5G网络软件化的分析

【摘 要】5G的标准已经在ITU-R、3GPP和IEEE内广泛讨论，因此分析了5G主要需求和相关的潜在技术手段，认为中国电信大力推动的CTNet2025，即网络的进一步软件化将大大促进5G的发展，最后提出了相应的对策建议。

【关键词】云计算 NFV SDN 软件网络

[Abstract] 5G standards were broadly discussed in ITU-R， 3GPP and IEEE. The requirements and potential technical methods were analyzed in this paper. The further softwarization of network， CTNet2025， which was strongly promoted by China Telecom， was believed to be able to drive 5G development greatly. Meanwhile， the corresponding solutions and suggestions were provided.

[Key words]cloud computing NFV SDN software network

1 引言

2016年7月11日，中国电信公开了《中国电信CTNet2025网络架构白皮书》，明确表示以“做领先的综合智能信息服务运营商”作为十三五发展的战略愿景，即以智能连接、智能平台和智能应用为核心，推进网络智能化、业务生态化、运营智慧化。CTNet2025网络架构重构计划准备在2025年前构建一个以“简洁、敏捷、开放、集约”为特征的新一代网络，这顺从了整个通信网络软件化的大趋势。

为应对4K、8K等高清视频和VR（Virtual Reality，虚拟现实）等新视频为主的数字洪峰，进一步提升网络性能，ITU-R从2012年开始研究5G技术，即IMT-2020。目前，5G愿景和需求已经完成，其设计目标同时满足高速广域、超高速热点、低功耗大连接、低时延高可靠等四大应用场景。ITU-R计划于2018年开始5G候选技术的征集和标准评估。3GPP则确定了5G标准化的两个阶段：第一阶段R15于2018年第二季度完成；第二阶段R16于2019年12月完成。2016年7月11日，美国最大的移动运营商Verizon宣布完成自己的5G无线标准；7月14日，FCC全体委员一致投票赞成开放近11 GHz的高频频谱用于5G网络，应该说5G的研发和标准化已经到了快速发展期。

在RAN（Radio Access Network，无线接入）技术上，从FDMA、TDMA、CDMA到OFDMA，每一代移动通信都采用了革命性的新型多址接入技术；在CN（Core Network，核心网络）技术上移动通信则经历了模拟交换、数字交换、IP分组交换等重大变革。为了满足5G各种种场景下的多样需求，本文认为采用软件化的网络实现智能化是应对的重要策略，即使用SDN（Software Defined Network，软件定义网络）/NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）技术将网络编写为软件，并在基于云的硬件或定制化的硬件上对其进行运营。本文将针对5G的需求，分析SDN、NFV等技术的应用思路。

2 SDN/NFV等软件化技术对网络智能化 的进一步提升

SDN是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，采用集中控制替代原有分布式控制，并通过开放和可编程接口实现软件定义的网络架构。SDN侧重通信网络的配置、感知、自动控制，从而更加敏捷和智能，可以解决现网新业务开发周期长、自动化程度低、统一调度难等问题，实现自动化细粒度管理。目前的共识是在传送层，如IP网和传送网等率先引入SDN，实现网络的智能调度和开放。

NFV是指利用虚拟化技术，采用标准化的通用IT设备（x86服务器、存储和交换设备等）来实现各种专用的网络功能，目标是替代通信网中私有和封闭的网元，实现统一的硬件平台加业务逻辑软件的开放架构。NFV通过硬件通用化和功能软件化来实现基础设施软硬分离，而促使网络从专用硬件、软硬合一、成本高、升级更新难、业务上线慢等向软硬件解耦、降低CAPEX/OPEX、软件功能按需灵活部署、新业务快速加载、标准硬件按需扩容转变。由于通用的服务器设备市场规模远大于专用电信设备，单位计算性能价格比远低于电信设备，并且成本下降和更新周期的幅度数倍于电信设备，这样能够以更低成本引进新IT设备，也减少了对单一解决方案提供商的依靠或被捆绑。NFV可以将网络功能（路由、地址管理、防火墙、DPI等）形成独立的APP在云上运行，这要求网络建设和维护采取与IT云类似的方式。目前的共识是率先在核心网和城域网边缘引入NFV以实现网络的弹性可拓展。

总之，引入NFV/SDN等新技术后，网络具备编程能力，资源具备弹性可伸缩能力，可以主动适应各种互联网和物联网应用所需。另外，广泛使用后可以降低成本和增加稳定性，这对5G系统的无线接入、核心网等方面都有一定的影响。下面将分析NFV和SDN在5G中的潜在应用。

3 NFV在4G/5G中的潜在应用

目前，4G核心网络是采用全IP化运作架构的封闭式网络系统，由单一设备负责单一专属功能，网络拓扑最上层是核心路由器层，中间为边缘/接入交换器层，下层是服务器集群、储存媒体网络，所有EPC的网元如管理用户注册和移动性的MME（Mobility Management Entity，移动性管理实体），都在这些服务器上运行。

4G核心网络上最重要的功能除了EPC之外就是IMS，其虚拟化方案分别被称为vEPC和vIMS。它们就是现有4G核心网络的相关专用网络设备的功能以软件的方式虚拟化，并经由云计算硬件资源虚拟化为多个VM（虚拟机），这会大幅提升EPC网络组件部署和更新的敏捷性，并实现设备容量按需求弹性扩充，提升系统服务水平。移动网络经过功能虚拟化后，可以进一步实现云化。网络的云化是指通过统一灵活调用各种网络资源，实现低成本、高效率、大规模地处理海量信息并提供ICT服务。无线接入网的BBU部分叫边缘云，而核心网部分叫核心云，从而组成网络云，该架构可以提前实施，有利于向5G平滑演进。

4G网络主要为高速移动互联网和智能手机设计。未来5G不仅仅是面向人，同时也将渗透到物联网等领域，作为互联网+的基础设施，满足工业、医疗、交通等垂直行业的信息化服务需要。未来业务类型的多样化促使5G技术需要解决不同应用场景下的需求，为用户提供高清视频、虚拟现实、自动驾驶和智能交通等极致业务体验，全面实现极速、柔性和绿色的目标。这一切都要求5G核心网络不能再使用昂贵且复杂的专属软硬件设备，需要采用一般通用目的服务器（通常是x86 服务器）和IP路由器、以太网络交换机。

5G时代，将有各种应用终端接入网络，这些终端可能分属不同的垂直行业，它们具有不同的特点和需求，对于网络的地理覆盖区域、持续时间、容量、移动性、安全性、时延、可靠性以及计费方式的需求是不同的，这就促使5G网络切片技术（Network Slicing）应运而生。网络切片就是将一个物理网络切割成多个虚拟的端到端的网络，每个虚拟网络之间，包括网络内的设备、接入、传输和核心网是逻辑独立的，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其它虚拟网络。每个虚拟网络具备不同的功能特点，面向不同的需求和服务。比如针对5G的四个场景：广域高速互联网接入（如高速下载）、热点超高速互联网接入（比如高清视频、虚拟现实等）、海量物联网、低时延物联网，可将NFV核心网络分为四个切片：

（1）VR切片：原来接入网中的数字单元和部分核心网功能被虚拟化后，加上存储服务器，统一放入边缘云。而部分被虚拟化的核心网功能放入核心云。

（2）高速下载切片：原来网络无线接入部分的数字单元被虚拟化后，放入边缘云。而原网络的核心网功能，包括IMS，被虚拟化后放入核心云。

（3）海量物联网切片：由于大部分传感器都是静止不动的，并不需要移动性管理，在这一切片里，核心云的任务相对轻松简单。

（4）低时延物联网切片：由于对时延要求很高，为了最小化端到端时延，原网络的核心网功能和相关服务器均下沉到边缘云。

如图1所示，每个切片内部实现资源共享和相同的QoS目标，不同切片的功能差异如果特别大，则不必考虑资源的共享。

当然，网络切片技术并不仅限于这4类，将来运营商可以随心所欲地根据具体的应用场景需求对所需的网络功能进行定制剪裁和灵活组网，实现业务流程和数据路由的最优化。显然，NFV是网络切片的先决条件，网络虚拟化后，运营商可以根据业务模型对网络资源进行动态分配和调整，提高网络资源利用率；也可以根据客户要求隔离不同业务场景所需的网络资源，提供网络资源保障，增强整体网络健壮性和可靠性。

另外，5G新场景所需处理的高密度、高容量和大连接等特点，都要求5G核心网络能够承受巨大的系统容量与保持一定的稳定度。这样，云端虚拟化的优势也就能发挥出来，比如在NFV基础设施层提供冗余保护，不再依赖实体模块，另外云端虚拟化资源的抽象属性使得其上运行的虚拟化的网络功能模块不会由于某个实体服务器或网络连接出错而产生服务中断。EPC关键组件的虚拟机可以运行多份副本，一旦主VM出错，备用VM就可以迅速接手。

国外许多运营商在4G阶段后期开始移动核心网的虚拟化改造，比如日本NTT DoCoMo公司今年3月份就实现了vEPC的商用，其驱动力就在于减少CAPEX/OPEX、快速提供业务、采用开源软件提高开放性、提高网络的可靠性等。NTT DoCoMo在核心网虚拟化上采用多厂家集成和上下层解耦的思路，采用了统一的云平台构建统一的vEPC云资源池。NFV部署则分步实施，开始选择流量较小地区，目前所有的服务已经在流量较大的东京地区开始提供。这都为2020年顺利提供5G服务做好了准备。

4 SDN/SDx在5G中的潜在应用

如果说NFV实现了系统级的软件化，SDN则是网络级软件化的主要手段。通过引进SDN可以将封闭垂直一体的传统移动网络架构转变为弹性化、开放、高度整合、应用导向的分层架构。但是由于5G对QoS保障有较高的要求，必须设计新的连接管理机制，如果直接使用SDN的转发控制分离架构，现阶段会存在海量连接而造成流表规模巨大、移动通信控制复杂而造成对流表的频繁修改、精细粒度QoS需求的数据转发需要进行多表项匹配而造成转发性能低下等问题。本文认为“软件定义”在5G中的潜在应用首先是在无线基站内部或者无线基站和回传线路之间引入软件定义的理念而实现所谓局部（系统内部或系统之间）的SDx。然后在业务提供方面向能力开放转变，在网管系统方面向集中控制、全局智能转变，最终实现控制与承载分离的云架构。

（1）RTI（Radio Transmission Integration，无线传输集成）

RTI是一个无线基站与回传线路之间的智能协同，可以通过引入一个类似于SDN控制器的软件RTI控制器来实现。如图2所示，RTI控制器从无线基站、传输设备和核心网获得相关信息，经过处理后按照QoE（Quality of Experience，体验质量）最优、公平调度等原则进行智能决策，下发给基站或传输系统。

引入RTI机制的目的是获得各种5G业务的QoE的最优化，主要表现如下：

1）拥塞避免：当某基站的传输线路发来拥塞信息时，RTI通过控制基站把用户切换到临近的其它基站上；

2）负荷均衡：RTI控制器获得基站的详细负荷信息后，可以优化对应的传输资源。

（2）CR（Cognitive Radio，认知无线电）

SDR（Software Defined Radio，软件定义射频）基站的射频单元具备可编程和重新定义的能力，能够实现频谱的智能分配和多种网络模式的支持，即能够在同一套设备上实现多种网络。这达到了移动运营商所要求的网络低成本和高效率，SDR已经在4G中广泛使用。

以SDR技术为基础的认知无线电系统则具有学习能力，能与周围环境交互信息，以感知和利用在该空间的可用频谱，并限制和降低冲突的发生。CR系统中，在主用户占用某个授权频段时，次级用户必须从该频段退出，去搜索其它空闲频段完成自己的通信，由于5G低频谱将面临和其他业务的共存，因此也将在5G中得到应用。

结合具体的应用场景，5G将会使用低中高频谱。美国和韩国研发的则是基于28 GHz左右的高频5G网络。欧盟已确认700 MHz频谱适用于5G通信，日本研发的是4.5 GHz前后的中频率5G网络。在国内运营商看来，只有热点超高速场景会使用6 GHz以上高频段，广域覆盖场景和物联网场景5G的频谱应该是以6 GHz以下的中低频段为主。考虑到中低频优质频率资源的稀缺性以及电磁环境的日益复杂，在该频段进行5G网络部署时，采用CR技术比较合适。

（3）控制与承载分离的云架构

IMT2020推进组在5G网络白皮书中给出了5G的云架构逻辑，5G包含了转发平面、控制平面和接入平面。3个平面可以看做3朵云，其中接入云实现接入控制与承载分离、接入资源协同管理等功能，支持多种基站的异构部署场景；控制云实现网络控制功能集中，网元功能虚拟化、软件化、可重构，支持网络能力开放；转发云实现剥离控制功能，其转发功能紧靠近基站，支持业务能力与转发能力融合。

5 结束语

移动通信在1G到4G基本上是从话音走到数据、多媒体，但基本上还是面向人的，未来5G不仅仅是面向人，还要面向物、面向产业，特别是智能交通、智慧农业和工业互联网等应用。在数据流量大幅增长、延迟敏感度应用快速发展、联网人口与装置数量及空间密集度大幅增加，以及创新性新应用快速发展等5G新需求的要求下，采用SDN和NFV技术的网络软件化成为必要条件。

通过本文的分析可知，运营商应该积极跟进，4G+阶段就逐步引入SDN、NFV和云架构，打造适合自己的智能移动网，顺应网络软件化的大趋势。现阶段可以提供灵活、多样的业务和应用，同时也为将来5G的顺利部署奠定良好的基础。

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