劉棠青,李志強,牟彥,孫滔,陸璐,段曉東
(中國移動通信有限公司研究院網(wǎng)絡(luò)與IT技術(shù)研究所,北京 100053)
5G 移動通信時代已經(jīng)到來,它不僅為大眾帶來美好生活新體驗,更為千行百業(yè)帶來翻天覆地的變革。5G 以其“大帶寬”“低延時”“廣連接”三大特性,開啟了萬物互聯(lián)網(wǎng)的新時代,賦能垂直行業(yè)差異化應(yīng)用,助力數(shù)字化轉(zhuǎn)型[1]。
運營商基于5G 網(wǎng)絡(luò),為垂直行業(yè)用戶提供了用于組織、管理、生產(chǎn)、調(diào)度等環(huán)節(jié)通信服務(wù)的專業(yè)網(wǎng)絡(luò),能力覆蓋端、邊、網(wǎng)、云,依托切片、邊緣計算、云邊協(xié)同等技術(shù),為行業(yè)客戶提供能力可定制的5G 專網(wǎng)服務(wù),加速行業(yè)應(yīng)用拓展與落地[2-3]。UPF(User Plane Function)作為5G 網(wǎng)絡(luò)的用戶面網(wǎng)元,是5G 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)能力,連接運營商和垂直行業(yè)的橋梁,也是5G 拓展行業(yè)市場的鑰匙。開放、輕量、靈活的UPF 將為邊緣側(cè)行業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署帶來全新的可能。
(1)智能制造。5G 在工業(yè)制造場景下將發(fā)揮出越來越重要的作用,以滿足實時業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等,主要的應(yīng)用場景包括數(shù)據(jù)采集分析、室外設(shè)備控制,產(chǎn)品質(zhì)量智能檢測等。在數(shù)據(jù)采集分析場景中,物聯(lián)網(wǎng)各種傳感器所采集的數(shù)據(jù)必須實時、準(zhǔn)確、完整地傳輸?shù)竭吘売嬎闫脚_,以支撐各種智能分析需求,因此邊緣UPF 的安全性、隔離性是基本要求。生產(chǎn)設(shè)備(如機械臂,智能小車)的自動控制可以把勞動力從惡劣、危險的工作環(huán)境中解放出來,同時提高勞動生產(chǎn)率。因此對于此類生產(chǎn)設(shè)備的控制要求邊緣UPF 提供較低的時延與較高的可靠性,以提升控制的精確度與靈敏度。在產(chǎn)品質(zhì)量智能檢測方面,通過部署工業(yè)相機,捕捉流水線產(chǎn)品圖像或視頻并傳送至邊緣計算平臺,結(jié)合平臺AI視頻識別能力,實現(xiàn)圖像快速識別、資料分析,檢測產(chǎn)品質(zhì)量,需要UPF 具備低時延、高帶寬的特性。
(2)智慧園區(qū)。行業(yè)專網(wǎng)可以為園區(qū)提供更精細(xì)化的管理手段,為信息技術(shù)與園區(qū)業(yè)務(wù)需求融合提供可能。5G 網(wǎng)絡(luò)通過UPF 在網(wǎng)絡(luò)邊緣的靈活部署,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流量本地卸載。企業(yè)自營業(yè)務(wù)的流量直接分流至企業(yè)本地的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理,比如在校園實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)本地通信和課件共享,在企業(yè)園區(qū)分流至私有云實現(xiàn)本地ERP 業(yè)務(wù),在公共服務(wù)/政務(wù)園區(qū)提供醫(yī)療、圖書館等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),以及辦公園區(qū)、工業(yè)生產(chǎn)等環(huán)境中的視頻監(jiān)控、直播、回傳、人臉識別等業(yè)務(wù)。
此外還存在大量定制化需求,如:園區(qū)內(nèi)人員車輛的實時定位、二次鑒權(quán),企業(yè)用戶IP 地址自主分配,問題會話識別定位并及時切斷連接等。
可以看到,大部分行業(yè)客戶都需要基本的接入、業(yè)務(wù)路由、本地分流能力。同時因為不同行業(yè)的差異性以及部署位置的特殊性,出現(xiàn)了對UPF 的與行業(yè)強相關(guān)的定制化需求,為行業(yè)客戶提供專用化、功能定制化、設(shè)備輕量化、部署靈活化的邊緣解決方案有著強烈的需求[4]。
為滿足5G 需求和打造一個先進(jìn)的面向未來的網(wǎng)絡(luò),5G 核心網(wǎng)從IT 化、互聯(lián)網(wǎng)化、極簡化、服務(wù)化四個系統(tǒng)設(shè)計理念推進(jìn)了架構(gòu)的變革。服務(wù)化架構(gòu)(SBA,Service Based Architecture)是基于云原生(Cloud Native)的,被3GPP 確定為5G 核心網(wǎng)架構(gòu)[5],如圖1 所示:
圖1 5G系統(tǒng)架構(gòu)[5]
面向云原生定義服務(wù)是SBA 的核心。每個5G 功能由細(xì)粒度的服務(wù)來定義,將網(wǎng)絡(luò)功能NF 進(jìn)一步拆分成若干個自包含、自管理、可重用的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)(NF Service)。這便于網(wǎng)絡(luò)按照業(yè)務(wù)場景以服務(wù)粒度定制及編排;接口采用API 調(diào)用交互,對內(nèi)降低網(wǎng)絡(luò)配置及信令開銷,對外提供能力開放的統(tǒng)一接口;服務(wù)可獨立部署、灰度發(fā)布,使得網(wǎng)絡(luò)功能可以快速升級引入新功能,服務(wù)可基于虛擬化平臺快速部署和彈性擴縮容[6]。
OpenUPF 旨在從“基礎(chǔ)”UPF 出發(fā),定義簡單高效的行業(yè)UPF,同時聚焦特定行業(yè)用戶,探索靈活易擴展的“定制化”UPF,其架構(gòu)如圖2 所示。OpenUPF 具備用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的路由轉(zhuǎn)發(fā)、N4 偶聯(lián)管理、PFCP 會話管理、QoS 控制、隧道封裝解封裝、流量計費、訪問控制、數(shù)據(jù)緩存等核心功能[7]。SBA 架構(gòu)采用了控制面(CP,Control Plane)和用戶面(UP,User Plane)分離的方式,讓用戶面功能擺脫“中心化”的約束,使其既可靈活部署于核心側(cè),也可部署于接入側(cè)。
圖2 OpenUPF架構(gòu)圖
下沉到接入側(cè)的UPF 通過ULCL(Uplink Classifier)功能來完成本地分流。如圖3 所示,會話管理功能(SMF,Session Management Function)通過N4 接口下發(fā)流量過濾器給UPF,控制ULCL 的插入、移除。ULCL 對比業(yè)務(wù)流量與過濾器,按需將流量轉(zhuǎn)發(fā)到本地。
圖3 ULCL架構(gòu)[5]
5G UPF 已經(jīng)逐漸從“核心”走向分布、甚至到行業(yè)用戶的園區(qū),成為運營商服務(wù)垂直行業(yè)的第一窗口,也是行業(yè)用戶最關(guān)心的節(jié)點之一[8]。
(1)接口開放
傳統(tǒng)核心網(wǎng)控制面與用戶面不分離,接口為設(shè)備內(nèi)部接口。5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中控制面(Control plane)與用戶面(User plane)分離,然而C、U 之間的N4 接口存在定義有多種可選實現(xiàn),定義粒度不夠細(xì)致,導(dǎo)致不同產(chǎn)品實現(xiàn)差異,異廠家N4 對接困難。當(dāng)前運營商現(xiàn)網(wǎng)部署的通用UPF 功能要求多,很多是行業(yè)UPF 非必須功能,也增加了C、U 對接難度。因此,OpenUPF 從功能簡化與N4 接口定義細(xì)化兩方面同時推進(jìn)工作。
2020 年3 月11 日,中國移動發(fā)布了《面向垂直行業(yè)的N4 解耦UPF 設(shè)備規(guī)范》《面向垂直行業(yè)的N4 接口規(guī)范》《5G OpenUPF 白皮書》。2020 年3 月初ITU 立項《IMT-2020 網(wǎng)絡(luò)用戶面功能管理協(xié)議》,6 月初3GPP CT4 成立5G UPF N4 接口開放和增強標(biāo)準(zhǔn)項目。
(2)設(shè)備開放
在硬件形態(tài)選擇上,可根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景選擇服務(wù)器與交換機兩種硬件方案,兼顧系統(tǒng)的靈活度和可擴展性,對特定行業(yè)的UPF 建議按照虛擬化(包括容器化)形態(tài)部署。在硬件形態(tài)選擇上,可根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景選擇服務(wù)器與交換機兩種硬件方案。
服務(wù)器形態(tài)UPF 以通用CPU+專用加速芯片(ASIC、SOC、FPGA、NP 等)為核心處理單元。這既適用于功能復(fù)雜、性能要求較高的場景,又可用于功能較簡單、性能要求一般的場景,當(dāng)前業(yè)界主流核心網(wǎng)廠商產(chǎn)品均以此形態(tài)呈現(xiàn)。
交換機形態(tài)UPF 主要用于中低端通用CPU 加交換芯片的交換機硬件架構(gòu)中。通過通用CPU 實現(xiàn)虛擬化,利用交換芯片卸載UPF 部分轉(zhuǎn)發(fā)功能,適合在多端口、低成本、低功耗的場景中應(yīng)用。
(3)服務(wù)開放
從不同場景的差異化需求可以看出,僅僅滿足基礎(chǔ)功能的行業(yè)UPF 是不夠的。UPF 還需進(jìn)一步增強定制化能力,因此我們提出通過開放服務(wù)來滿足行業(yè)用戶多樣化的需求,為行業(yè)用戶提供基礎(chǔ)以及增值服務(wù)。通過UPF 開放更多網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力,如位置、認(rèn)證、業(yè)務(wù)流量統(tǒng)計等為行業(yè)提供增值服務(wù),如圖4 所示:
圖4 UPF服務(wù)開放架構(gòu)圖
UPF 的服務(wù)能力分為兩部分,基礎(chǔ)功能與定制功能?;A(chǔ)功能,是5G UPF 基礎(chǔ)能力,包括GTP 隧道封裝及解封裝,PFCP 偶聯(lián)建立、更新、釋放、心跳檢測等N4節(jié)點管理功能,N4 會話建立、更新、釋放等管理功能,本地分流(ULCL 方式),轉(zhuǎn)發(fā)策略、QoS 策略等策略控制,數(shù)據(jù)包緩存及轉(zhuǎn)發(fā)等功能。
定制功能,是根據(jù)行業(yè)用戶的需求疊加定制的特色能力,如虛擬網(wǎng)絡(luò)、本地轉(zhuǎn)發(fā)、以太數(shù)據(jù)包傳輸?shù)?。對于需要網(wǎng)絡(luò)高可靠保障的工廠場景,UPF 可以擴展支持TSN 來保障生產(chǎn)需要。
Open UPF 建議網(wǎng)絡(luò)在演進(jìn)和迭代中除了不斷能豐富這些定制功能外,能將功能調(diào)用的API 提供給運營商,并在業(yè)務(wù)合約的情況下按需提供和企業(yè)合作方。這些功能可以是開放信息的訂閱、網(wǎng)絡(luò)連接的管理(如二次認(rèn)證)、IP 地址的自主分配等能力。
(4)智能開放
更加靈活和智能化的UPF 架構(gòu),需實現(xiàn)接口、功能、網(wǎng)絡(luò)可編程,將智能融合到UPF 的設(shè)計中,用網(wǎng)絡(luò)的智能化為產(chǎn)業(yè)界的發(fā)展打開想象的空間。
1)連接智能:UPF 是網(wǎng)絡(luò)智能調(diào)控的關(guān)鍵節(jié)點??紤]到接入環(huán)境中多種接入方式,對連接質(zhì)量的不同要求,需要UPF 具備智能的連接的管理、流量的識別、質(zhì)量的感知等能力。
2)管理智能:UPF 數(shù)量多、類型多、功能有差異,這就需要其運營和管理更加的簡單、智能,在組網(wǎng)上盡可能即插即用、運行中自動排障,降低人為現(xiàn)場維護(hù)和管理的難度。
3)業(yè)務(wù)智能:以UPF 為窗口,將運營商的智能化能力提供給行業(yè)伙伴,幫助其在諸如視頻處理、圖像識別、語音識別等方面提供基礎(chǔ)能力。
4)可編程。5G 網(wǎng)絡(luò)承載越來越豐富的業(yè)務(wù),數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型呈現(xiàn)出多樣化、個性化態(tài)勢。UPF 智能化架構(gòu)使得其能夠快速適應(yīng)多樣化的數(shù)據(jù)格式、協(xié)議類型和處理要求,加快新業(yè)務(wù)上線速度。
如圖5 所示,通用服務(wù)器作為基礎(chǔ)設(shè)施,為一體化方案內(nèi)的基礎(chǔ)網(wǎng)元提供虛擬化環(huán)境,RAN、輕量化的5GC 和UPF 及SPN 切片為用戶提供可動態(tài)裁減的5G 移動基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò),邊緣算力管理平臺為用戶提供PaaS 服務(wù)[9]。
圖5 一體機架構(gòu)設(shè)計
本設(shè)計圍繞核心網(wǎng)用戶面網(wǎng)元UPF,針對最常用的幾個業(yè)務(wù)場景,為垂直行業(yè)用戶提供一站式解決方案。對現(xiàn)場的不同環(huán)境方案在外機柜、網(wǎng)元互連以及網(wǎng)元組合及接口開放上有不同的要求。為實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)部署,除了解決能源、散熱、監(jiān)控的外層機柜,方案內(nèi)部可集成的網(wǎng)元包含:無線接入基站BBU、模塊化交換機、輕量核心網(wǎng)控制面、OpenUPF、邊緣算力單元[10]以及小型化SPN(Slicing Packet Network)[11]。
BBU:室內(nèi)基帶處理單元(Base Band Unit),是移動網(wǎng)絡(luò)大量使用的分布式基站架構(gòu)。RRU 作為外設(shè),可支持不同的信源:宏基站、微基站、拉遠(yuǎn)型基站和直放站。RRU+BBU 的分布式基站架構(gòu),為用戶提供無線接入點。
“模塊化”交換機:通過管理面、存儲面、信令面、業(yè)務(wù)面的物理隔離設(shè)計,在有限的一體機內(nèi)部空間實現(xiàn)所有基礎(chǔ)設(shè)施暨虛擬網(wǎng)元的網(wǎng)絡(luò)連接。邊緣算力單元:邊緣一體機硬件中運行的管理平臺,可離線管理邊緣一體機的網(wǎng)絡(luò)配置、算法任務(wù)、終端設(shè)備。行業(yè)客戶基于這個平臺直接上線業(yè)務(wù)運營,開展多元化的業(yè)務(wù)應(yīng)用。小型化SPN,作為5G 前傳、中傳和回傳的統(tǒng)一承載,可通過網(wǎng)絡(luò)硬切片、隨路檢測等功能為UPF 提供差異化、高質(zhì)量的統(tǒng)一業(yè)務(wù)承載[11]。
一體機系統(tǒng)集成部署了行業(yè)應(yīng)用中需要用到的關(guān)鍵網(wǎng)元,并且通過功能的模塊化裁減,實現(xiàn)通用計算資源的高效復(fù)用。一體機對用戶隱藏了大部分網(wǎng)元間通信的交互接口,為行業(yè)客戶提供快速敏捷的一站式解決方案,使方案的部署時間相對于傳統(tǒng)專網(wǎng)+邊緣數(shù)據(jù)中心大大縮短。
如圖6 所示,5G 用戶終端通過基站空中接口接入一體機移動網(wǎng)絡(luò),BBU 與5GC 控制信令通過SPN 提供的承載完成交互,同時5GC 通過SPN 提供的承載完成向OpenUPF下發(fā)控制策略(信令),最終用戶的接入數(shù)據(jù)在OpenUPF網(wǎng)元上根據(jù)用戶數(shù)據(jù)目的以及5GC 下發(fā)的控制策略,實現(xiàn)中心數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)分流。
一體機網(wǎng)元可以根據(jù)不同的行業(yè)用戶個性化需求中展現(xiàn)出優(yōu)越可裁剪性。當(dāng)部署一體機的網(wǎng)絡(luò)由于地域等原因無法和集中的5GC 核心網(wǎng)互聯(lián)時,可啟用一體機中的輕量核心網(wǎng),完成局部移動網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)據(jù)的管理和認(rèn)證。
本文面向垂直行業(yè)需求,深入分析UPF 關(guān)鍵技術(shù),提出OpenUPF 定義并給出OpenUPF 一體化設(shè)計方案。下一步需進(jìn)一步優(yōu)化OpenUPF 一體化解決方案,從以下三個方面開展工作:
(1)實現(xiàn)N4 接口標(biāo)準(zhǔn)化。持續(xù)進(jìn)行異廠家實驗室互通評測,提煉N4 接口互通阻塞點,利用行業(yè)和國際標(biāo)準(zhǔn)組織進(jìn)一步細(xì)化接口定義,促使N4 接口標(biāo)準(zhǔn)化。
(2)持續(xù)進(jìn)行新功能引入、性能增強。通過OpenUPF 一體化解決方案的試點實踐,深入理解行業(yè)客戶需求,作為OpenUPF 一體機新功能引入;量化業(yè)務(wù)性能指標(biāo)需求,指導(dǎo)OpenUPF 一體機性能優(yōu)化。
(3)積極提升OpenUPF 智能化。結(jié)合本地數(shù)據(jù)分析、能力開放、業(yè)務(wù)層邊緣側(cè)智能化應(yīng)用等,讓OpenUPF 更加智能并助力邊緣智能服務(wù)的實現(xiàn)。
圖6 一體機應(yīng)用部署