NextEPC初探

NextEPC初探

1 引言

1.1 LTE和5G

  4G系统构架主要包括无线侧(即Long Term Evolution, LTE)和网络侧(System Architecture Evolution, SAE)，准确点讲，这个4G系统构架在3GPP里叫EPS(Evolved Packet System，演进分组系统)，EPS指完整的端到端4G系统，它包括UE(User Equipment, 用户设备)、E-UTRAN(演进的通用陆地无线接入网络)和EPC核心网络(Evolved Packet Core, 演进的分组核心网)。他们之间的定义和关系如图1所示。

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图1 EPS、EPC、E-UTRAN、SAE和LTE的技术定义
  4G的EPS是为移动宽带而设计的，从3G到4G的演进，被称为“整体演进”，即包括接入网和核心网的EPS整体演进到4G时代。5G是第5代移动通信技术的缩写，是LTE技术的下一代技术。谈到5G技术，免不了要谈到R15。R15是由3GPP组织发布的技术规范的版本编号，R15版本的技术规范于2017年12月正式发布。3GPP发布的R15版本技术规范由一系列的技术规范组成，涉及三大技术体系，一个是WCDMA，一个是LTE，另外一个是5G。因此，R15并不是5G的专利。

  R15对5G技术而言，有特别的意义，这是因为R15是3GPP中5G相关技术规范的第一个版本，相当于LTE技术的第一个版本R8，因此是一大里程碑。与R8版本的LTE技术规范一次性发布不同，R15版本的5G技术规范为了抢时间，在2017年12月发布的只是其中一部分的技术规范，专门用于NSA（Non-StandAlone，非独立）部署场景，用于SA（StandAlone，独立）部署场景的技术规范推迟到2018年6月发布。

  3GPP组织把接入网（5G New Radio, NR）和核心网（5G Core）拆开了，要各自独立演进到5G时代，是因为5G不仅是为移动宽带设计，它要面向eMBB(增强型移动宽带)、URLLC（超可靠低延时通信）和mMTC（大规模机器通信）三大场景。eMBB场景主要是3D/超高清视频等大流量移动宽带业务；mMTC场景主要是大规模物联网业务；URLLC场景则包括无人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务。

  5G网络的性能从三个方面较LTE网络有了大幅提升：（1）峰值速率可达10Gbps；（2）海量用户可达百万连接/平方公里；（3）往返延时可低于1ms。2017年底5G技术规范已经制定并发布，从2018年开始，5G技术在中国进入试商用阶段，正式商用预计在2020年。

  近年来，许多行业和企业已开始部署定制设计的私有蜂窝网络，我们将其称为社区蜂窝网络（Community Cellular Network, CCN）。将这些网络去中心化可以赋予地方社区权力，增加机会和自由。可以理解为释放了私有蜂窝网络的潜力，5G不仅仅是新的蜂窝无线电接口和天线（NR部分），5G连接可以同时使用5G、LTE和WiFi。

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图2 社区蜂窝网络（CCN）的示例
  如图2所示，例如，共享的3.5GHz频带中的公民宽带无线电服务（Citizens Broadband Radio Service, CBRS）支持独立的室内和室外蜂窝网络。想象一下，多个私有LTE网络在单个建筑物、社区或园区中运行。同样，诸如LTE-U和LAA之类的非授权谱段的LTE网络也越来越受到关注。在这种新兴趋势下，理想的蜂窝核心网络需要提供（1）灵活性，（2）可扩展性和（3）鲁棒性，以协调社区中的多个独立蜂窝网络实体，从而使用户能够在这些网络之间享受无缝、可靠和高效的通信至关重要。

  NextEPC公司正在为LTE/5G/NB-IoT核心网络实体开发软件解决方案。他们的解决方案不仅完全符合最新的3GPP规范，而且已扩展为包括一组其他功能，例如s1/x2聚合、代理、本地突破等。NextEPC具备以下三个特性：

  （1）灵活性：NextEPC基于便携式软件的实现在任何类型的托管环境中都是通用的。

  （2）可扩展性：通过添加更多软件实例可以轻松地增加容量。

  （3）稳健性：NextEPC的解决方案支持所有基于3GPP标准的可靠性特性（例如S1-flex）以及我们专有的故障转移技术，该技术可为用户提供无缝服务。

  演进分组核心网（Evolved Packet Core, EPC）在4G LTE中起着关键作用， 5GC是3GPP定义的新型5G核心网（5GC）。与前几代不同，5G的部署可以使用现有的EPC或使用5GC。此外，5G所介绍的使用5GC搭建StandAlone模式（SA），或使用EPC/5GC搭建Non-StandAlone模式（NSA），这两种方式增加了寻找演化到5G最佳路径的复杂性。

  前面说了5G的R15规范分为NSA和SA两种部署场景，这两种部署场景的主要差别是：NSA部署场景的核心网还是采用EPC（也可采用5GC），也就是借用LTE核心网，只有无线网络采用了5G的无线网络；而SA部署场景的核心网采用5GC，也就是5G的核心网，从核心网到无线网是全套的、完整独立的5G网络。因此，NSA部署场景适合做5G的试验网络，而SA部署场景比较适合5G的正式商用。

1.2 SA 5G网络部署

  通往5G的直接途径是在SA模式下使用5GC部署5G新无线接入网（New Radio, NR），这称为“选项2”，如图3所示。它需要支持LTE/EPC和NR/5GC之间的切换（inter-RAT handover）和重定向，只要5G可能无法完全覆盖服务区域。此迁移路径与我们为LTE部署所做的非常相似。主要优点是，此选项可以对现有EPC进行少量修改即可充分发挥5G的能力，以支持与5G的互通。

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图3 部署了 5GC和 gNodeB的 SA 5G网络（ 选项2）

1.3 基于EPC的NSA 5G网络部署

  如果将5G应用于NSA模式，我们仍有许多设计选择，但通常会考虑“选项3”方案。图4描绘了具有双连接性的“选项3”，该双连接性可在UE处同时提供LTE和NR无线电接入。“选项3”还需要支持基于LTE的NSA体系结构。这种迁移路径的优势在于，早期5G部署不需要5GC。通过这种网络设计，S1的控制接口仅提供给LTE eNodeB，而S1的用户平面接口可以同时提供给eNodeB和NR gNodeB。因此，应在EPC中对流量进行分类和划分。

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图4 在现有 EPC下部署了 gNodeB的 NSA 5G网络（ 选项3）

1.4 基于5GC的NSA 5G网络部署

  从选项3迁移的途径是为了接下来进行5GC的引入，这一路径称为“选项7”。在选项3中，无法利用5GC的优点。如图5所示，从R15开始的演进的LTE（eLTE）eNodeB通过控制和用户接口连接到新的5GC，而gNodeB仅将用户接口连接到5GC。部署5GC时，升级到“选项7”将会很顺利，它可能会提供比SA“选项2”更好的性能。但是，如果SA“选项2”部署变得很流行，则可能不需要迁移到“选项7”。

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图5 使用 5GC、 gNodeB和 eLTE的 NSA模式 5G网络（ 选项7）

1.5 5G NR的全国范围部署

  随着5G NR部署日趋成熟，gNodeB将在SA部署场景中取代旧的LTE eNodeB（选项2中）。在NSA中，可以将选项3和选项7升级为选项4，该选项4也可以使用具有双连接功能的LTE的NSA网络架构。图6描述了选项2和4，控制平面始终位于5G NR中，以便可以将5G的更强大功能完全提供给用户，但他们要求5G NR可以提供连续的覆盖范围。

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图6 SA和 NSA 5G NR在全国范围内部署（ 选项2和4）

1.6 小结&NextEPC的5G路线图

  NextEPC（https://nextepc.com）已经提供了4G LTE EPC开源软件，用于从2017年开始推广专用LTE网络（https://nextepc.org获得），并且5GC软件解决方案将在2020年中期附近准备就绪，如图7所示。NextEPC将在单个软件包中同时包含EPC和5GC，以实现从4G到5G的无缝过渡，因此它将在任何类型的5G早期部署场景中通用。另一方面，NextEPC将通过蜂窝核心服务的动态服务发现技术促进分布式部署。可以实现可伸缩性和鲁棒性。

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图7 NextEPC的 5G路线图

2 NextEPC安装

  软件包的安装已在Ubuntu 18.04上验证，而构建（building，从源码构建）已在Ubuntu 16.04（Zenial）和18.04（Bionic Bearer）上验证。本文选择安装包安装。
  （1）安装NextEPC
  在命令行里分别输入：
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：如果是新安装的系统没有root和sudo权限时，首先输入sudo passwd root添加root密码；用户不在sudoers里面的话，百度相关教程解决即可】
  （2）安装Web用户接口（WebUI）
  安装支持用户订阅管理的Web用户界面，在命令行里分别输入：
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）验证安装
  NextEPC守护程序都被注册到systemd环境中。在命令行里分别输入（开头是sudo的），验证是否安装好。
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）验证隧道接口创建
  因为创建了一个虚拟的网络接口，pgwtun
  输入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）卸载WebUI，NextEPC守护程序和日志文件
  在命令行里分别输入
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核心网的开源实现。NextEPC包括移动性管理实体（Mobility Management Entity, MME），服务网关（Serving Gateway, SGW），分组数据网络网关（Packet Data Network Gateway, PGW），归属用户服务器（Home Subscriber Server, HSS）以及策略和计费规则功能（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实现了连接到MME的S11接口和连接到PGW的S5接口。

  NextEPC PGW在IP网络中充当边缘路由器。它配备有面向Internet的S5接口和SGi接口，以及与PCRF的S7接口。

  NextEPC HSS是用户订阅数据库。它使用DIAMETER协议实现了面向MME的S6a接口。

  NextEPC PCRF控制LTE用户和承载QoS的策略和规则。它提供了到PGW的Gx接口。

  【详细的配置内容参见https://nextepc.org/configuration/】