云平台技术在LTE-R核心网组网中的应用研究

王 芳 韩 鹏

(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.中国铁路济南局集团有限公司电务处，济南 250000)

1 概述

2017年以前，公众移动通信网络的核心网设备大都基于先进的电信计算平台（ATCA），在硬件架构上虽然做到了高性价比、模块化、兼容性强、并可扩展，但仍属于传统的网络功能一体化的设备，存在网络架构封闭、扩展困难、不兼容新业务等缺点。

随着4G网络的大规模部署，网络提供的业务传输速率显著提高，移动用户的电信业务不再满足于语音、短信等服务，移动互联网业务逐渐成为主流。此时，按需供给、随需而变、灵活快速成为运营商对网络的迫切需求，运营商需要快速抢占移动用户资源，取得更大的经济效益，而网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）的理念成为解决运营商困境的一个比较有效的方法。NFV是欧洲电信标准协会（ETSI）定义的架构，作为虚拟机执行电信网络功能，NFV是网络架构的概念，利用虚拟化技术虚拟网络功能，创建通信服务。电信云平台技术解决方案可以映射到NFV架构，以虚拟化技术为基础，在此基础上进行业务编排。云化的网络架构采用无状态设计，实现多路径冗余、无损和灵活的扩缩容，使网络做到健壮、弹性和高效。

2017年年底，公网运营商完成了核心网云化试验，验证了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，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。目前，公网运营商已开始核心网云化的商用部署，云化的网络与传统的网络将实现新老协同、能力开放，逐步实现传统核心网的全软件化，以利于向5G核心网的演进。

中国铁路下一代移动通信系统的LTE-R系统也可考虑利用云平台技术部署核心网。

2 LTE-R核心网系统结构

LTE-R核心网（EPC）由移动性管理实体（MME）、归属用户服务器（HSS）、服务网关（SGW）、PDN网关（P-GW）、多媒体广播多播业务网关（MBMS-GW）、广播多播业务中心（BM-SC）、策略与计费规则功能单元（PCRF）等设备组成。

LTE-R系统采用应用与承载分离的架构，将关键重要业务系统（MC system）、智能网业务控制点（SCP）、域名服务器/电话号码映射（DNS/ENUM）、远端拨入用户验证服务（RADIUS）等设备纳入应用系统。其中，MC system用于实现铁路集群语音、数据、视频等业务，基于IP多媒体子系统（IMS）架构，核心网元为呼叫会话控制功能（CSCF），同时配置相关的应用服务器、数据库等设备。虽然这些网元被归结为应用系统，但这些网元在LTE-R系统功能及业务的实现上，以及与其他通信系统的互联上，都起着至关重要的作用，属于不可或缺的一部分。

LTE-R核心网系统架构如图1所示。

对 于 HSS、SCP、DNS/ENUM、RADIUS等设备目前按照全路共用考虑，将集中冗余设置，对于本地核心网设备在路局所在地设置。中国铁路LTE-R系统将承载行车相关、运营及维护、旅客信息等应用业务，根据GSM-R系统的建设维护经验，从可靠性、可维护性及安全性角度出发，本地核心网应考虑冗余设置。

3 核心网云平台技术解决方案

核心网云化解决方案架构如图2所示。

核心网云化解决方案架构主要包括数据中心（Data Center，DC）、云操作系统（Cloud OS）及虚拟网络功能（VNF）等部分。其中，数据中心为基础设施硬件资源，采用x86通用服务器，面向上层业务应用提供虚拟化资源池；云操作系统采用第三方操作系统。云平台可虚拟出EPC、MC system等相关网络功能及应用系统功能；管理和编排（MANO）主要包括虚拟业务编排（VNFO）和虚拟业务管理（VNFM），VNFO负责网络服务、虚拟资源以及物理资源的编排和管理，VNFM负责具体VNF网元的生命周期管理，VNFO管理VNFM，存储VNFM的相关信息，VNFO要求VNFM创建虚拟资源，并通知DC准备虚拟资源，VNFM与DC协同创建VNF。

当VNF采用分层解耦实现方式时，每个网元功能涉及多个虚拟机，包括业务处理单元（SPU）、业务数据单元（SDU）、操作管理单元（OMU）及路由转发单元（IPU）等，每个网元功能的虚拟机之间采用多径路冗余互连，同时，一个网元功能的虚拟机冗余配置在DC不同的刀片服务器上，以实现业务故障快速恢复和迁移，如图3所示。

图1 LTE-R核心网系统结构Fig.1 System structure of LTE-R core network

图2 核心网云化解决方案架构Fig.2 Architecture of core network cloud solution

图3 VNF分层解耦冗余配置Fig.3 Redundant configuration of VNF hierarchical decoupling

在VNF分层解耦冗余配置的基础上，通过地理容灾的方式可进一步提高单节点核心网的可靠性，如图4所示。在路局管辖范围内不同的地理位置或同一地理位置的不同机房部署核心网设备，每套核心网设备配置基本相同，包括数据中心、云操作系统、虚拟网络功能。对于不同地理位置或同一地理位置不同机房的虚拟网元，其中，MME组成POOL的方式工作；其他网元设置为备份关系，正常情况下主用设备工作，主用设备检修或故障时备用设备承担网络服务。相关网元之间，采用主（本端）连主（对端）、主（本端）连备（对端）、备（本端）连主（对端）、备（本端）连备（对端）的连接方式，做到连接径路冗余。

4 云平台技术方案优势分析

LTE-R核心网采用云平台技术组网的具体优势如下。

1）更可靠的备份

虚拟机N+K备份，不超过K个虚拟机故障，保证业务通畅；数据1+N备份，不超过N个数据点故障，保证数据正常。可做到业务平滑迁移、单点故障无损。

2）更低的成本

核心网网元虚拟化后，实现硬件设备的标准化和通用化，同时，按需弹性提供网络资源，实现网络资源的最大化利用，从而有效降低了网络成本。

3）弹性伸缩

图4 核心网冗余组网示意图Fig.4 Redundant networking diagram of the core network

根据网络状态，可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。在日常维护时，系统可根据话务量自动调整虚拟机数量，特别是在重大节日话务量激增时，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，达到节能减排的目的。

4）网络更加便捷

NFV/SDN能够实现基础设施资源、网络功能以及通信服务的弹性管理，根据业务需求使网络、NFV以及基础设施实现统一调度和协同工作，使其根据业务增长和下降自动调整业务类型，实现灵活部署，业务部署可在几十分钟内完成，不需要人工干预。

5）智能故障自愈

网络可实现智能运维，网络对性能实时监测，并进行综合分析和预测，可配置KPI监控。网络可实现亚健康状态的自动检测和隔离，常见的亚健康场景包括传输信号干扰、端口接触不良、光模块功率不足等情况。网络对亚健康切换阈值进行配置，如丢包率，一旦超过阈值，网络自动执行物理通道或逻辑通道的切换。网络可以监控所属各个虚拟机的运行状态，当虚拟机状态异常时，网络会监控到异常状态，主动释放资源，并将虚拟机重新建立起来，整个建立过程为分钟级。以上措施使得网络仍可实现电信级的可靠性。

6）网络平滑演进

随着应用业务需求的发展及技术的演进，铁路有些场景可能会引入NB-IoT、5G技术，5G核心网控制面为基于服务的网络架构（SBA），服务化架构要求网络功能和服务按需部署，实现灵活的网络切片，贴合云平台技术架构的功能，因此，LTE-R核心网采用云平台技术架构，有利于新的网络功能的部署，实现快速建网，从而节约更多的建网和维护成本。