未來移動通信網絡架構演進及其關鍵技術研究

劉　慧　中國信息通信研究院技術與標準研究所助理工程師

李俠宇　中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師

朱　浩　中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師

未來移動通信網絡架構演進及其關鍵技術研究

劉慧中國信息通信研究院技術與標準研究所助理工程師

李俠宇中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師

朱浩中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師

5G技術研究在全球ICT領域引起了廣泛的關注，關于需求愿景及整體架構方案的研究都取得了重要的階段性進展。雖然5G的標準尚未統一，但各研究組織對未來移動通信網絡架構演進方向的認識是趨同的。本文基于未來移動通信網絡架構演進趨勢及邏輯架構，分析了所涉及的關鍵技術SDN、NFV、信息感知技術和ICN及其在網絡架構的重要作用。

SDN NFV ICN

1　引言

4G網絡的迅猛發展和大規模部署，使得網絡性能得到了極大的提升，但隨著未來用戶需求的激增和新興業務的發展，現有網絡僵化的體系架構難以滿足未來極致的業務體驗和多樣化場景。針對下一代移動通信網絡的需求、網絡架構及其關鍵技術等成為了業界的研究焦點。

下一代移動通信的研究由全球標準化組織（ITU、3GPP）推進各研究組織進行研究和研發為主，例如下一代移動通信網絡聯盟NGMN、中國的IMT-2020推進組、歐盟的METIS科技項目等。ITU是通信領域最權威的國際標準化組織，通過開展5G需求愿景、技術趨勢、關鍵能力的研究推動業界達成對5G系統的共識。5G網絡架構需在支持以人為中心的移動互聯網業務體驗的同時，支持以物為中心的物聯網業務，實現人與萬物的智能互聯。3GPP是國際主流移動通信標準組織，5G網絡架構標準研究項目（SI）已于2015年10月啟動，后續標準工作項目（WI）將于R15階段啟動。NGMN（Next Generation Mobile Network）作為全球運營商凝聚共識的主要平臺之一，其主要觀點也認為5G應支持更廣泛的業務和應用，且應不限于空口技術的演進或革命，而是整個端到端系統的演變。中國IMT-2020推進組發布的5G網絡技術架構白皮書指出，5G網絡需要通過基礎設施平臺和網絡架構兩個方面的技術創新和協同發展，實現網絡變革。歐盟啟動的2020年信息社會的使能移動與無線通信METIS（Mobile and Wireless Communications Enablers for the TwentytwentyInformationSociety），其網絡方面的研究成果主要側重于干擾管理與資源分配機制、上下文感知、網絡動態重配等。

根據上述研究組織的主要觀點，本文將從移動通信網絡架構現狀出發，結合未來移動通信網絡架構的特征趨勢，分析未來移動通信網絡架構及基本功能，及其關鍵使能技術，并重點研究SDN、NFV、ICN和信息感知技術在未來移動通信網絡架構中的影響與應用。

2　移動通信網絡架構現狀

2.1多接入融合控制與協調能力不足

移動通信網絡存在多種接入技術，既包括GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TDDLTE、FDDLTE等3GPP組織定義的接入技術，也包括cdma2000、WiMAX、WLAN等非3GPP接入技術，再加上更高速率的5G接入技術，未來的接入網必然存在多種接入技術和方式。傳統蜂窩網架構網絡協同能力有限，不同的接入技術以及基站之間交互能力不強，無法實現高效的無線資源調度、干擾協同、移動性管理以及網絡安全管理等功能。密集部署場景下用戶頻繁切換的移動性效率問題以及非授信接入網絡之間安全性管理復雜問題尤為突出。

2.2網絡架構單一模式僵化

在傳統移動通信網絡架構中采用集中式的錨點網關，終端通過上下行鏈路、承載控制建立連接獲得服務。在這種以網絡為中心的網絡架構中，業務收斂模式過于集中和單一，導致網絡對業務感知適配能力差，對不同業務的控制和承載管理機制不夠動態和靈活。由于缺乏對用戶和業務的感知能力、網元功能可編程能力及網絡可編排能力，無法按需進行網絡架構的靈活構建、功能配置和對外開放，實現快速敏捷的業務部署和升級，難以滿足未來多種應用場景和業務形式的不同特性和對網絡要求的巨大差別。

2.3網絡擴展與運維復雜成本高

傳統移動通信網絡是基于專有硬件平臺實現的，隨著移動網絡流量的迅猛增長和新型業務需求的出現，通過持續增加新網元和新接口增加網絡功能和對網絡進行擴容，導致控制邏輯分散，組網和后續運維日益困難和復雜，網絡建設成本和運維成本都進一步增加。隨著業務流量和終端密度的雙重提升，網絡建設復雜度和網絡自動化運維能力面臨著嚴重的挑戰。

3　未來移動通信網絡架構發展趨勢

5G網絡技術架構白皮書給出了5G網絡的發展方向，這必將也是未來移動通信網絡架構的發展趨勢。未來移動通信網絡需能夠提供更加優質的網絡性能、更加靈活的網絡編排能力、更加智能的網絡感知和決策能力和更加友好和安全的網絡生態系統。

未來移動網絡將提供超高接入速率、超低時延、超高可靠性的用戶體驗，滿足超高流量密度、超高連接數密度及超高移動性的接入需求，同時將為網絡帶來超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，數倍的頻譜效率提升。

未來移動網絡需支持接入網側基站的即插即用和自組織網，實現易部署、易維護的輕量化接入網拓撲；核心網側網絡功能在演進的分組核心網（EPC）基礎上更進一步簡化與重構，提供高效靈活的網絡控制與轉發功能。

未來移動網絡將全面提升智能感知與決策能力，通過對地理位置、用戶偏好、終端狀態和網絡上下文等各種信息特征的實時感知和分析，制定決策方案，實現數據驅動的精細化網絡功能部署和網絡自動化運營。

未來移動網絡以更友好和開放的網絡面向新產業生態和垂直行業。通過網絡能力開發，向第三方提供靈活的業務部署環境與第三方應用友好互動，實現按需定制服務。同時，未來移動網絡需要更加可靠的安全機制保障網絡域、用戶域、信息數據、隱私保護等方面的安全。刺激開放安全的網絡創新環境，提升網絡服務價值。

4　未來移動通信網絡體系架構及其關鍵技術

4.1未來移動通信網絡體系架構與功能

未來移動通信網絡體系架構如圖1所示，是基于SDN/NFV的虛擬化可編程的網絡平臺，基于此平臺利用信息感知技術可以實現網絡智能化，同時能夠支持多種網絡協議，靈活部署未來新型網絡協議ICN （Information-Centric Network）、CCN（Content-Centric Networking）等各類下一代的以“信息”為中心的網絡。

未來移動通信網絡體系架構基于NFV實現軟件與硬件的解耦，將網絡設備功能遷移到標準化硬件平臺并進行虛擬化部署。因此，在垂直方向上網絡架構自下而上可分為統一的底層基礎設施平臺、虛擬化資源池以及業務網絡域。基于統一的基礎設施平臺一方面可以降低運營商網絡建設成本，另一方面可以降低網絡擴容、升級改造的難度；虛擬化資源池可以實現對網絡資源的統一管理、統一分配、統一部署和統一監控，使得整個網絡可以根據負載情況進行虛擬網絡功能的動態擴容或縮容，是實現網絡動態控制及網絡智能化的基礎；業務網絡域基于虛擬網元功能實現傳統電信業務。在水平方向上，統一的低層基礎設施平臺、虛擬化資源池以及業務網絡域由運維管理域負責統一管理和編排，一個業務網絡可以通過運維管理域自頂向下分解，可以有效降低網絡部署及運維復雜度。

基于SDN控制和轉發分離的思想將業務網絡域解耦為控制平面與用戶平面，進而實現控制面功能集中部署、用戶面功能簡單高效的靈活部署，以及控制面對用戶面的靈活編程和集中轉發控制。并能夠基于網絡能力開放接口面向新型第三方應用服務提供商（如垂直行業、物聯網業務等）提供所需的網絡能力構建專用的網絡切片，可以有效解決網絡架構單一模式僵化問題。

在控制平面通過功能編排部署智能感知系統，利用信息感知技術可以對無線接入平面、底層網絡負載、業務應用、終端進行多維度檢測和管控，可以實現全面提升網絡智能感知與決策能力。

通過控制平面的協議編排和用戶平面的網絡切片部署新型網絡協議ICN，ICN是一種內容與位置分離，通過對內容進行命名和基于內容名字路由的網絡。由于內容名稱與位置無關，直接對信息實施安全措施，能夠有效解決現網架構密集組網和多接入融合下移動性和安全性問題。

綜上所述，架構中所涉及的關鍵技術有NFV、SDN、信息感知技術和ICN，本文將分別對這些關鍵技術以及其對架構的影響進行詳細闡述。

圖1　未來移動通信網絡體系架構示意圖

4.2關鍵技術

（1）NFV統一底層基礎設施平臺，賦予網絡功能編排能力

NFV的主要目標是借助虛擬化技術，將各種網絡設備功能從專用硬件設備中剝離出來，遷移到標準化的高性能服務器、交換機和存儲設備上，進而可以靈活地部署到數據中心，實現網絡功能按需在不同拓撲位置進行動態遷移和實例化。

致力于NFV研究和標準化工作的組織機構有ETSI組織框架下的NFVISG和Linux基金會資助建立的OPNFV（Open Platform for NFV Project）開源組織。ETSINFVISG主要負責NFV的高層架構設計方面的標準化工作；OPNFV則致力于建立一個綜合性的電信級開源NFV平臺，確保未來NFV產品的一致性、功能性和互操作性。為了實現未來移動通信網絡架構基于NFV架構的演進，主要有以下工作需要著重研究：

●傳統移動通信網絡中的移動接入網、移動核心網、IMS網絡中網元功能虛擬化以及網元功能重構。

●對未來新型網絡功能（如智能感知與控制功能等）及網絡協議（如ICN等）的友好支持與擴展。

●網絡功能按需頻繁切換以及單點失效下的全網可靠性問題。

●接口標準化，基于不同硬件設施、虛擬化平臺（如OpenStack、KVM、VMware）和廠商功能實體之間的友好互操作。

●虛擬網絡切片間的管理與協同。

（2）SDN分離控制與轉發功能，實現網絡連接可編程

SDN的核心思想是將傳統控制邏輯與轉發邏輯緊耦合的網絡設備解耦成應用、控制和轉發3層分離的架構。控制功能的抽離和聚合，有利于從全局視角來感知和調度網絡資源，實現網絡連接的可編程；轉發面功能得到簡化，可以進一步降低轉發面部署和擴容難度，實現靈活的分布式部署。同時，通過能力開放接口控制平面可演進成為移動網絡對外開放的平臺，將移動網絡功能開放給第三方業務。

SDN自提出以來，得到產業界極大關注，ONF （OpenNetworkFoundation）是最早開始SDN標準化和產業推廣工作的組織。目前，ONF無線與移動工作組正在進行將SDN和OpenFlow應用于移動網絡的研究工作，包括無線回傳網絡、核心網的流量管理、流量定向及網絡安全等方面的研究。伴隨著SDN產業的逐步成熟，也出現了很多SDN控制器開源平臺，包括ONOS、OpenDaylight、OpenContrail、Floodlight等。為了實現未來移動通信網絡架構基于SDN架構的演進，仍存在以下技術挑戰：

●無線資源動態管理調度機制。

●接口標準化，不同控制器平臺以及不同南北向接口協議之間的友好互操作。

●南向接口協議及轉發面轉發規則可擴展性問題，不僅支持當前TCP/IP體系結構，還需能夠友好支持下一代互聯網體系結構的命名、尋址、轉發機制。

（3）信息感知技術引入網絡智能能力，打造軟件化智能網絡

信息感知技術的核心在于預測，目前的無線移動寬帶通信系統還尚未實現網絡智能化運維和面向大量的終端及應用個性化、定制化地推送所需資源——這需要對于“海”量信息進行自動、實時、智能的感知、分析、處理和決策。

海量信息數據的采集和存儲是智能化分析決策的基礎。總體說來，信息感知主要包括對以下幾個方面信息的感知：

●網絡狀態信息：把握網絡容量以及擁塞程度、網絡拓撲信息、網絡性能特征。

●用戶行為信息：感知用戶的位置、移動速度、歷史軌跡，分析用戶偏好。

●設備屬性及能力信息：評估設備可靠性狀態、電池容量等。

●應用需求信息：掌握各類業務QoS需求，在流量、信令開銷等方面的特征。

為了實現動態調整網絡拓撲、網絡自動化運營和網絡開放能力來滿足用戶動態變化的多樣性業務需求，需利用網絡智能化使能技術SDN和NFV，將移動網絡部署在統一的基礎設施平臺。基于智能感知形成的智能知識，一方面可以對網絡進行智能控制，實現靈活調度網絡資源、對模塊化的網絡功能進行靈活編排、靈活調度業務流量等智能化動態控制；另一方面，結合CDN、ICN技術進行熱點業務預緩存等功能，提高用戶體驗降低網絡負載，形成一個擁有智能能力的軟件化網絡生態系統。

（4）ICN變革傳統互聯網端到端架構，完善網絡生態系統

4GAmericas5G白皮書指出，未來5G移動通信網絡的基本設計原則是面向高速/超高速移動性支持、高級別網絡信息安全以及內容緩存而專門設計的網絡架構與通信協議。目前，正被業界大力研究的ICN將有望作為滿足上述基本設計需求的主流網絡架構。

ICN的本質是在網絡層將內容與終端進行剝離，打破TCP/IP以主機為中心的連接模式，變成以信息（或內容）為中心的模式。與TCP/IP網絡協議相比，兩者最大的區別是ICN采用內容塊協議作為全網統一標識的中間層，ICN體系結構適用于未來移動通信網絡架構的顯著優勢可概括為以下幾點：

●ICN對內容進行命名，以識別內容取代識別終端基于內容的名字進行路由，在進行內容和路由時不存在位置依賴，從而擺脫了TCP/IP體系下身份識別也是位置信息所帶來的移動性等問題的束縛。

●ICN對二層協議要求寬松，可以充分地同時利用多種接入和連接方式，如以太網、TD-SCDMA、LTE、Wi-Fi、WLAN、WiMAX等，可以針對現網對接入融合與協同需求在不斷變化的環境中動態尋求最優化的實現方案。

●在TCP/IP體系中，用戶所看見的終端地址與內容名字不相干，容易導致釣魚攻擊 和網域交接攻擊。ICN的內容命名機制以及對數據簽名機制，將安全機制建立于數據本身。能夠進行數據的完整性以及數據源認證，為未來移動通信網絡的安全性問題提供了有效的解決方案。

●轉發機制由傳統的存儲轉發演進為緩存轉發，結合智能信息感知技術，能夠從底層機制上增加對未來移動通信業務本地化和移動邊緣計算技術的支持。

5　結束語

當前SDN和NFV的研究幾乎已經深入到了電信領域的各個方面，而這還遠遠不能滿足未來移動通信網絡的新需求，ICT融合發展需更多地借鑒IT領域的思想及技術。SDN、NFV、信息感知以及ICN等技術將改變現有移動通信網絡架構和設備形態，為滿足未來移動網絡需求指明了方向，進而對未來移動網絡的部署和運營方式以及電信領域的商業模式產生深刻的影響。

1 IMT-2020.5G網絡技術架構白皮書

2 G.Xylomenos，C.Ververidis et al.A Durvey of Informationcentric Networking Research.IEEE Communications Surveys &Tutorials.2013

3 劉旭，李俠宇，朱浩.5G中的SDN/NFV及云計算.電信網技術.2015，5

ResearchonMobileNetworkArchitecture Evolution and RelatedKeyTechnologies

5G technology research has caused wide attention in the field of global ICT. The moment evolve development on research of 5G vision and requirements and network architecture has been made. Although the standard of 5G has not been unified， research organizations have a consensus on future mobile communication network architecture evolution tendency. Based on future network architecture tendencies and logical architecture， this paper gives analysis of related key technologies， i.e.SDN，NFV， information awareness and ICN， and their important role in network architecture.

SDN，NFV，ICN

2015-11-10）