王宇 孫元義

【摘?要】針對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展造成的網(wǎng)絡(luò)高負(fù)荷與運(yùn)營(yíng)商高成本問(wèn)題日益突出的情況，對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化概念及其相關(guān)實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行分析，指出了移動(dòng)核心網(wǎng)虛擬化面向未來(lái)移動(dòng)核心網(wǎng)對(duì)高效、大容量組網(wǎng)能力需求，并針對(duì)移動(dòng)核心網(wǎng)虛擬化演進(jìn)架構(gòu)趨勢(shì)進(jìn)行探討。

【關(guān)鍵詞】移動(dòng)核心網(wǎng) ;軟件定義網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

Discussion on Virtualization of 5G Mobile Core Network

Wang Yu，Sun Yuan-yi

（Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， Ltd?Xi'an?Shanxi?710119）

【Abstract】According to the development of mobile Internet， this paper analyzes the concept of network virtualization and its technological evolution， points out that the virtualization of mobile core network faces the future mobile core network's ability needs for efficient and large-capacity network， and discusses the evolution trend of mobile core network virtualization.

【Key words】Move the core network;Software definition network;Network Function Virtualization

1. 引言

（1）2017年12月21日，在國(guó)際電信標(biāo)準(zhǔn)組織3GPPRAN第78次全體會(huì)議上，5GNR首發(fā)版本正式發(fā)布。目前，第五代網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)（5G）已經(jīng)成為全球研發(fā)的焦點(diǎn)，可以預(yù)見(jiàn)在2020年，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將會(huì)進(jìn)入5G時(shí)代。為了能夠推動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展，在網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域掌握前沿技術(shù)，我國(guó)已經(jīng)全面開(kāi)啟了5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的研發(fā)工作，包括5G的核心網(wǎng)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)傳輸性能以及實(shí)際應(yīng)用評(píng)估等，積極推動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展和普及應(yīng)用。

（2）隨著智能終端的普及和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的井噴式發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中的流量和信令一直處于的爆炸性增長(zhǎng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量和性能本身提出了更高的要求。然而，運(yùn)營(yíng)商的收入和利潤(rùn)卻并不能隨著網(wǎng)絡(luò)中的流量而大幅增長(zhǎng)，甚至是出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，形成著名的收入和成本的“剪刀差”現(xiàn)象。究其原因，運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)重心已經(jīng)由語(yǔ)音短信向高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)遷移，高速發(fā)展的移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)給網(wǎng)絡(luò)造成了巨大的負(fù)荷壓力。為了應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量，運(yùn)營(yíng)商不得不加大投資力度，縮短建設(shè)周期，對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行新建、升級(jí)或者改造，造成了巨額的網(wǎng)絡(luò)資本支出（CAPEX，Capital Expenditures）及運(yùn)營(yíng)成本（OPEX，Operational Expenditures）。

（3）如何有效地提高網(wǎng)絡(luò)管理靈活性和設(shè)備的利用率、降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本，這是移動(dòng)寬帶時(shí)代各運(yùn)營(yíng)商必須正視并認(rèn)真思考的問(wèn)題。傳統(tǒng)以專(zhuān)有硬件為主導(dǎo)的設(shè)備產(chǎn)品架構(gòu)、基于預(yù)先規(guī)劃的建設(shè)模式，已經(jīng)難以適應(yīng)未來(lái)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的要求，需顛覆傳統(tǒng)電信設(shè)備的認(rèn)識(shí)理念并利用新的技術(shù)理念來(lái)支撐新的業(yè)務(wù)模式對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源有定制化的訴求，包括設(shè)備形態(tài)、配置管理、擴(kuò)容升級(jí)等方面，以推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向基于云化、開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)。

2. 5G核心網(wǎng)虛擬化架構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1?軟件定義網(wǎng)絡(luò)。

（1）軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN），是一種創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它利用分層模式將網(wǎng)絡(luò)控制面與數(shù)據(jù)面分離。網(wǎng)絡(luò)控制面包含具有邏輯集中化的可編程控制器，通過(guò)其掌握的網(wǎng)絡(luò)全局信息，為運(yùn)營(yíng)商和科研人員提供管理配置網(wǎng)絡(luò)和部署新協(xié)議的能力，其核心技術(shù)Open Flow，它為5G網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了靈活性和可編程性，通過(guò)Open Flow將5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離開(kāi)來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制。

（2）5G核心網(wǎng)構(gòu)架主要分為應(yīng)用層、控制層和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層三個(gè)部分。應(yīng)用層主要包括各種不同的商業(yè)應(yīng)用和業(yè)務(wù)功能;控制層通過(guò)SDN軟件主要負(fù)責(zé)處理平面資源的編排，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、信息狀態(tài)等并通過(guò)API（Application Programming Interface，應(yīng)用程序編程接口）與應(yīng)用層進(jìn)行互聯(lián);網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層主要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)的收集、處理以及轉(zhuǎn)發(fā)功能。控制層與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層之間的接口以及應(yīng)用層與控制層之間的接口是5G核心網(wǎng)構(gòu)架的重要組成部分，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口與控制層的位置關(guān)系，控制層與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層之間的接口稱(chēng)為南向接口，應(yīng)用層與控制層之間的接口稱(chēng)為北向接口，南向接口具有開(kāi)放性的Open Flow標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和開(kāi)放化。

（3）5G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要技術(shù)特征，包括接入網(wǎng)側(cè)通過(guò)控制面與數(shù)據(jù)面分離，實(shí)現(xiàn)覆蓋與容量的分離或者部分控制功能的抽取，通過(guò)簇化集中控制實(shí)現(xiàn)無(wú)線資源的集中式協(xié)調(diào)管理，核心網(wǎng)則主要通過(guò)控制面與數(shù)據(jù)面分離以及控制面集中化的方式實(shí)現(xiàn)本地分流、靈活路由等功能。

（4）5G網(wǎng)絡(luò)軟件和硬件解耦為特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)相結(jié)合，能夠有效滿(mǎn)足核心網(wǎng)構(gòu)架的技術(shù)特征，使5G網(wǎng)絡(luò)具備開(kāi)放能力、可編程性、靈活性以及可擴(kuò)展性。此外，通過(guò)云計(jì)算技術(shù)和用戶(hù)體驗(yàn)大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的深度融合，使5G網(wǎng)絡(luò)具備用戶(hù)行為和業(yè)務(wù)感知能力，更加具有智能化特征。

2.2?移動(dòng)核心網(wǎng)虛擬化。

（1）傳統(tǒng)移動(dòng)核心網(wǎng)架構(gòu)組成網(wǎng)元根據(jù)所執(zhí)行主要功能可以劃分為如下幾類(lèi)：控制面、用戶(hù)面和用戶(hù)數(shù)據(jù)三類(lèi)網(wǎng)元。其中，控制面網(wǎng)元包括MME/SGSN、PCRF;用戶(hù)面網(wǎng)元包括S-GW、P-GW;用戶(hù)數(shù)據(jù)網(wǎng)元包括HSS?？刂泼嬖O(shè)備主要處理移動(dòng)性管理、會(huì)話(huà)管理等功能，以控制信令交互為主;用戶(hù)面設(shè)備則主要處理用戶(hù)數(shù)據(jù)的交換與轉(zhuǎn)發(fā)、計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)處理等功能，同時(shí)接受控制面設(shè)備信令控制;用戶(hù)數(shù)據(jù)網(wǎng)元?jiǎng)t存儲(chǔ)用戶(hù)簽約靜態(tài)數(shù)據(jù)，以類(lèi)似于數(shù)據(jù)庫(kù)操作為主，同時(shí)接受控制面設(shè)備信令控制。

（2）移動(dòng)核心網(wǎng)通過(guò)NFV技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元在同一硬件平臺(tái)上的部署，尤其適合控制面網(wǎng)元設(shè)備主要處理控制信令，由于COTS服務(wù)器計(jì)算能力較強(qiáng)，適合處理狀態(tài)轉(zhuǎn)移和信令交互等流程。

（3）移動(dòng)核心網(wǎng)向NFV方向演進(jìn)時(shí)，所有網(wǎng)元將統(tǒng)一部署于通用服務(wù)器硬件（H/W）之上，通過(guò)虛擬化層抽象為歸一化虛擬資源提供給上層移動(dòng)核心網(wǎng)網(wǎng)元軟件應(yīng)用調(diào)用。其中，對(duì)于用戶(hù)面設(shè)備，針對(duì)處理用戶(hù)高速數(shù)據(jù)，需要對(duì)其進(jìn)行必要的硬件加速功能，如通過(guò)Intel的DPDK套裝或者SR-IOV繞過(guò)虛擬化層直接調(diào)用硬件資源，提高COTS服務(wù)器上的吞吐量性能。

（4）考慮到未來(lái)NFV與SDN技術(shù)的結(jié)合，移動(dòng)核心網(wǎng)虛擬化的網(wǎng)元在部署到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心以實(shí)現(xiàn)集中化部署，提供網(wǎng)

絡(luò)的運(yùn)維效率，同時(shí)將控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面分離。架構(gòu)中的控制面網(wǎng)元通過(guò)南向接口控制通用轉(zhuǎn)發(fā)面交換機(jī)完成用戶(hù)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和疏導(dǎo)，有利于實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的統(tǒng)一高效的管理和控制策略以及控制面/轉(zhuǎn)發(fā)面的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)從封閉黑盒的網(wǎng)絡(luò)走向開(kāi)放可編程的移動(dòng)軟網(wǎng)絡(luò)。

3. 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)代通信技術(shù)的發(fā)展，改變了人們的工作方式與生活習(xí)慣，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)即將進(jìn)入5G時(shí)代，適應(yīng)高速和高效網(wǎng)絡(luò)要求的通信技術(shù)，不僅會(huì)給通信運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)更大的收益，還會(huì)給用戶(hù)帶來(lái)更加優(yōu)質(zhì)的通信體驗(yàn)。隨著流量爆炸的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代來(lái)臨，面對(duì)如何降低網(wǎng)絡(luò)部署成本，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)資源的可擴(kuò)展性和運(yùn)維的靈活性，提供多租戶(hù)、虛擬運(yùn)營(yíng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力等方面重要挑戰(zhàn)，NFV、SDN等技術(shù)在ICT融合背景下開(kāi)始成為影響未來(lái)通信業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。相信隨著5G技術(shù)在全球范圍內(nèi)的不斷延伸，人們的生活方式將會(huì)得到質(zhì)的改變。

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