NextEPC初探

NextEPC初探

1 引言

1.1 LTE和5G

  4G系統構架主要包括無線側(即Long Term Evolution, LTE)和網絡側(System Architecture Evolution, SAE)，準確點講，這個4G系統構架在3GPP裏叫EPS(Evolved Packet System，演進分組系統)，EPS指完整的端到端4G系統，它包括UE(User Equipment, 用戶設備)、E-UTRAN(演進的通用陸地無線接入網絡)和EPC核心網絡(Evolved Packet Core, 演進的分組核心網)。他們之間的定義和關係如圖1所示。

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圖1 EPS、EPC、E-UTRAN、SAE和LTE的技術定義
  4G的EPS是爲移動寬帶而設計的，從3G到4G的演進，被稱爲“整體演進”，即包括接入網和核心網的EPS整體演進到4G時代。5G是第5代移動通信技術的縮寫，是LTE技術的下一代技術。談到5G技術，免不了要談到R15。R15是由3GPP組織發佈的技術規範的版本編號，R15版本的技術規範於2017年12月正式發佈。3GPP發佈的R15版本技術規範由一系列的技術規範組成，涉及三大技術體系，一個是WCDMA，一個是LTE，另外一個是5G。因此，R15並不是5G的專利。

  R15對5G技術而言，有特別的意義，這是因爲R15是3GPP中5G相關技術規範的第一個版本，相當於LTE技術的第一個版本R8，因此是一大里程碑。與R8版本的LTE技術規範一次性發布不同，R15版本的5G技術規範爲了搶時間，在2017年12月發佈的只是其中一部分的技術規範，專門用於NSA（Non-StandAlone，非獨立）部署場景，用於SA（StandAlone，獨立）部署場景的技術規範推遲到2018年6月發佈。

  3GPP組織把接入網（5G New Radio, NR）和核心網（5G Core）拆開了，要各自獨立演進到5G時代，是因爲5G不僅是爲移動寬帶設計，它要面向eMBB(增強型移動寬帶)、URLLC（超可靠低延時通信）和mMTC（大規模機器通信）三大場景。eMBB場景主要是3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業務；mMTC場景主要是大規模物聯網業務；URLLC場景則包括無人駕駛、工業自動化等需要低時延、高可靠連接的業務。

  5G網絡的性能從三個方面較LTE網絡有了大幅提升：（1）峯值速率可達10Gbps；（2）海量用戶可達百萬連接/平方公里；（3）往返延時可低於1ms。2017年底5G技術規範已經制定併發布，從2018年開始，5G技術在中國進入試商用階段，正式商用預計在2020年。

  近年來，許多行業和企業已開始部署定製設計的私有蜂窩網絡，我們將其稱爲社區蜂窩網絡（Community Cellular Network, CCN）。將這些網絡去中心化可以賦予地方社區權力，增加機會和自由。可以理解爲釋放了私有蜂窩網絡的潛力，5G不僅僅是新的蜂窩無線電接口和天線（NR部分），5G連接可以同時使用5G、LTE和WiFi。

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圖2 社區蜂窩網絡（CCN）的示例
  如圖2所示，例如，共享的3.5GHz頻帶中的公民寬帶無線電服務（Citizens Broadband Radio Service, CBRS）支持獨立的室內和室外蜂窩網絡。想象一下，多個私有LTE網絡在單個建築物、社區或園區中運行。同樣，諸如LTE-U和LAA之類的非授權譜段的LTE網絡也越來越受到關注。在這種新興趨勢下，理想的蜂窩核心網絡需要提供（1）靈活性，（2）可擴展性和（3）魯棒性，以協調社區中的多個獨立蜂窩網絡實體，從而使用戶能夠在這些網絡之間享受無縫、可靠和高效的通信至關重要。

  NextEPC公司正在爲LTE/5G/NB-IoT核心網絡實體開發軟件解決方案。他們的解決方案不僅完全符合最新的3GPP規範，而且已擴展爲包括一組其他功能，例如s1/x2聚合、代理、本地突破等。NextEPC具備以下三個特性：

  （1）靈活性：NextEPC基於便攜式軟件的實現在任何類型的託管環境中都是通用的。

  （2）可擴展性：通過添加更多軟件實例可以輕鬆地增加容量。

  （3）穩健性：NextEPC的解決方案支持所有基於3GPP標準的可靠性特性（例如S1-flex）以及我們專有的故障轉移技術，該技術可爲用戶提供無縫服務。

  演進分組核心網（Evolved Packet Core, EPC）在4G LTE中起着關鍵作用， 5GC是3GPP定義的新型5G核心網（5GC）。與前幾代不同，5G的部署可以使用現有的EPC或使用5GC。此外，5G所介紹的使用5GC搭建StandAlone模式（SA），或使用EPC/5GC搭建Non-StandAlone模式（NSA），這兩種方式增加了尋找演化到5G最佳路徑的複雜性。

  前面說了5G的R15規範分爲NSA和SA兩種部署場景，這兩種部署場景的主要差別是：NSA部署場景的核心網還是採用EPC（也可採用5GC），也就是借用LTE核心網，只有無線網絡採用了5G的無線網絡；而SA部署場景的核心網採用5GC，也就是5G的核心網，從核心網到無線網是全套的、完整獨立的5G網絡。因此，NSA部署場景適合做5G的試驗網絡，而SA部署場景比較適合5G的正式商用。

1.2 SA 5G網絡部署

  通往5G的直接途徑是在SA模式下使用5GC部署5G新無線接入網（New Radio, NR），這稱爲“選項2”，如圖3所示。它需要支持LTE/EPC和NR/5GC之間的切換（inter-RAT handover）和重定向，只要5G可能無法完全覆蓋服務區域。此遷移路徑與我們爲LTE部署所做的非常相似。主要優點是，此選項可以對現有EPC進行少量修改即可充分發揮5G的能力，以支持與5G的互通。

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圖3 部署了5GC和gNodeB的SA 5G網絡（選項2）

1.3 基於EPC的NSA 5G網絡部署

  如果將5G應用於NSA模式，我們仍有許多設計選擇，但通常會考慮“選項3”方案。圖4描繪了具有雙連接性的“選項3”，該雙連接性可在UE處同時提供LTE和NR無線電接入。“選項3”還需要支持基於LTE的NSA體系結構。這種遷移路徑的優勢在於，早期5G部署不需要5GC。通過這種網絡設計，S1的控制接口僅提供給LTE eNodeB，而S1的用戶平面接口可以同時提供給eNodeB和NR gNodeB。因此，應在EPC中對流量進行分類和劃分。

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圖4 在現有EPC下部署了gNodeB的NSA 5G網絡（選項3）

1.4 基於5GC的NSA 5G網絡部署

  從選項3遷移的途徑是爲了接下來進行5GC的引入，這一路徑稱爲“選項7”。在選項3中，無法利用5GC的優點。如圖5所示，從R15開始的演進的LTE（eLTE）eNodeB通過控制和用戶接口連接到新的5GC，而gNodeB僅將用戶接口連接到5GC。部署5GC時，升級到“選項7”將會很順利，它可能會提供比SA“選項2”更好的性能。但是，如果SA“選項2”部署變得很流行，則可能不需要遷移到“選項7”。

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圖5 使用5GC、gNodeB和eLTE的NSA模式5G網絡（選項7）

1.5 5G NR的全國範圍部署

  隨着5G NR部署日趨成熟，gNodeB將在SA部署場景中取代舊的LTE eNodeB（選項2中）。在NSA中，可以將選項3和選項7升級爲選項4，該選項4也可以使用具有雙連接功能的LTE的NSA網絡架構。圖6描述了選項2和4，控制平面始終位於5G NR中，以便可以將5G的更強大功能完全提供給用戶，但他們要求5G NR可以提供連續的覆蓋範圍。

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圖6 SA和NSA 5G NR在全國範圍內部署（選項2和4）

1.6 小結&NextEPC的5G路線圖

  NextEPC（https://nextepc.com）已經提供了4G LTE EPC開源軟件，用於從2017年開始推廣專用LTE網絡（https://nextepc.org獲得），並且5GC軟件解決方案將在2020年中期附近準備就緒，如圖7所示。NextEPC將在單個軟件包中同時包含EPC和5GC，以實現從4G到5G的無縫過渡，因此它將在任何類型的5G早期部署場景中通用。另一方面，NextEPC將通過蜂窩核心服務的動態服務發現技術促進分佈式部署。可以實現可伸縮性和魯棒性。

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圖7 NextEPC的5G路線圖

2 NextEPC安裝

  軟件包的安裝已在Ubuntu 18.04上驗證，而構建（building，從源碼構建）已在Ubuntu 16.04（Zenial）和18.04（Bionic Bearer）上驗證。本文選擇安裝包安裝。
  （1）安裝NextEPC
  在命令行裏分別輸入：
sudo apt-get update
sudo apt-get -y install software-properties-common
sudo add-apt-repository ppa:nextepc/nextepc
sudo apt-get update
sudo apt-get -y install nextepc
  【注：如果是新安裝的系統沒有root和sudo權限時，首先輸入sudo passwd root添加root密碼；用戶不在sudoers裏面的話，百度相關教程解決即可】
  （2）安裝Web用戶接口（WebUI）
  安裝支持用戶訂閱管理的Web用戶界面，在命令行裏分別輸入：
sudo apt-get -y install curl
curl -sL https://deb.nodesource.com/setup_10.x | sudo -E bash -
curl -sL https://nextepc.org/static/webui/install | sudo -E bash -
  （3）驗證安裝
  NextEPC守護程序都被註冊到systemd環境中。在命令行裏分別輸入（開頭是sudo的），驗證是否安裝好。
sudo systemctl status nextepc-mmed
● nextepc-mmed.service - NextEPC MME Daemon
Loaded: loaded (/lib/systemd/system/nextepc-mmed.service; enabled; vendor preset: enabled)
Active: active (running) since Thu 2019-02-21 19:29:43 MST; 27s ago
…
sudo systemctl status nextepc-sgwd
…
sudo systemctl status nextepc-pgwd
…
sudo systemctl status nextepc-hssd
…
sudo systemctl status nextepc-pcrfd
…
  （4）驗證隧道接口創建
  因爲創建了一個虛擬的網絡接口，pgwtun
  輸入ifconfig pgwtun
pgwtun Link encap:UNSPEC HWaddr 00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00-00
inet addr:45.45.0.1 P-t-P:45.45.0.1 Mask:255.255.0.0
inet6 addr: fe80::50f6:182c:5aa3:16bb/64 Scope:Link
inet6 addr: cafe::1/64 Scope:Global
…
  （5）卸載WebUI，NextEPC守護程序和日誌文件
  在命令行裏分別輸入
curl -sL https://nextepc.org/static/webui/uninstall | sudo -E bash -
sudo apt-get purge nextepc*
sudo rm -Rf /var/log/nextepc

3 NextEPC配置

  NextEPC是4G/5G 3GPP核心網的開源實現。NextEPC包括移動性管理實體（Mobility Management Entity, MME），服務網關（Serving Gateway, SGW），分組數據網絡網關（Packet Data Network Gateway, PGW），歸屬用戶服務器（Home Subscriber Server, HSS）以及策略和計費規則功能（Policy and Charging Rules Functions, PCRF）。

  NextEPC MME提供到eNodeB的S1接口和到SGW的S11接口，以及到HSS的S6a。

  NextEPC SGW實現了連接到MME的S11接口和連接到PGW的S5接口。

  NextEPC PGW在IP網絡中充當邊緣路由器。它配備有面向Internet的S5接口和SGi接口，以及與PCRF的S7接口。

  NextEPC HSS是用戶訂閱數據庫。它使用DIAMETER協議實現了面向MME的S6a接口。

  NextEPC PCRF控制LTE用戶和承載QoS的策略和規則。它提供了到PGW的Gx接口。

  【詳細的配置內容參見https://nextepc.org/configuration/】