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Open5GCore简介【zoues.com】 – zoues

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Open5GCore简介【zoues.com】
四月 20, 2017|ITPaaSSDN

Open5GCore简介【zoues.com】

Open5GCore简介【zoues.com】

作者简介:李子姝,北京邮电大学未来网络理论与应用实验室 研一 CCN、NDN方向

调研5G相关的东西时了解到了一个5G核心网的测试平台,名为open5GCore,颇有趣味,于是在这里进行简要的整理和概括,感兴趣的读者也可以前往其官网http://www.open5gcore.org/ 做进一步了解。

一.Open5GCore是什么

Open5GCore是下一代移动核心网的测试平台,是一个集成了核心网(core network)、无线接入网(radio network)、分布式管理(distributed management)和虚拟化(virtualization)的软件工具包,可以用来辅助5G系统中各个模块的研究和开发。Open5GCore是对5G系统的源码实现,主要关注核心网的5G未来演进功能。是各公司开发5G核心网产品的一个基础,同时也是研发的一个测试验证平台。

Open5GCore目前由一家名为Fraunhofer Fokus的公司运营,该公司在2013年前在运营一个名为OpenEPC的项目。OpenEPC是一个覆盖了3GPP Release 12的核心网功能的商业软件,Open5GCore的软件工具包架构是在OpenEPC的结构基础(基于3GPP Rel的小尺寸功能性LTE / EPC核心网络)上增加了5G的要素,强化了NFV/SDN,并提供了一个用于评估的BenchMarking模块,这几个增进的要素都在图1所示的Open5GCore宏观架构和图2所示的基本核心网功能架构上有所体现。
Open5GCore简介

二.Open5GCore基本核心网架构及功能

Open5GCore主要关注核心网的5G未来演进功能,所以这一小节主要介绍Open5GCore的基本核心网架构及功能。

Open5GCore基于OpenFlow 1.4的控制数据路径分割进一步扩展,能够与真正的LTE蜂窝集成,并使用现成的LTE设备执行概念验证演示。另外,Open5GCore支持按需WiFi作为可信任的非3GPP接入网络。图二所示是Open5GCore的基本核心网的功能架构。
Open5GCore简介
Open5GCore基本核心网包含以下功能:

  • 具有WIFI功能的模拟eNB(eNB emulation with WiFi):我们知道在实际情况下,一个物理基站与终端之间的通信,首先,基站需要有LTE认证,其次,移动终端需要有SIM卡。模拟eNB是物理eNBs的一个替代方案,用于在没有LTE认证的情况下运行测试台。可以通过利用附加的LTE/5G信令包来实现模拟eNB。
  • 使用OpenFlow 1.4实现控制-数据平面分离的SGW和PGW,包含GTP支持扩展的OpenFlow交换机。
  • HSS:基于OpenEPC Rel. 2 – Rel. 5 HSS
  • UE移动性管理:基于 3GPP EPC Rel. 11 ,OpenEPC Rel. 5实现了MME,支持Linux操作系统和安卓操作系统,并且基于OpenEPC Rel.5实现了对接入网络的选择控制。
  • 对WIFI的最基本的支持,包含一个简化形式的受信赖的无线接入网关(TWAG)和一个AAA服务器。

三.Open5GCore的特性

1. 5G无线增强功能:
Open5GCore为当前的LTE-Uu接口实现完整的无线信令协议栈,目的是将物理无线研究领域与核心网桥接。通过进一步的调整,LTE/5G信令构成了进一步研究RAN领域以及对前向和回程(fronthaul and backhaul)、RAN和核心网之间适当边界定义的基础。图3所示是Open5GCore实现的无线信令协议栈。
Open5GCore简介
Open5GCore内的LTE/5G信令包括以下新协议和功能特性:

  • 非接入层(Non-Access Stratum, NAS)(UE端):包括具有简化的EMM状态机(目前不支持专用承载,MAPCON等)的完整协议。
  • 无线资源控制(Radio Resource Control, RRC):具有扩展状态机的完整的协议实现,支持附件,拆卸和切换。
  • 数据包聚合协议(Packet Data Convergence Protocol, PDCP):基本的PDUs支持。完整性、标记以及头部压缩等功能都可以根据需要轻松添加。
  • 无线链路控制(Radio Link Control, RLC):支持透明和未认证模式,以及部分认证模式。

另外,实现了以下由LTE/5G信令向物理层PHY的附加功能:

  • MAC模拟:实现了包含信道分配在内的协议;
  • 支持小型论坛API(Small Cell Forum API)到PHY;
  • 使用MAC模拟和基于以太网的PHY的最小调度器;
  • 基于以太网的PHY模拟。

传统EPC核心网支持的附加协议(直接从OpenEPC Rel.5上移植而来):

  • 非接入层(MME侧):包括用于UE的会话和移动性状态机。
  • S1-AP协议:包含最具代表性功能的简化状态机实现的协议的实现。
  • SCTP:基本协议实现,目前无需做进一步的扩展。
  • GTP-U协议:自从OpenEPC Rel.3之后就一直在使用。

2.功能共址(Functionality Co-location):
Open5GCore包含一组模块,通过在软件层面上融合特定网络位置相关的可用功能,实现了控制和数据路径功能的共址。
Open5GCore简介
具体来说,Open5GCore包括以下模块,这些模块可以做到使不同的网络功能在单个运行的软件实例中共址:

  • Diameter内部交换模块:使二进制信息进程之间的转发不需要对Diameter消息进行编码/解码,并通过网络进行传输。它可以实现:

a)通过压缩S6a接口,实现MME和HSS的共址;
b)通过压缩SWx接口,实现AAA服务器和HSS的共址;
c)通过压缩STa接口,实现TWAG和AAA服务器的共址。

  • GTP内部交换模块:两个实体位于同一位置时,可以在GTP消息的进程之间进行转发,而无需对GTP消息进行编码/解码。
  • 概念协同验证控制实体(CTRL):包括3GPP EPC MME,SGW(仅控制部分)和PGW(仅控制部分)的功能;
  • 另外,可以使用分布式数据库后端将HSS添加到CTRL实体。

通过功能共址特征,核心网络可以包括单个类型的统一控制实体,根据网络功能选择,仅使用所需要的功能。
3. 运行时灵活性和鲁棒性:
Open5Gcore包括基本的运行时灵活性功能,这使得可以在运行时负载平衡,用户分配和5G系统接口特有的高可用性等功能方面进行进一步开发。

Open5GCore Rel.1包含以下基于5G架构开发的新算法,这些算法可以保证Open5GCore在运行时的灵活性。

  • Diameter负载平衡功能 – 该功能可以充当独立的Diameter路由器代理(DRA),或者它可以与Diameter接口的始发组件共址
  • 用于GTP和Diameter接口的内部和/或远程网络功能选择,使得能够基于非标准化的准则(例如用户的身份和存档)、下一个实体的位置和负载、故障或网络管理操作进行下一个实体的运行选择。

4. 数据路径灵活性:
Open5GCore从3GPP架构出发,提出了基于OpenFlow 1.4接口的控制-数据平面拆分,从而使数据路径的灵活性更高。
Open5GCore简介
除了数据-控制平面的划分,Open5GCore还包含以下一些额外功能:

  • 支持最短基础设施数据路径:对于特定用户、APN和数据流,Open5GCore基站可以拦截数据流并将其直接发送给目标用户,当然这前提必须是在此情景下两个UE都与同一个基站相连。在UE由于需要切换而改变所连接的基站的情况下,最短数据路径是无法保证的,因此默认使用EPC数据路径,该扩展也是5G/LTE基站的一部分。
  • 单交换数据路径:位于SGW-U和PGW-U的功能被集成在一个单个的交换机中,SGW-C被修改为用作GTP隧道建立的背靠背代理(back-to-back agent),通过这种方式可以消除在数据路径上对SGW-U的需求。
  • 支持使用多个PGW-U交换机来实现:负载均衡(这些交换机位于核心网络的情况下)、分流(在其中一个交换机距离UE很近的情况下)、数据路径分布和分布式移动性管理支持(交换机位于网络中不同运营商位置的情况下)。

5. 基准测试工具:
Open5GCore有自己的基准测试工具(benchmarking tool),用于对核心网络进行定量的端到端评估。由于5G架构尚未解决,因此在实际测试环境中对不同替代方案进行评估的需求非常迫切,并且该测试环境应该具有足够的灵活性,可以通过预标准程序轻松扩展。基准测试工具模拟LTE-Uu接口,同时支持基于3GPP标准的S1-MME和S1-U接口,从而能够评估核心网络的能力。根据需求,基准测试工具还可以支持基于Open5GCore LTE/5G信令的LTE-Uu接口。图6是Open5GCore基准测试工具和环境示例图。
Open5GCore简介
Open5GCore基准测试工具和环境包含几个功能特点:

  • 灵活和直观的eNB拓扑配置(比如小区和其相邻小区的列表),就好像能从核心网的视角上可见一样。
  • 灵活的用户移动性和负载模式,这些模式从网络角度来看也是可视的,例如基于用户数目的移动性和非个体用户模式
  • 支持x1000个模拟用户
  • 支持在不同进程中运行的x10个eNB(数量很大程度上取决于基准测试工具的基准计算能力)
  • 基于RAN拓扑配置和被测体系结构的实现架构,支持S1-MME和S1-U接口
  • 支持附件,拆卸和主动切换程序
  • 基准工具中的监控:成功率,程序延迟;
  • 监控被测系统:用于计算和存储资源消耗,弹性,故障等

根据不同的使用情况,可以进一步配置和扩展基准测试工具,以便针对RAN拓扑或功能,移动性和资源模式或者核心网络和核心网络监控接口进行按需扩展。

四.Open5GCore的部署

Open5GCore可以被部署在VMWare上,也可以被部署在OpenStack环境中。

在Openstack环境中部署时,OpenSDNCore为Open5GCore的部署提供NFV管理和编排,以及提供当下一些能够实现网络虚拟化的SDN应用。

为了支持大规模接入装置,Open5GCore还整合了OpenMTC工具包。除了其特定的M2M信息交换特性,OpenMTC还包含一个综合的装置和接入管理基础架构,能够实现大量装置的远程接入控制,这对于未来5G在大规模装置和应用接入领域的研究具有很大的意义。

关于OpenSDNCore和OpenMTC相关的知识,感兴趣的读者也可以前往其官网http://www.opensdncore.org/http://www.open-mtc.org/ 进行了解。

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对5G感兴趣的同学可以联系小黑加入到5G微信交流群中与大牛们一起讨论。微信号:wx928579866

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