移动网络网元分布式部署的优势及注意事项

移动数据业务快速发展，移动宽带网络的投入成本和收入问题，对网络扁平化趋势下网元分布式部署提出了一定要求，本文在研究移动网络分布式部署驱动力的基础上，分析了各种移动网络分布式部署模型关联成本因素的影响，提出了部署策略。

1  引言

随着HSDPA,EV-DO以及未来LTE无线宽带接入技术的逐步部署，限制业务发展的最主要瓶颈--无线带宽已经发生跳跃性的变化，移动网络的开放、流量和收入等多方面问题正在成为移动运营商当前面临的最重要挑战，运营商对部署下一代的移动宽带网络、对网络的未来演进愿望愈加迫切。驱动运营商进行分组域演进的原因有多方面，除了技术进步带来的可行性、无线技术的升级以外，更多是来自通信产业的业务发展和竞争加剧所带来的需求和压力。在这一变革趋势中，移动网络扁平化成为网络演进的热点问题。

2  扁平化成为移动网络发展的必然趋势

HSPA英文全称为HSPA High-Speed Packet Access,WCDMA的R99和R4系统能够提供的最高上下行速率分别为64kbps和384kbps,为了能够与CDMA1XEV-DO抗衡，WCDMA在R5规范中引入了HSDPA,在R6规范中引入了HSUPA,HS-DPA和HSUPA合称为HSPA.HSDPA（高速下行分组接入）在下行链路上能够实现高达14.4Mbit/s的速率。通过新的自适应调制与编码以及将部分无线接口控制功能从无线网络控制器转移到基站中，实现了更高效的调度以及更快捷的重传，HSDPA的性能得到了优化和提升。HSUPA（高速上行分组接入）在上行链路中能够实现高达5.76Mbit/s的速度。基站中更高效的上行链路调度以及更快捷的重传控制成就了HSUPA的优越性能。

在UMTS特别是HSPA部署后，单用户的数据流量和高速接入用户数的双边增长，导致了移动网络的数据流量达到了GSM时代的十倍甚至百倍以上，海量数据增长推动运营商/设备走向转型。数据业务的增长使得商业利润点发生转换，越来越多的运营商开始关注数据业务带来对现有网络的冲击，驱动未来网络扁平化的主要需求有以下几方面。

2.1  低成本精细化运营需要

从目前全球移动数据业务发展的经验看，数据业务流量急剧增长时，虽然整个产业链规模在扩大，但运营商的业务收入却难以成线性增长。也就是说，如果移动数据业务流量增加50~100倍的时候，相应的数据业务收入才以10%~20%速度增长。这种现象会造成运营商在移动宽带网络的投入上不得不考虑成本和收入的问题，最终影响到整个网络的建设和运营。移动运营商面对解决数据业务增量不增收困局，在选择网络建设方案时，重用现有资源、降低运维成本、缩减网络设备、缩短传输资源成为现实考虑。扁平的架构是高带宽网络的要求，能够提供更高效的传输，网元的功能更加集中，从而降低运营成本OPEX及设备购置成本CAPEX.

2.2  改善用户体验，减少网络瓶颈

移动互联网面对不同的需求：面向普通用户的大众网络和面向高端的精品网络。运营商倾向于将80%的增量不增收的低值互联网业务及早分流到外网，以节约昂贵的内网传输资源，专注于高值业务，从而形成互补的两个网络：大众网络、精品网络，使得移动运营商能够细分客户群以合理的成本为高值业务提供高服务等级。

移动互联网分化应用和精细化运营引发对分组域设备管控能力的需求，要求网络设备支持网络资源管理能力，能够实现业务感知和接入控制。在这个过程中，移动网关成为整个分组网络业务控制点和网络智能化的支撑点，特性化功能增多，对运营理解的要求增加。移动网关产品本身的竞争力向综合计费，业务管理控制，业务配套整合能力延伸。内容计费、DPI等网络智能化功能需求消耗了大量的设备性能。集中部署的移动网关性能日渐成为网络瓶颈。同时，网络的扁平化，降低传输延迟、增强网络效率、用户业务的传递更加迅速，用户的移动应用体验也将随之大幅提升。

2.3  网络融合的需要

与业务层面和运营层面的融合不同，网络层面融合主要是共享网络架构和处理能力，不能直接产生最终用户的价值。网络融合两种主要手段是网络简化和能力共享。

由于层次化拓扑结构存在性价比不高、组网复杂、运维复杂的缺陷，而扁平化的网络通过网络简化允许使用更少的硬件资源，需配置的业务节点更少，服务更容易提供，大大提高了网络利用效率及维护支出，以更低的成本提供服务。

经过多年发展，固定宽带接入网已经完成扁平化的部署进程。2G蜂窝移动网由于考虑对移动性的支持，同时每用户带宽及移动数据用户数量均处于较低水平，移动网关部署在网络的较高位置，与固定宽带接入网存在较大差异。移动网络的扁平化适合与固定网络融合，一个共设备、共传输、策略统一的融合网络能够降低运营成本，实现能力共享，向用户提供个性化的统一信息解决方案。

2.4  业务灵活引入，多业务运营的需要

传统网络业务大多是以垂直的综合方式开发。在完全垂直体系下，通过设备共享和架构共享，实现部分局点处理能力共享。完全垂直体系要求部分设备具有加载多种业务处理的能力，要求业务处理符合相同的架构，要求较高的功能分解度。层次化的组网模型、强管理性、以盈利为目的使得业务中心服务节点的部署相对集中。

云计算等分布式技术为业务提供水平体系的处理能力的共享。通过构建一个叠加网，管理整个网络的计算、存储资源，将网络的复杂性进行水平化封装，业务架构不关注业务本身，对业务架构无一致性要求。分布式技术的去中心化自组织特点，使得业务节点的部署范围扩大，趋向网络边缘。

业务的快速发展要求网络基础设施具有足够的灵活性和扩展性，网络层面的扁平化能够更好地适应业务提供方式和业务流量的变化，用户在网络边缘即可感知到网络提供的丰富业务能力，使得企业能够快速部署基础设施和业务并尽快推向市场。

通过实现内容和媒体面网元下移服务，移动网络分布式部署成为满足网络扁平化需求的主要实现方案之一。

3  移动网络分布式部署场景

如图1所示，以EPC架构为分析原型，我们将IP网络分为核心层、边缘层、汇聚接入层。EPC控制面网元集中部署可以改善用户移动性管理、提高设备利用率和降低运营成本，MME可以和其他的控制面节点合设在一个公共的服务器集群中，在分布式部署中EPC控制面网元集中部署；而EPC用户面网元、应用/内容缓存服务器、网络对等接入点逐层分布部署，构成各种具体的分布式部署模型。

图1  移动网络分布化架构

运营商之间运营成本、服务质量、资费模式等激烈的竞争，有必要综合考虑网络部署方式，促进运营竞争力的有效提升，联系到分布式部署，其方案的优劣、驱动力成为关键问题。

4  网元分布式部署能够获得成本优势

4.1  移动网关分布式部署需要考虑的关联成本因素

基于以上扁平化的需求，移动网关分布式部署需要考虑的关联成本因素主要包括：

（1）移动网关SGW/PGW的软硬件成本。这部分成本与用户数量、用户话务模型呈线性关系。

（2）应用和内容缓存服务器的部署数量和部署位置。视频业务对网络带宽的需求日益增加，如果采用内容分发点下移的方法，可以有效缓解这一需求。同时，提供有竞争力的用户业务体验，也要求承载网络尽量减少端到端的时延。因此，应用和内容缓存服务器的数量增加、部署位置下移是主流趋势。这一成本因素与业务流量呈正比关系，业务流量越大，该成本因素越明显。

（3）传输链路成本。这部分成本与传输距离远近、数据流量大小相关；与移动网关的部署位置，应用和内容缓存服务器的部署位置相关。这一成本因素与业务流量呈正比关系，业务流量越大，该成本因素越明显。

（4）转接数据流量成本。目前的国际互联付费模式有两种：对等（Peer）和转接（Transit）模式。 对等（Peer），指的是互联的两个骨干网在自己的网上免费承载对方的用户发起的业务，互不结算，同时双方各负责己方的国际半电路，在国际点实现连接。另一种可选方式是转接（Transit）模式，即一个骨干向另一个骨干付费，收费方负责将付费方发起的业务传送到其他骨干。其中，对等模式的数据流量成本与移动网关的部署位置、应用和内容缓存服务器的部署位置相关。这一成本因素与业务流量呈正比关系，业务流量越大，该成本因素越明显。

（5）运维成本。主要包括扩容升级成本及需维护的局点数量。

在以上关联成本因素中，应用和内容缓存服务器、传输链路、转接数据流量成为最活跃的因素，与分布式部署的具体方式、数据业务流量关系密切。

根据统计，当前移动数据用户的主要应用及带宽占用量如图2所示。在上述应用中，我们以表1所示的移动网络分组域流量模型为例加以分析。

图2  移动互联网带宽占用量

表1  移动网络数据流量模型

4.2  移动网络分布式部署方式

根据各网元部署位置的不同，以EPC网络为例，移动网络分布式部署包括以下几种部署方式：

（1）集中式部署：控制面网元MME,用户面网元PGW/SGW,应用服务器等置于网络核心层。

（2）分布式移动网关：控制面网元MME,应用服务器等置于网络核心层。将PGW/SGW部署位置下移到网络边缘层，例如PGW/SGW从省级移至地市级。

精品网络中这些业务流主要包括Voice,P2P等，这部分数据流不会经过本地网络接入点和转接网络接入点转发。与集中式部署相比较，该模型可以降低超过15%的本地业务流的传输成本。

（3）分布式应用服务器

将PGW/SGW部署位置下移到网络边缘层，应用服务器下移到网络边缘层以下。例如，集中在核心层部署的IPTV内容服务器，采用分布式部署后可置于网络边缘层、汇聚接入层；也可以在采用分布式后应用服务器在网络核心层、网络边缘层、汇聚接入层同步部署的方式，内容逐层分发。

访问应用服务器的业务流量占比30%,通过该模型，可实现精品网络中这部分数据流量的成本节约。

（4）分布式本地网络接入点

将PGW/SGW和本地网络接入点部署位置下移到网络边缘层，采用该模型，大众网络Internet业务中访问本地网络的数据流量可实现成本节约。

（5）分布式应用服务器、本地网络接入点

将PGW/SGW,应用服务器和本地网络接入点部署位置下移到网络边缘层。采用该模型，可实现精品网络数据流量、本地Internet数据流量的成本节约。

（6）全分布式

在上述（5）的基础上，将转接网络接入点部署位置下移到网络边缘层，成为全分布式部署。

转接网络接入点的部署与互联网互联结算密切相关。到目前为止，互联网互联结算仍然没有固定的模式。其中，一种结算方法如美国运营商Sprint,根据互联点数量收费。转接网络接入点的分布式部署将增加互联点数量，引起结算成本上升。

另一方面，由于互联网的传输特点，越来越多的运营商需要更多的动态的网络容量。转接网络接入点的数量增加要求更多的路由器，需要配置的业务节点更多，增加了提供服务的难度。而带灵活接口的高密度路由器可以在不增加系统的情况下提高网络容量，服务提供商可以在不影响网络拓扑的情况下增加新的用户，因此可以减少设备数量，并使网络更加简单和稳定，降低了投入和运营成本。

转接网络接入点的分布式部署将引起成本上升。与分布式部署S/PGW方式比较，集中部署S/PGW方式适合于业务量较低的场景，例如部署初期或者小的网络运营商OpCo.分布式部署S/PGW方式是EPC网络的目标部署方式，适用于较大的网络运营商OpCo中业务量较大的场景。综合比较以上分布式部署方式，当数据业务流量达到一定规模时，将MME几种部署在网络核心层，将移动网关SGW/PGW,应用/内容缓存服务器、本地网络接入点从网络核心层下移至网络边缘层进行分布式部署，能够获得最优成本目标。

综合比较以上部署模型，从成本角度可以得出如下结论：集中部署S/PGW方式在EPS初期进行部署，随着业务量的增长和新业务的引进，逐渐向分布式部署方式（5）演进。

5  网元分布式部署促进网络融合

如图3所示，随着移动网络无线带宽瓶颈不断突破，产生了"全业务竞争"环境下的"宽带接力棒"现象，数据业务不断从固定网络向移动网络平移，越来越多的运营商开始进军固网/宽带/互联网市场，向全业务运营商转型。加强网络融合，各层网络的"融合+共享"成为"全业务网络"演进的主旋律。业务创新上，也从单纯的移动业务到提供移动、固网、Internet融合的业务，实现移动用户量快速增长，加强数据业务/企业业务盈利能力，通过融合走出盈利困境。

图3  "宽带接力棒"现象

对于网络而言，关键是如何从传统烟筒型网络向全业务融合型网络演进，并具备固定、移动统一网络承载能力。融合背景下的移动网络分布式部署应综合考虑如下网元：

（1）移动宽带网络需要移动网关SGW/PGW,为移动宽带用户提供接入管理、移动性管理服务。

（2）SR（业务路由器），为大客户服务的多媒体交换机，彼此间既有隔离又有交互。

（3）宽带接入网关，家庭宽带、游牧宽带服务需要BRAS.公众（因特网业务）接入后需要认证、需要管理、效益保障安全，各种控制网关正逐步融合。

移动网络的分布式部署使得SGW/PGW的位置下移，移动与固定网络层面的融合成为可能。融合网络部署中应考虑如下策略：

●可以在一个物理节点中部署SGW/PGW和固定宽带接入网关。

●移动和固定用户使用相同的因特网接入策略。

●移动和固定接入的策略控制和计费可以由相同的网络节点执行，使用相同的接口。

●位于汇聚层的网关（如SGW和PGW）可以与BRAS集成。

6  分布式部署应关注的问题

移动网络的分布式部署属于设备级别分布、网络部署方面的考虑，将会带来成本降低、网络融合等优势，也是未来网络发展趋势，但是不可避免会产生业务连续性、移动效率、运营管理等问题。

（1）移动网络的分布式部署将导致切换频繁和路由迂回，影响业务连续性和移动效率。移动用户的漫游，在进行跨区域移动时，移动网络应保证无缝的业务连续性。EPC架构通过固定锚点PGW的方式支持终端的移动性，由归属地PGW为用户提供接入地的IP地址，从而实现了切换过程中的IP地址不变，保证了业务在IP层面的连续性。固定锚点带来了数据包路径迂回的问题，加重了传输延时和带宽浪费。分布式部署缩小了单一锚点覆盖范围，将使得路径迂回的问题更加严重。另一方面，分布式部署缩小了单一SGW覆盖范围，增加跨网关切换频率，将使得切换过程中的报文延迟、数据丢失和报文乱序更加频繁，降低了数据服务级别。现有技术可以实现分布式架构下的IMS等业务的运行，然而在组网过程中仍然需要考虑网元间接口数量、负荷等进行合理部署，因此合理规划是在组网时必需认真考虑的问题。

（2）运营管理。现有移动网络以集中式部署为主，分布式部署影响现有核心网的拓扑结构；由于维护多个分布式节点，而增加维护成本。

7  结束语

移动网络分布式部署从物理角度对网络架构进行扁平化，在一定程度上满足了扁平化需求。差异化的分布式方案（如区分下移网元）将导致不同的网络扁平化程度，因此需要结合具体的网络状况和业务发展预期进行合理规划。