趙明宇，嚴(yán)學(xué)強

（上海貝爾股份有限公司，上海 201206）

SDN和NFV在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用研究*

趙明宇，嚴(yán)學(xué)強

（上海貝爾股份有限公司，上海 201206）

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）是業(yè)界當(dāng)前研究的熱點。首先分析了現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)存在的一些缺點，闡述了將SDN和NFV引入5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所帶來的好處；其次，對國內(nèi)外的SDN及NFV在移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面的研究現(xiàn)狀進行了綜述，探討了基于SDN/NFV的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計思路；最后對基于SDN/ NFV的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行了初步探索，并提出了關(guān)鍵技術(shù)及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

軟件定義網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1 引言

根據(jù)ABI Research等市場研究機構(gòu)的報告顯示，第五代移動通信（5G）網(wǎng)絡(luò)將于2017年開始確定標(biāo)準(zhǔn)，2020年才會正式商用。不過，迫于網(wǎng)絡(luò)流量持續(xù)高速增長的壓力，以及出于對未來戰(zhàn)略地位的考慮，產(chǎn)業(yè)界對5G的研究已經(jīng)開始，5G的需求也逐漸顯現(xiàn)。

近來，國內(nèi)外相關(guān)組織先后啟動了5 G的研究，如我國的IMT-2020推進組、歐盟的5G Public-Private Partnership（5G PPP）及其啟動項目Mobile and Wireless Communications Enablers for the 2020 Information Society（METIS）、韓國的Korea 5G Forum以及日本的Association of Radio Industries and Businesses（ARIB）等?？梢钥闯?，為了在5G角逐中贏得先機，在各自政府的大力支持和推動下，各通信企業(yè)積極搶灘，開始以自己的戰(zhàn)略影響新一代系統(tǒng)的需求定義，以確保其研發(fā)投入可轉(zhuǎn)化為強大的5G專利地位。

國際電聯(lián)（ITU）剛剛啟動了面向5G標(biāo)準(zhǔn)的研究工作，當(dāng)前各設(shè)備商和電信運營商紛紛公開了自己設(shè)想的5G概念，并已經(jīng)開始對相關(guān)技術(shù)進行驗證。因此，可以認為從國外到國內(nèi)，從運營商到設(shè)備商，對5G的研究都已經(jīng)邁出了第一步。這一系列的預(yù)研對行業(yè)達成技術(shù)共識至關(guān)重要，這也是行業(yè)巨頭預(yù)測未來系統(tǒng)的核心技術(shù)要素并獲取相關(guān)專利的關(guān)鍵時期。與采用正交頻分復(fù)用（OFDM）和多輸入輸出（MIMO）技術(shù)為核心的4G系統(tǒng)相比，正在探索的5G技術(shù)，還沒有各方達成共識的明確的核心層面的技術(shù)。因此，面向未來的無線和移動通信新技術(shù)將迎來新一輪的創(chuàng)新發(fā)展機遇。

2 移動核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢

目前移動用戶的爆炸式增長、頻率資源緊缺、數(shù)據(jù)傳輸速率的幾何級數(shù)式增長需求、能源的巨大消耗以及網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化問題等都將是5G中亟待解決的核心問題。由于頻譜資源的稀缺以及空口技術(shù)頻譜效率提升空間也受限于香農(nóng)極限，因此在5G系統(tǒng)的研究中，研究人員逐漸認識到網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)容量提升的重要性。而移動通信系統(tǒng)從2G、3G逐步演進到現(xiàn)在的LTE，相對于接入網(wǎng)技術(shù)的變革，核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并沒有發(fā)生根本性的變化，具體如圖1所示。

未來5G移動通信系統(tǒng)不管是從接入、運營還是業(yè)務(wù)需求等方面來講，都對核心網(wǎng)絡(luò)提出了新的挑戰(zhàn)。從接入需求的角度分析，我國IMT-2020推進組認為5G關(guān)鍵能力體系將體現(xiàn)在100倍增長的巨量連接數(shù)，1 000倍的流量增長，至少100倍的數(shù)據(jù)傳輸速率，1ms的時延，高密度部署等方面[1-2]。從運營需求的角度分析，將面臨每比特的能耗和成本壓力，升級困難，擴展性差，資源利用率低，多網(wǎng)并存導(dǎo)致的管理、用戶體驗等問題。從業(yè)務(wù)需求的角度分析，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的繼承、提升及創(chuàng)新都要求更高的帶寬，更低的時延，而虛擬運營方式的引入，要求能夠提供更細粒度的劃分及更靈活的策略控制、新業(yè)務(wù)的部署以及與第三方的合作。

雖然現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的性能已經(jīng)有了極大的提升，但隨著流量等的進一步激增，用戶對網(wǎng)絡(luò)性能的需求將進一步加大，使得網(wǎng)絡(luò)的一些性能不能適應(yīng)現(xiàn)在的發(fā)展，缺點不斷暴露出來。如移動網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，設(shè)備臃腫，性能提升小；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備種類繁多，導(dǎo)致運營商升級困難，擴展性差；現(xiàn)有的接入技術(shù)之間還不能實現(xiàn)無縫切換；控制和轉(zhuǎn)發(fā)緊耦合，數(shù)據(jù)面過于集中，而控制面過于分散，無線資源配置效率低；P-GW（分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)）功能過分集中，導(dǎo)致設(shè)備極其昂貴，成本和收益形成剪刀差；P-GW造成路由迂回；單點失效導(dǎo)致整個系統(tǒng)的可靠性變差等[3-5]。

現(xiàn)有的這種垂直封閉的網(wǎng)絡(luò)體系和耦合私有的網(wǎng)元架構(gòu)，注定了路由、流量、傳輸性能等網(wǎng)絡(luò)行為的不確定性，難以支持QoS，難以滿足擴展性、安全性、可管、可控、可信任等要求。為此，亟需對體系結(jié)構(gòu)進行變革，要求新的網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)功能靈活部署、快速升級且易于擴展等。目前針對5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，有改進性和革命性2種路線。改進性路線希望基于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，通過協(xié)議更新、網(wǎng)元改造等來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。革命性的路線考慮可以復(fù)制計算機領(lǐng)域的成功經(jīng)驗來解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)所遇到的問題，認為將來的網(wǎng)絡(luò)必將是這樣的——底層的數(shù)據(jù)通路（交換機、路由器）是“啞的、簡單的、最小的”，并定義一個對外開放的關(guān)于流表的公用的API，同時采用控制器來控制整個網(wǎng)絡(luò)[6]。

圖1 移動通信系統(tǒng)演進圖

而IT領(lǐng)域涌現(xiàn)的新技術(shù)如云計算、虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）等，正不斷對無線和移動通信技術(shù)產(chǎn)生重大的影響。如云計算技術(shù)在無線接入網(wǎng)中的應(yīng)用（C-RAN）、虛擬化技術(shù)在EPC中的應(yīng)用（vEPC）等都為革命性路線提供了有力的技術(shù)支持。國際主流運營商也開始考慮如何借助虛擬化技術(shù)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，提升網(wǎng)絡(luò)效率、降低網(wǎng)絡(luò)CAPEX/OPEX，以實現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)高效的建設(shè)、擴容及運營，實現(xiàn)新網(wǎng)絡(luò)能力的快速開發(fā)和新業(yè)務(wù)的靈活應(yīng)用。

3 將SDN和NFV引入5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所帶來的好處

SDN作為一種網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，具有以下顯著特點：

1）控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離；

2）控制集中化；

3）使用廣泛定義的軟件接口[7]。

其核心是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離，只在網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的底層保留轉(zhuǎn)發(fā)功能，上層則可進行集中的控制功能，進而將網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和功能都可編程化，即所謂的軟件定義。

運營商借助開放的、可編程的SDN技術(shù)，可以部署通用的硬件和高級軟件來替代昂貴的專業(yè)設(shè)備，令企業(yè)和運營商得以擺脫不同廠商種類繁雜的設(shè)備束縛。硬件設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化，網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化，使得網(wǎng)絡(luò)更加開放和更具可編程能力，令運營商不再需要硬件升級即可進行網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的革新，這極大地降低了運營商的資本支出和運維成本，也為運營商的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型提供了良好的契機?？刂频募谢?，可以獲得全網(wǎng)統(tǒng)一視圖，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，網(wǎng)絡(luò)資源的動態(tài)分配，大大增強了網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率，縮短了業(yè)務(wù)的開發(fā)部署周期，為系統(tǒng)級應(yīng)用的創(chuàng)新及業(yè)務(wù)擴展提供了良好的平臺。

SDN的這些突出特點，可以用來有效地定義未來網(wǎng)絡(luò)，使得SDN在互聯(lián)網(wǎng)和通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景被廣泛看好。SDN技術(shù)在移動網(wǎng)絡(luò)中使用，也必將使得移動網(wǎng)絡(luò)基本功能的實現(xiàn)變得更加合理和高效，也使得網(wǎng)絡(luò)的縱向融合成為可能，從而進一步簡化網(wǎng)絡(luò)，使其適應(yīng)不斷增長的接入速率。

SDN是由斯坦福大學(xué)的研究者提出的，NFV是由運營商聯(lián)盟提出的，運營商希望在解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備復(fù)雜、笨拙、創(chuàng)新應(yīng)用困難及不利于擴展等問題的同時，能夠最大限度地利用他們已有的網(wǎng)絡(luò)，以保護投資。為此提出了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的概念，通過使用基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的x86服務(wù)器、存儲和交換機等通用性硬件，來取代通信網(wǎng)的那些私有專用的網(wǎng)元設(shè)備，基于這些通用設(shè)備，采用虛擬化技術(shù)，把多種網(wǎng)元設(shè)備的功能通過軟件來實現(xiàn)[8]。從而在降低CAPEX和OPEX的同時可實現(xiàn)資源的靈活共享、按需部署及業(yè)務(wù)的快速創(chuàng)新等。

NFV的白皮書對SDN與NFV的關(guān)系做了如下綜述：NFV和SDN有很強的互補性，盡管兩者可以融合，但并不相互依賴，即NFV可以不依賴于SDN而另行部署[8]。SDN對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重新定義，對控制面和用戶面進行解耦，而NFV是對網(wǎng)元設(shè)備結(jié)構(gòu)的重新定義，將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)從與專用硬件及位置的緊耦合關(guān)系中分離出來。SDN和NFV的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對比如圖2所示：

圖2 SDN與NFV架構(gòu)的對比

兩者的互補性體現(xiàn)在SDN能增強NFV的兼容、易操作等性能，而NFV通過虛擬化及IT編排等技術(shù)能提高SDN的靈活性。

4 目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)初探

當(dāng)前，阿朗、IMT-2020、5G Forum、華為、中興等多個公司、研究組織及論壇等相繼發(fā)布了5G白皮書，闡述了各自對5G愿景及需求的理解。對于5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，大都處在提出初步設(shè)想并逐步進行仿真評估及樣機試制等功能驗證的階段。

基于SDN、NFV等思想，初步設(shè)計的面向5G的移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

其設(shè)計思路如下：

（1）對網(wǎng)元功能進行分解

現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)封閉無序，有部分功能重復(fù)且沖突，需要對網(wǎng)絡(luò)功能進行重新梳理和劃分。首先就要實現(xiàn)控制與轉(zhuǎn)發(fā)的分離及軟件與硬件的解耦。通過控制與轉(zhuǎn)發(fā)的分離，控制功能集中在SDN控制器之上，轉(zhuǎn)發(fā)面可以采用標(biāo)準(zhǔn)的通用轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，成本優(yōu)勢明顯，兩者通過南向接口連接?？刂泼婧娃D(zhuǎn)發(fā)面可以分別進行擴容或升級，更加靈活且高效。

通過軟硬件解耦，將網(wǎng)元設(shè)備的各功能從專有硬件中分離出來，這樣可以實現(xiàn)虛擬化。各功能通過軟件實現(xiàn)，接口標(biāo)準(zhǔn)化并運行在高性能的基于x86的通用硬件平臺上，通用設(shè)備成本低廉，能夠為運營商節(jié)省巨大的投資成本。

（2）網(wǎng)絡(luò)功能抽象

對現(xiàn)有各網(wǎng)元功能進行分解之后，需進行共性提取，邏輯化的抽象概括和封裝，劃分出不同子功能模塊，各模塊間接口標(biāo)準(zhǔn)化，便于功能重構(gòu)。相對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)功能，分解后的網(wǎng)絡(luò)功能模塊將變多，接口和協(xié)議將有可能變得復(fù)雜，但相對已有網(wǎng)元內(nèi)部各接口的私有化、軟件化，組件化的網(wǎng)絡(luò)功能模塊將為運營商的業(yè)務(wù)部署帶來便利和靈活性。

通過網(wǎng)絡(luò)功能抽象，將網(wǎng)絡(luò)功能模塊化、組件化，各功能模塊間采用開放的API接口，可以按照標(biāo)準(zhǔn)進行重新組織，使得新的網(wǎng)元功能以全網(wǎng)的視圖，結(jié)合全局上下文，綜合考慮用戶多樣的業(yè)務(wù)需求，提供最優(yōu)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流傳輸與處理方法，從而增強全網(wǎng)的資源利用效率和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。例如，不同接入系統(tǒng)的移動性管理存在共同的特征，將這些功能如切換管理、合法偵聽、跟蹤和尋呼、網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備選擇等集中重組，可以實現(xiàn)面向異構(gòu)接入系統(tǒng)的融合流移動性管理功能。

今天的互聯(lián)網(wǎng)能夠蓬勃發(fā)展，各式各樣的創(chuàng)新層出不窮，這與互聯(lián)網(wǎng)采用通用硬件平臺，開放API接口給用戶，降低用戶參與創(chuàng)新的門檻有著極大的關(guān)系。因此，抽象網(wǎng)絡(luò)功能并開放API給開發(fā)者，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計開發(fā)從以往的面向運營商轉(zhuǎn)向更多地面向用戶，使得運營商也能獲得更多、更靈活的網(wǎng)絡(luò)能力，從而克服現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)因設(shè)備種類繁多而導(dǎo)致的升級困難、擴展性差、新業(yè)務(wù)成熟周期過長、增值服務(wù)創(chuàng)新難度大等缺點。

（3）網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)

對開放接口的各功能子模塊，進行靈活組合，可以實現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的各個功能且每個組件相互獨立，可動態(tài)伸縮，同時也可以根據(jù)未來新業(yè)務(wù)的創(chuàng)新及多樣性需求，進行快速開發(fā)、測試和靈活部署，實現(xiàn)新的功能。這樣資源可以充分靈活地共享并基于實際業(yè)務(wù)需求進行按需編排、自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。這是網(wǎng)絡(luò)功能重新劃分并抽象的主要目的。

電信網(wǎng)絡(luò)借鑒吸收IT技術(shù)靈活快速的特點，5G時代的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不應(yīng)再是2G—4G的固定、封閉的架構(gòu)，而應(yīng)是基于虛擬化的技術(shù)。其采用模塊化的功能組件、開放的API接口，能夠按照業(yè)務(wù)的實際需求進行靈活組合，快速重構(gòu)架構(gòu)，如可針對某類業(yè)務(wù)、某個用戶甚至某一種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的特定需求來提供網(wǎng)絡(luò)資源和功能。

模塊劃分及重構(gòu)不僅能組合實現(xiàn)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)功能，也能夠減持冗余的功能。如某些功能或業(yè)務(wù)達到了生命周期，也可以方便地退市。實際上，現(xiàn)有電路交換機的2 000多個功能僅用了不到1%[9]，基于模塊化，運營商則可以按需選擇，在節(jié)約投資的同時減少了冗余。

這里提出的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖具有如下特性：

（1）從邏輯上看，控制面和數(shù)據(jù)面解耦。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進一步扁平化，轉(zhuǎn)發(fā)面下沉到了用戶側(cè)，控制面進一步集中，擁有全網(wǎng)視圖，但在實際部署時，可以采用分布式部署。運營商能夠靈活地選擇網(wǎng)絡(luò)中不同物理位置上的網(wǎng)絡(luò)資源，即云化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)資源可以按需遷移。通過邏輯上集中、部署上可分布式的業(yè)務(wù)控制平面，對網(wǎng)絡(luò)進行管控，屏蔽復(fù)雜物理網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和交互，實現(xiàn)簡易化的虛擬網(wǎng)絡(luò)。

（2）網(wǎng)絡(luò)功能從專用硬件中解耦出來。在網(wǎng)絡(luò)側(cè)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的高度虛擬化，并在網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建抽象層，使得網(wǎng)絡(luò)功能可以按需靈活部署及快速更新。網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)編排、網(wǎng)絡(luò)功能管理及虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)管理等將是未來重點的研究方向。在無線側(cè)，一些控制功能能夠邏輯集中在無線控制器中，聯(lián)合優(yōu)化從而提高用戶體驗。無線控制器[10]的主要功能是調(diào)用基站的網(wǎng)元管理系統(tǒng)、控制空口相關(guān)的參數(shù)并進行無線資源分配。

（3）網(wǎng)絡(luò)能力開放，即將底層網(wǎng)絡(luò)的能力抽象為API接口提供給應(yīng)用程序，促進業(yè)務(wù)和應(yīng)用的創(chuàng)新。

基于SDN研究面向5G的移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由于與傳統(tǒng)的分散式控制、控制和轉(zhuǎn)發(fā)緊耦合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不同，其在新型5G分組網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元功能解耦及重構(gòu)、虛擬化可編排、移動性管理機制、策略管理等多個方面將面臨一定的挑戰(zhàn)，需要進行創(chuàng)新性的研究。

5 結(jié)束語

本文基于SDN和NFV技術(shù)，并對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)采用解耦、抽象和重構(gòu)的方法，提出了控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、控制集中化、可編程的未來移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對未來移動通信的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行了初步的探索。分析認為基于SDN和NFV的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不僅能有效克服現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的諸多缺點，同時還可滿足未來不斷增多的新業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)可編程和快速響應(yīng)的要求。

[1] IMT-2020（5G）推進組. 5G愿景與需求白皮書[Z]. 2014.

[2] IMT-2020（5G）推進組. 5G概念白皮書[Z]. 2015.

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趙明宇：上海貝爾股份有限公司和上海交通大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后，主要研究方向為SDN、NFV、5 G、核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及無線光通信。

嚴(yán)學(xué)強：博士學(xué)位，上海貝爾股份有限公司戰(zhàn)略部總監(jiān)，主要研究方向為未來移動通信新技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)融合與演進。

Research on Application of SDN and NFV in 5G Mobile Communication Network Architecture

ZHAO Ming-yu, YAN Xue-qiang
(Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

Software defi ned networking (SDN) and network functions virtualization (NFV) are the current research focus in communication industries. First, some disadvantages of existing mobile communication network were analyzed and advantages of SDN and NFV applied in 5 Generation (5G) mobile network architecture were expounded in this paper. Second, research status of SDN and NFV in mobile network architecture at home and abroad was reviewed and design idea of network architecture based on SDN and NFV was discussed. At last, 5G network architecture based on SDN and NFV was investigated, and then some technical challenges and key techniques were presented.

software defi ned network network function virtualization 5G network architecture

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.14.013

TN929.5

A

1006-1010(2015)14-0064-05

趙明宇,嚴(yán)學(xué)強. SDN和NFV在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用研究[J]. 移動通信, 2015,39(14): 64-68.

上海市博士后科研資助計劃（14R21420500）

2015-01-19

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn