SDN和NFV在5G移動通信網絡架構中的應用研究*

趙明宇，嚴學強

（上海貝爾股份有限公司，上海 201206）

SDN和NFV在5G移動通信網絡架構中的應用研究*

趙明宇，嚴學強

（上海貝爾股份有限公司，上海 201206）

軟件定義網絡（SDN）和網絡功能虛擬化（NFV）是業界當前研究的熱點。首先分析了現有移動通信網絡存在的一些缺點，闡述了將SDN和NFV引入5G網絡架構所帶來的好處；其次，對國內外的SDN及NFV在移動網絡架構方面的研究現狀進行了綜述，探討了基于SDN/NFV的網絡架構的設計思路；最后對基于SDN/ NFV的5G網絡架構進行了初步探索，并提出了關鍵技術及面臨的技術挑戰。

軟件定義網絡 網絡功能虛擬化 5G網絡架構

1 引言

根據ABI Research等市場研究機構的報告顯示，第五代移動通信（5G）網絡將于2017年開始確定標準，2020年才會正式商用。不過，迫于網絡流量持續高速增長的壓力，以及出于對未來戰略地位的考慮，產業界對5G的研究已經開始，5G的需求也逐漸顯現。

近來，國內外相關組織先后啟動了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，各通信企業積極搶灘，開始以自己的戰略影響新一代系統的需求定義，以確保其研發投入可轉化為強大的5G專利地位。

國際電聯（ITU）剛剛啟動了面向5G標準的研究工作，當前各設備商和電信運營商紛紛公開了自己設想的5G概念，并已經開始對相關技術進行驗證。因此，可以認為從國外到國內，從運營商到設備商，對5G的研究都已經邁出了第一步。這一系列的預研對行業達成技術共識至關重要，這也是行業巨頭預測未來系統的核心技術要素并獲取相關專利的關鍵時期。與采用正交頻分復用（OFDM）和多輸入輸出（MIMO）技術為核心的4G系統相比，正在探索的5G技術，還沒有各方達成共識的明確的核心層面的技術。因此，面向未來的無線和移動通信新技術將迎來新一輪的創新發展機遇。

2 移動核心網絡架構現狀及其發展趨勢

目前移動用戶的爆炸式增長、頻率資源緊缺、數據傳輸速率的幾何級數式增長需求、能源的巨大消耗以及網絡的優化問題等都將是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頻譜效率提升空間也受限于香農極限，因此在5G系統的研究中，研究人員逐漸認識到網絡架構對網絡容量提升的重要性。而移動通信系統從2G、3G逐步演進到現在的LTE，相對于接入網技術的變革，核心網絡架構并沒有發生根本性的變化，具體如圖1所示。

未來5G移動通信系統不管是從接入、運營還是業務需求等方面來講，都對核心網絡提出了新的挑戰。從接入需求的角度分析，我國IMT-2020推進組認為5G關鍵能力體系將體現在100倍增長的巨量連接數，1 000倍的流量增長，至少100倍的數據傳輸速率，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，多網并存導致的管理、用戶體驗等問題。從業務需求的角度分析，網絡服務的繼承、提升及創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、新業務的部署以及與第三方的合作。

雖然現有網絡的性能已經有了極大的提升，但隨著流量等的進一步激增，用戶對網絡性能的需求將進一步加大，使得網絡的一些性能不能適應現在的發展，缺點不斷暴露出來。如移動網絡體系結構越來越復雜，設備臃腫，性能提升小；網絡設備種類繁多，導致運營商升級困難，擴展性差；現有的接入技術之間還不能實現無縫切換；控制和轉發緊耦合，數據面過于集中，而控制面過于分散，無線資源配置效率低；P-GW（分組數據網關）功能過分集中，導致設備極其昂貴，成本和收益形成剪刀差；P-GW造成路由迂回；單點失效導致整個系統的可靠性變差等[3-5]。

現有的這種垂直封閉的網絡體系和耦合私有的網元架構，注定了路由、流量、傳輸性能等網絡行為的不確定性，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，亟需對體系結構進行變革，要求新的網絡可以實現功能靈活部署、快速升級且易于擴展等。目前針對5G網絡架構，有改進性和革命性2種路線。改進性路線希望基于現有網絡，通過協議更新、網元改造等來適應網絡的發展。革命性的路線考慮可以復制計算機領域的成功經驗來解決現有網絡所遇到的問題，認為將來的網絡必將是這樣的——底層的數據通路（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于流表的公用的API，同時采用控制器來控制整個網絡[6]。

圖1 移動通信系統演進圖

而IT領域涌現的新技術如云計算、虛擬化、軟件定義網絡（SDN）等，正不斷對無線和移動通信技術產生重大的影響。如云計算技術在無線接入網中的應用（C-RAN）、虛擬化技術在EPC中的應用（vEPC）等都為革命性路線提供了有力的技術支持。國際主流運營商也開始考慮如何借助虛擬化技術和軟件定義網絡技術在電信網絡中的應用，提升網絡效率、降低網絡CAPEX/OPEX，以實現移動網絡高效的建設、擴容及運營，實現新網絡能力的快速開發和新業務的靈活應用。

3 將SDN和NFV引入5G網絡架構所帶來的好處

SDN作為一種網絡創新架構，具有以下顯著特點：

1）控制與轉發分離；

2）控制集中化；

3）使用廣泛定義的軟件接口[7]。

其核心是將網絡設備控制面與數據面分離，只在網絡硬件設備的底層保留轉發功能，上層則可進行集中的控制功能，進而將網絡的應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，可以部署通用的硬件和高級軟件來替代昂貴的專業設備，令企業和運營商得以擺脫不同廠商種類繁雜的設備束縛。硬件設備的標準化，網絡功能的虛擬化，使得網絡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絡和應用的革新，這極大地降低了運營商的資本支出和運維成本，也為運營商的網絡架構創新和轉型提供了良好的契機?？刂频募谢?，可以獲得全網統一視圖，從而實現了網絡流量的靈活控制，網絡資源的動態分配，大大增強了網絡資源的使用效率，縮短了業務的開發部署周期，為系統級應用的創新及業務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絡，使得SDN在互聯網和通信領域的應用前景被廣泛看好。SDN技術在移動網絡中使用，也必將使得移動網絡基本功能的實現變得更加合理和高效，也使得網絡的縱向融合成為可能，從而進一步簡化網絡，使其適應不斷增長的接入速率。

SDN是由斯坦福大學的研究者提出的，NFV是由運營商聯盟提出的，運營商希望在解決現有網絡硬件設備復雜、笨拙、創新應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絡，以保護投資。為此提出了網絡功能虛擬化的概念，通過使用基于行業標準的x86服務器、存儲和交換機等通用性硬件，來取代通信網的那些私有專用的網元設備，基于這些通用設備，采用虛擬化技術，把多種網元設備的功能通過軟件來實現[8]。從而在降低CAPEX和OPEX的同時可實現資源的靈活共享、按需部署及業務的快速創新等。

NFV的白皮書對SDN與NFV的關系做了如下綜述：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對網絡架構重新定義，對控制面和用戶面進行解耦，而NFV是對網元設備結構的重新定義，將網絡服務從與專用硬件及位置的緊耦合關系中分離出來。SDN和NFV的網絡架構對比如圖2所示：

圖2 SDN與NFV架構的對比

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

4 目標網絡架構初探

當前，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網絡架構，大都處在提出初步設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，初步設計的面向5G的移動通信網絡架構如圖3所示。

其設計思路如下：

（1）對網元功能進行分解

現有的網絡封閉無序，有部分功能重復且沖突，需要對網絡功能進行重新梳理和劃分。首先就要實現控制與轉發的分離及軟件與硬件的解耦。通過控制與轉發的分離，控制功能集中在SDN控制器之上，轉發面可以采用標準的通用轉發設備，成本優勢明顯，兩者通過南向接口連接?？刂泼婧娃D發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，將網元設備的各功能從專有硬件中分離出來，這樣可以實現虛擬化。各功能通過軟件實現，接口標準化并運行在高性能的基于x86的通用硬件平臺上，通用設備成本低廉，能夠為運營商節省巨大的投資成本。

（2）網絡功能抽象

對現有各網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，各模塊間接口標準化，便于功能重構。相對現有網絡功能，分解后的網絡功能模塊將變多，接口和協議將有可能變得復雜，但相對已有網元內部各接口的私有化、軟件化，組件化的網絡功能模塊將為運營商的業務部署帶來便利和靈活性。

通過網絡功能抽象，將網絡功能模塊化、組件化，各功能模塊間采用開放的API接口，可以按照標準進行重新組織，使得新的網元功能以全網的視圖，結合全局上下文，綜合考慮用戶多樣的業務需求，提供最優的業務數據流傳輸與處理方法，從而增強全網的資源利用效率和網絡服務能力。例如，不同接入系統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、網絡邊緣設備選擇等集中重組，可以實現面向異構接入系統的融合流移動性管理功能。

今天的互聯網能夠蓬勃發展，各式各樣的創新層出不窮，這與互聯網采用通用硬件平臺，開放API接口給用戶，降低用戶參與創新的門檻有著極大的關系。因此，抽象網絡功能并開放API給開發者，網絡設計開發從以往的面向運營商轉向更多地面向用戶，使得運營商也能獲得更多、更靈活的網絡能力，從而克服現有網絡因設備種類繁多而導致的升級困難、擴展性差、新業務成熟周期過長、增值服務創新難度大等缺點。

（3）網絡功能重構

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

電信網絡借鑒吸收IT技術靈活快速的特點，5G時代的網絡架構不應再是2G—4G的固定、封閉的架構，而應是基于虛擬化的技術。其采用模塊化的功能組件、開放的API接口，能夠按照業務的實際需求進行靈活組合，快速重構架構，如可針對某類業務、某個用戶甚至某一種業務數據流的特定需求來提供網絡資源和功能。

模塊劃分及重構不僅能組合實現現有的網絡功能，也能夠減持冗余的功能。如某些功能或業務達到了生命周期，也可以方便地退市。實際上，現有電路交換機的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，在節約投資的同時減少了冗余。

這里提出的5G網絡架構圖具有如下特性：

（1）從邏輯上看，控制面和數據面解耦。網絡架構進一步扁平化，轉發面下沉到了用戶側，控制面進一步集中，擁有全網視圖，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絡中不同物理位置上的網絡資源，即云化的網絡服務和網絡資源可以按需遷移。通過邏輯上集中、部署上可分布式的業務控制平面，對網絡進行管控，屏蔽復雜物理網絡的協議和交互，實現簡易化的虛擬網絡。

（2）網絡功能從專用硬件中解耦出來。在網絡側實現網絡功能的高度虛擬化，并在網絡上構建抽象層，使得網絡功能可以按需靈活部署及快速更新。網絡業務編排、網絡功能管理及虛擬網絡架構管理等將是未來重點的研究方向。在無線側，一些控制功能能夠邏輯集中在無線控制器中，聯合優化從而提高用戶體驗。無線控制器[10]的主要功能是調用基站的網元管理系統、控制空口相關的參數并進行無線資源分配。

（3）網絡能力開放，即將底層網絡的能力抽象為API接口提供給應用程序，促進業務和應用的創新。

基于SDN研究面向5G的移動通信網絡架構，由于與傳統的分散式控制、控制和轉發緊耦合的網絡架構不同，其在新型5G分組網絡網元功能解耦及重構、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，需要進行創新性的研究。

5 結束語

本文基于SDN和NFV技術，并對現有網絡采用解耦、抽象和重構的方法，提出了控制與轉發分離、控制集中化、可編程的未來移動通信網絡架構，對未來移動通信的網絡架構進行了初步的探索。分析認為基于SDN和NFV的新型網絡架構，不僅能有效克服現有網絡的諸多缺點，同時還可滿足未來不斷增多的新業務對網絡可編程和快速響應的要求。

[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.

[3] L E Li, Z M Mao, J Rexford. Toward Software-Defi ned Cellular Networks[C]. Software Defined Networking (EWSDN), 2012 European Workshop on, 2012: 7-12.

[4] Manner J, Heinonen J. A layer-2 approach for mobility and transport in the mobile backhaul[C]. ITS Telecommunications (ITST), 2011 11th International Conference, 2011: 268-273.

[5] James Kempf, Bengt Johansson, Sten Pettersson, et al. Moving the mobile Evolved Packet Core to the cloud[C]. IEEE 9th International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications (WiMob), 2012: 784-791.

[6] 百度百科. OpenFlow[EB/OL]. [2015-01-18]. http://baike.baidu.com/link?url=SCKo9gGishx 9xgrJEVgDJzogyIZHfZcrKdKfZfIcMeAxEw-NTgT1epCOK_0FBwOzarSIMX-ZTg3HYcujLZsDR_.

[7] ONF White Paper. Software-Defined Networking: The New Norm for Networks[Z]. 2012.

[8] Introductory White Paper. Network Functions Virtualization[C]. SDN and OpenFlow World Congress, 2013: 22-24.

[9] 人民郵電報. “去電信化”：擺脫禁錮 孕育新生[EB/OL]. (2013-01-17). http://www.cnii.com.cn/index/ content/2013-01/17/content_1042513_3.htm.

[10] Mark M, Clougherty Christopher A, White Harish Viswanathan Colin L, et al. SDN在IP網絡演進中的作用[J]. 2014,30(5): 1-13.★

趙明宇：上海貝爾股份有限公司和上海交通大學聯合培養博士后，主要研究方向為SDN、NFV、5 G、核心網絡架構及無線光通信。

嚴學強：博士學位，上海貝爾股份有限公司戰略部總監，主要研究方向為未來移動通信新技術、網絡融合與演進。

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,嚴學強. SDN和NFV在5G移動通信網絡架構中的應用研究[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

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn