(gòu)將由現(xiàn)在的以下載類、網(wǎng)頁瀏覽類和社交類流量為主向視頻、下載流量為主轉(zhuǎn)變,未來視頻流量占比將超過50%。
圖2 視頻流量占比將提高
隨著4K視頻業(yè)務(wù)的快速發(fā)展,對帶寬的需求也不斷增長,比如1080P視頻業(yè)務(wù)的帶寬需求僅為4 Mbit/s,而4K視頻業(yè)務(wù)的帶寬需求達(dá)到了20 Mbit/s,未來虛擬現(xiàn)實(VR)業(yè)務(wù)的帶寬需求將達(dá)到100 Mbit/s以上。進(jìn)入寬帶時代,低時延成為決定用戶體驗的關(guān)鍵指標(biāo),時延差異造成的用戶感知差異非常大,如圖3所示。
圖3 視頻業(yè)務(wù)帶寬需求越來越高
在以LTE網(wǎng)絡(luò)為代表的寬帶網(wǎng)絡(luò)和云計算的推動下,終端的互聯(lián)從個人基本需求開始,逐漸擴(kuò)展至個人生活外延的方方面面,物聯(lián)網(wǎng)等將為移動網(wǎng)絡(luò)帶來大量的用戶連接。預(yù)計M2M連接數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)型增長,到2020年將達(dá)到10億元規(guī)模,如圖4所示。
圖4 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展迅猛
物聯(lián)網(wǎng)由于應(yīng)用場景眾多,由于涉及的產(chǎn)業(yè)眾多,因此在不同場景下對網(wǎng)絡(luò)有著不同的連接需求,因此對于運營商而言,網(wǎng)絡(luò)需適應(yīng)多樣化、個性化、復(fù)雜通信的需求。
隨著4G網(wǎng)絡(luò)的部署、VoLTE業(yè)務(wù)的商用和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展,未來用戶結(jié)構(gòu)將發(fā)生較大變化,未來5年2G/3G用戶將快速下降,直至下降為0;4G用戶將快速增長,5年后全部為4G用戶(終端用戶);VoLTE用戶將平穩(wěn)增長,物聯(lián)網(wǎng)用戶將快速發(fā)展。
為了滿足業(yè)務(wù)大流量、大帶寬、低時延和多樣性的要求,移動通信網(wǎng)均需提升網(wǎng)絡(luò)能力:4G無線網(wǎng)絡(luò)接入能力需提升10倍,單用戶帶寬由2 Mbit/s提升至10 Mbit/s,需考慮4.5G乃至5G部分技術(shù)的應(yīng)用;傳送網(wǎng)容量提升約8倍,其中有線接入網(wǎng)絡(luò)接入能力需提升10倍,LTE基站帶寬提升至320 Mbit/s以上,家寬用戶帶寬提升至100 Mbit/s以上,需考慮引入更大容量的傳送網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備,如400Gbit/s OTN、100 Gbit/s PTN甚至更高容量技術(shù);CMNet容量提升約9倍,需引入更大容量的設(shè)備以及更加有效的流量疏導(dǎo)手段。
而對于核心網(wǎng)來說,由于4G用戶、VoLTE用戶和物聯(lián)網(wǎng)用戶與2G/3G用戶的業(yè)務(wù)模型差異較大,對網(wǎng)絡(luò)資源的需求差異也很大,因此核心網(wǎng)首先需要滿足4G用戶、VoLTE用戶、物聯(lián)網(wǎng)用戶的容量需求,其次是滿足用戶的數(shù)據(jù)流量增長的承載需求以及低時延要求、多樣化等性能需求。
圖5 全球廠商、運營商在2015年巴塞羅那電信博覽會上的觀點
2015年巴塞羅那電信博覽會上,各全球廠商、運營商幾乎無一例外地把SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))/NFV(網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)作為未來網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的主要關(guān)注點,如圖5所示。
·AT&T:發(fā)布DOMAIN2.0戰(zhàn)略,宣布了數(shù)字化目標(biāo),計劃到2020年底前,75%網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基于云和SDN技術(shù),目前40%的戰(zhàn)略性IT應(yīng)用已經(jīng)實現(xiàn)虛擬化,比使用專有硬件效率提升50%。
·Telefonica:計劃到2016年底前,30%的基于UNICA架構(gòu)的新建網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)虛擬化。
·NTT DoCoMo:計劃2016年商用VPEC網(wǎng)絡(luò)。
·中國移動:已開始進(jìn)行NFV和SDN技術(shù)的現(xiàn)網(wǎng)試點。
SDN是一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu),是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實現(xiàn)方式,其核心技術(shù)OpenFlow通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離開,從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制,使網(wǎng)絡(luò)作為管道變得更加智能。
傳統(tǒng)IT架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò),根據(jù)業(yè)務(wù)需求部署上線以后,如果業(yè)務(wù)需求發(fā)生變動,重新修改相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(路由器、交換機(jī)、防火墻)上的配置是一件非常繁瑣的事情。在互聯(lián)網(wǎng)/移動互聯(lián)網(wǎng)瞬息萬變的業(yè)務(wù)環(huán)境下,網(wǎng)絡(luò)的高穩(wěn)定與高性能還不足以滿足業(yè)務(wù)需求,靈活性和敏捷性反而更為關(guān)鍵。SDN所做的事是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的控制權(quán)分離出來,由集中的控制器管理,無須依賴底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(路由器、交換機(jī)、防火墻),屏蔽了來自底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的差異。而控制權(quán)是完全開放的,用戶可以自定義任何想實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)路由和傳輸規(guī)則策略,從而更加靈活和智能。
NFV通過軟硬件分離,使用x86等通用性硬件以及虛擬化技術(shù),實現(xiàn)硬件資源的共享和功能軟件化,從而降低網(wǎng)絡(luò)昂貴的設(shè)備成本。NFV的引入,使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能不再依賴于專用硬件,資源可以充分靈活共享,實現(xiàn)新業(yè)務(wù)的快速開發(fā)和部署,并基于實際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。
現(xiàn)有核心網(wǎng)絡(luò)采用的電信級設(shè)備硬件繁多,每類網(wǎng)元都有專用硬件;部署運維復(fù)雜,專用硬件要求維護(hù)人員具備專用技能,且網(wǎng)元的數(shù)量巨大,導(dǎo)致組網(wǎng)拓?fù)鋸?fù)雜,問題的定位和解決越來越困難?;诂F(xiàn)有的硬件投資模式,網(wǎng)元的上線周期很長,通常需要以年計算,很難適應(yīng)移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)快速而多樣化的需求?,F(xiàn)有設(shè)備均采用專用的硬件和同廠商專用軟件,系統(tǒng)封閉,第三方業(yè)務(wù)引入難度很大,業(yè)務(wù)創(chuàng)新困難。
NFV的引入實現(xiàn)軟硬件解耦,硬件的通用化對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)元布局將產(chǎn)生較大影響,使得按專業(yè)獨立配置資源轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一配置、按需分配硬件資源,將有效提升核心網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)上線速度,并通過硬件資源的共享,提升設(shè)備利用率,有效降低投資。
NFV標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展情況是需求和架構(gòu)基本穩(wěn)定,接口未完全確定,SDN已進(jìn)入商用部署期。
NFV/SDN技術(shù)可簡化業(yè)務(wù)的部署,加快業(yè)務(wù)上線速度,實現(xiàn)硬件的統(tǒng)一管理、資源共享,網(wǎng)絡(luò)資源的靈活調(diào)度,對運營商的價值如圖6所示。
圖6 NFV/SDN對運營商的價值
圖7 5G網(wǎng)絡(luò)切片示意
在未來的5G系統(tǒng)中,網(wǎng)絡(luò)將被進(jìn)一步抽象為一片片的網(wǎng)絡(luò)切片,可以非常靈活地根據(jù)用戶需求進(jìn)行資源分配和資源再分配。這種連接服務(wù)通過許多定制軟件實現(xiàn)的功能定義,這些軟件功能包括地理覆蓋區(qū)域、持續(xù)時間、容量、速度、時延、可靠性、安全性和可用性等。5G網(wǎng)絡(luò)有眾多核心技術(shù),其中之一就是SDN和NFV。
5G將是實現(xiàn)按需接入、按需分配網(wǎng)絡(luò)資源,滿足萬物互聯(lián)不同需求的目標(biāo)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò),如圖7所示。
從網(wǎng)元架構(gòu)來看,核心網(wǎng)目前的設(shè)備采用高性能的專用設(shè)備,網(wǎng)元功能與硬件板卡均由設(shè)備廠商集成,不同的功能采用不同類型板卡,軟件功能與硬件板卡相輔相成,穩(wěn)定性高、效率高,有效保障了高安全、高可靠性等電信級要求。
從核心網(wǎng)各域的結(jié)構(gòu)和功能來看,經(jīng)過一年多的改造,目前核心網(wǎng)CS(circuit switch,電路交換)、PS(packet switch,分組交換)、IMS(IP multimedia core network subsystem,IP多媒體子系統(tǒng))、信令網(wǎng)各域已基本完成了VoLTE改造工作,也按需求部署了智能管道的策略,現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)已支持VoLTE功能以及智能管道等功能。VoLTE業(yè)務(wù)部署初期,因考慮到2G/3G與VoLTE的互通、CSFB(circuit switched fallback,電路域回落)等問題,核心網(wǎng)各域流程交互復(fù)雜,接口繁多,但核心網(wǎng)自身網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已基本穩(wěn)定,如圖8所示。
圖8 核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀示意
圖9 核心網(wǎng)與其他系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)
圖10 核心網(wǎng)容量擴(kuò)容滿足需求
從與其他系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)看,目前核心網(wǎng)和其他系統(tǒng)如PTN、IP承載網(wǎng)、CMNet、傳送網(wǎng)協(xié)同建設(shè),除省內(nèi)內(nèi)容資源網(wǎng)(CDN/cache)在進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)階段外,其他架構(gòu)基本穩(wěn)定,如圖9所示。
3.2.1 核心網(wǎng)的容量需求
針對4G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)和VoLTE的業(yè)務(wù)發(fā)展,核心網(wǎng)容量按需擴(kuò)容滿足需求,同時考慮老舊設(shè)備退網(wǎng)以及VoLTE業(yè)務(wù)的災(zāi)備方案提升,如圖10所示。
3.2.2 核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)流量承載需求
影響核心網(wǎng)配置的參數(shù)是單用戶帶寬和總帶寬(吞吐量)。根據(jù)預(yù)測,4G數(shù)據(jù)流量增長約18倍,單用戶DOU(discharge of usage,每客戶月均流量消費額)增長10倍,若假定忙時集中系數(shù)不發(fā)生太大變化,單用戶帶寬約增長10倍。
·對于單用戶帶寬:一般在采購設(shè)備(即集采)時的模型已考慮流量影響,保障購買的設(shè)備能滿足單用戶帶寬的需求,目前以某省為例,單用戶帶寬為6~7 kbit/s,但目前集采要求30 kbit/s,大大超出現(xiàn)網(wǎng)的單用戶帶寬,因此,核心網(wǎng)配置僅需考慮PDP(packet data protocol,分組數(shù)據(jù)協(xié)議)激活數(shù)的需求。
·預(yù)計規(guī)劃期末單用戶帶寬增長至60 kbit/s,經(jīng)調(diào)研,主要廠商的處理能力均可在30 kbit/s的基礎(chǔ)上提升2~3倍,可滿足單用戶帶寬的需求。
·總帶寬需求增長:按PDP激活數(shù)的需求配置設(shè)備的規(guī)模,因要求的設(shè)備單用戶帶寬會比預(yù)測單用戶帶寬大,因此,總的設(shè)備吞吐量可以滿足總帶寬的需求。
核心網(wǎng)設(shè)備可通過單點升級和擴(kuò)容提升設(shè)備能力,滿足大流量需求。根據(jù)調(diào)研,升級/引入的新設(shè)備能力可達(dá)現(xiàn)有能力的2~3倍,如圖11所示。
圖11 主流廠商核心網(wǎng)設(shè)備能力提升情況
圖12 現(xiàn)有SAE-GW部署架構(gòu)示意
因此,核心網(wǎng)可以通過新設(shè)備的引入和擴(kuò)容,解決流量增長的需求。
3.2.3 核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)需求
從話務(wù)量上來看,CS域業(yè)務(wù)量將逐步減少,未來CS域除了考慮關(guān)口局與MGCF(media gateway control function,媒體關(guān)口局控制功能)融合之外,將不再繼續(xù)擴(kuò)容,因此CS架構(gòu)已經(jīng)穩(wěn)定,部署方式維持現(xiàn)有架構(gòu)不會改變。
從數(shù)據(jù)流量來看,目前有8個省的GGSN/SAE-GW(gateway GPRS support node/system architecture evolutiongateway)部署在區(qū)域中心,其他各省的GGSN/SAE-GW均部署在省中心。從流量流向來看,因現(xiàn)有內(nèi)容源位置相對集中(省級IDC、第三方出口、CMNet國干),各地市流量經(jīng)層層匯聚送至省中心/區(qū)域中心,核心網(wǎng)采用相對集中的設(shè)置方式(如圖12所示)優(yōu)點如下:
·可提升SAE-GW設(shè)備利用率,節(jié)省機(jī)房、動力等配套資源;
·SAE-GW、內(nèi)容源、IMS核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)平臺均集中設(shè)置,路由高效,節(jié)省CMNet和IP專網(wǎng)資源。
其缺點如下:
·本地呼叫需經(jīng)過省/區(qū)域中心,占用省干PTN(packet transport network,分組傳送網(wǎng)),VoLTE話務(wù)存在路由迂回,產(chǎn)生時延,但VoLTE語音業(yè)務(wù)不到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的5%,影響較?。?/p>
·PTN調(diào)度復(fù)雜,SAE-GW需要同時接入本地PTN和省干PTN。
隨著P2P、M2M應(yīng)用的增長,流量將顯著增加,同時視頻業(yè)務(wù)、在線手游、網(wǎng)上購物、網(wǎng)頁下載加速等業(yè)務(wù)對用戶體驗的要求越來越高。為了盡可能地將流量在Gi口疏通,避免對承載網(wǎng)、傳送網(wǎng)的壓力,同時為了減少承載網(wǎng)的時延,提高用戶體驗,各省CDN(邊緣節(jié)點)根據(jù)內(nèi)容源引入策略和核心網(wǎng)EPC部署的情況,下沉到區(qū)域中心甚至進(jìn)一步下沉到本地。經(jīng)估算,若內(nèi)容源靠近Gi側(cè)部署,用戶訪問的內(nèi)容源在CDN命中的情況下,可減少60%的傳輸時延,大大提升用戶體驗,如圖13所示。
綜上,為了進(jìn)一步滿足時延和帶寬需求,SAE-GW部署方式需要與省內(nèi)CDN協(xié)同組網(wǎng),建議采用以下步驟進(jìn)行,如圖14所示。
第一階段,對于已經(jīng)部署在區(qū)域中心的SAE-GW根據(jù)業(yè)務(wù)量分布情況,初期可考慮將省內(nèi)CDN部署在Gi口側(cè),靠近核心網(wǎng),減少流量迂回,減少承載網(wǎng)和傳送網(wǎng)壓力;對于部署在省中心的SAE-GW,若近期不考慮CDN的下沉,可維持現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。
圖13 視頻和瀏覽業(yè)務(wù)時延分析
圖14 SAE-GW下沉的步驟
第二階段,根據(jù)業(yè)務(wù)需求調(diào)整CDN的部署,對于流量較大的本地,可考慮CDN下沉的本地網(wǎng),同時考慮SAE-GW/SBC的下沉,但需要綜合機(jī)房動力、傳輸?shù)扰涮讞l件,慎重進(jìn)行。
根據(jù)以上分析,得出如下結(jié)論:
·現(xiàn)有核心網(wǎng)通過擴(kuò)容、提升設(shè)備能力/引入新設(shè)備,可滿足用戶、流量增長的需求;
·考慮到提高網(wǎng)絡(luò)疏通效率和降低時延,需結(jié)合CDN的建設(shè)策略考慮SAE-GW/SBC的下沉,需要調(diào)整SAE-GW/SBC部署架構(gòu),對網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào);
·由于網(wǎng)元結(jié)構(gòu)本身的限制(軟硬件不分離,資源無法靈活調(diào)配,PCC架構(gòu)的限制),現(xiàn)有架構(gòu)無法滿足網(wǎng)絡(luò)靈活調(diào)度、業(yè)務(wù)多樣性的需求,無法滿足未來萬物互聯(lián),連接多樣化、個性化、復(fù)雜通信的需求。
傳統(tǒng)網(wǎng)元和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以滿足未來5年甚至更長時間的業(yè)務(wù)需求,NFV/SDN并不是滿足業(yè)務(wù)增長的必選之路,且由于NFV/SDN技術(shù)本身還處于研究、完善和驗證之中,特別是NFV使網(wǎng)元架構(gòu)變化較大,是IT產(chǎn)品替代CT產(chǎn)品的變革,需要對設(shè)備(集成方案、成熟度、性能)、產(chǎn)業(yè)鏈、運營、網(wǎng)管等諸多方面進(jìn)行重構(gòu),難度很大。
雖然NFV/SDN并不是滿足業(yè)務(wù)增長的必選之路,但從運營商長遠(yuǎn)發(fā)展來看,現(xiàn)有的設(shè)備/網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)雖然穩(wěn)定但不夠靈活,無法根據(jù)需求定制化網(wǎng)絡(luò)功能,只能通過疊加PCC(policy control and charging,策略控制和計費)、增強(qiáng)SAE-GW功能,甚至在Gi口后部署一系列增值業(yè)務(wù)來滿足具體的業(yè)務(wù)需求,通過疊加運營平臺和增值平臺來協(xié)助制定策略,但需求是多變的,現(xiàn)有架構(gòu)復(fù)雜固定,并不能滿足未來業(yè)務(wù)多樣化、運營商對資源靈活配置的需求,若要向前發(fā)展,實現(xiàn)智能網(wǎng)絡(luò),靈活配置,5G將是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展目標(biāo),而NFV/SDN則是關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)之一。只有網(wǎng)元功能虛擬化才能實現(xiàn)資源的統(tǒng)一調(diào)配、功能的定制化和靈活配置,只有網(wǎng)絡(luò)部署了SDN,才可以真正做到靈活定義網(wǎng)絡(luò)連接,優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)路由,從而才可能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片,按需分配資源。因此,雖然NFV/SDN對網(wǎng)絡(luò)影響巨大,技術(shù)不甚成熟,但引入NFV/SDN將是大勢所趨,是未來網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的方向。
未來是繼續(xù)使用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和架構(gòu),依靠緩慢疊加功能的方式來滿足爆炸式發(fā)展的業(yè)務(wù)需求,還是積極試點新技術(shù),用IT的思路重構(gòu)CT網(wǎng)絡(luò)?這是一個痛苦的決策,正如韋樂平教授所述,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化最重要的就是從垂直架構(gòu)向水平架構(gòu)的轉(zhuǎn)變,這是根本性的轉(zhuǎn)變,是網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu),是IT和CT的深度融合,其難度巨大,是一場關(guān)乎工程師甚至是“一把手”的深度變革,通過本文的分析,在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和演進(jìn)過程中有如下建議供參考。
·引入NFV/SDN并不影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu),現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(包括與其他系統(tǒng)的組網(wǎng)方式)可維持基本不變,必要時考慮SAE-GW與CDN協(xié)同組網(wǎng)策略。
·充分驗證NFV技術(shù),驗證網(wǎng)元功能、集成策略、組網(wǎng)方式等。
·深度試點NFV技術(shù),參考VoLTE試點的進(jìn)度,必要時可考慮長時間試點,根據(jù)成熟度和改造難度選擇試點網(wǎng)元,逐步擴(kuò)大試點,并考慮資源池的建設(shè)等。
·做好長期戰(zhàn)斗準(zhǔn)備,慎重考慮現(xiàn)網(wǎng)部署、NFV引入的時間點、傳統(tǒng)設(shè)備擴(kuò)容和NFV設(shè)備建設(shè)的關(guān)系。未來網(wǎng)絡(luò)將長時間維持現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),后續(xù)3~4年在控制面引入NFV網(wǎng)元,考慮控制面網(wǎng)元的云化部署,媒體面將長期維持現(xiàn)有組網(wǎng)架構(gòu),支持媒體面云化。