从2G到5G，20年核心网的分裂式演进之路

燚先生

从2000年GPRS首商用到2020年5G到来，这20年，核心网经历了怎样的进化？它又将如何演进？

回顾过去，不禁为移动通信迅猛发展之势而感慨。数据速率从2G GPRS 65Kbit/s到LTE-A 1Gbit/s，再到5G时代10-20Gbit/s，增长速度令人吃惊。

移动核心网正是在这惊人的增长速度下，不断适应，不断创新和演进。

从3GPP R6到R8，你会发现，核心网的演讲实际上呈现“分离”之势。

上面这张图告诉大家，R7开始通过Direct Tunnel技术将控制面和用户面分离，在3G RNC和GGSN之间建立了直连用户面隧道，用户面数据流量直接绕过SGSN在RNC和GGSN之间传输。

R7打开了核心网分离式演进之路。

因此，到了LTE R8，出现了MME这样的纯信令节点。

2009年，在部署LTE/EPC的时候，有人认为核心网演进之路已经走到尽头，继续突破创新实在太难，毕竟要掌控每小区峰值速率150Mbps的网络王国，实在是一件不容易的事。

然而，核心网并未停滞不前，反而展现出了气吞万象的霸气。

随着VoLTE和VoWiFi的出现，LTE/EPC又引入了S2a、S2b和S2c接口，这些接口将核心网的控制范围延伸到了非3GPP网络，即可信Non-3GPP接入（Non-3GPP Trusted Access）和非可信Non-3GPP接入（Non-3GPP untrusted Access）连接到3GPP网关PGW。

自此，核心网的构架如下图所示...

图中绿色实线表示用户面&控制面接口。

演进之路还在继续。

到了4.5G面向5G时代，2017年R14阶段，3GPP将再次向分离式的核心网构架演进之路出发。

这一次更彻底，大家可以把它叫“全分离式”的网络构架。

在“全分离式”构架下，SGW和PGW被分离为控制面和用户面两部分（如上图黄色填充部分，SGW分离为SGW-C和SGW-U，PGW分离为PGW-C和PGW-U），同样，SGSN也被分离为控制面（SGSN-C）和用户面（SGSN-U）。

为什么需要这种“全分离式”的网络构架？

目的是让网络用户面功能摆脱“中心化”的囚禁，使其既可灵活部署于核心网，也可部署于接入网（或接近接入网），这就是所谓的核心网用户面下沉。同时，也保留了控制面功能的中心化。

大家也戏称这叫“杯子式”的网络构架。杯子，即CUPS，Control and User Plane Separation of EPC nodes。

为什么核心网用户面要下沉呢？这得从5G的容量和时延目标上去理解。

5G时代，高清视频、VR/AR等应用必然给网络带来超大数据流量，这不但给回传带来沉重负担，而且对核心网集中处理能力也是挑战，只能核心网用户面下沉，从集中式向分布式演进。另外，将内容缓存于接入网，更接近用户，还降低了时延。

对于毫秒级的5G时延，下沉与分布式是一个必然的选择。光纤传播速度为200km/ms，数据要在相距几百公里以上的终端和核心网之间来回传送，显然是无法满足5G毫秒级时延的。物理距离受限，这是硬伤。

▲4G集中式核心网与5G分布式核心网

伴随着用户/控制面分离、核心网下沉和分布而来的是部署于接入网或接近接入网的分布式数据中心，并引入基于NFV的MEC（移动边缘计算）。

何为MEC？

大家知道NFV（网络功能虚拟化）指的是解耦传统电信设备的软硬件，并将App功能运行于通用服务器硬件上，以降低成本，缩短部署周期和激发服务创新。

与NFV一样，MEC也强调功能App化和平台开放化，以提升网络敏捷性，灵活性，加快部署和创新。

在标准构架上，MEC和NFV看起来不无二致，但它们是有区别的。区别主要在应用服务平台和相关服务上，MEC根据无线接入网环境对NFV进行了优化，它将移动接入网与互联网业务深度融合，并将云计算和云存储下沉到边缘数据中心，加速内容分发和下载，且向第三方提供开放接口以驱动创新。

有了MEC，PGW/SGW的用户面就下沉到了移动边缘节点，且由NFV VIM（虚拟基础设施管理）、SDN和Orchestrator（编排器）控制管理。

以下图这个MEC物联网用例为例，SGW和PGW用户面下沉到MEC服务器。

另一个与MEC、SDN/NFV并行而来的是网络切片。

所谓网络切片，就是运营商为了满足不同的商业应用场景需求，量身打造多个端到端的虚拟子网络。

与2/3/4G单调的手机应用不同，5G面向万物联接，将应对不同的应用场景。不同的应用场景对网络的移动性、安全性、时延、可靠性等，甚至是计费方式的需求是不同的。因此，5G网络需要像瑞士军刀一般能为不同的场景切出相应的虚拟子网络。

下面这张图向大家展示了网络像面包一样被切成多个虚拟子网络：高清视频切片网络、手机切片网络、海量物联网切片网络和任务关键型物联网子网络。

其中，由于高清视频切片网络要求海量视频内容缓存(Cache)、分发和用户就近访问，所以核心网（Core）用户面功能下沉到了边缘云（Edge Cloud）。

同样，由于任务关键型物联网对时延要求高，比如车联网，为了降低物理距离带来的时延，核心网（Core）也下沉到了边缘云，并在边缘配置车联网应用服务器（V2X Server）。

回顾历史，展望未来，短短20年内，核心网正在从集中式向分离式的方向奔涌向前，这是一种去中心化、去集中化，分享和移动化的趋势，有需求的倒逼，也有技术的主动适应，但最可贵的是，大家看到了未来将有更多来自前沿和边缘的创新，看到了一种分布式的蓬勃生长之势正在移动网络蔓延。