基于NFV與SDN的未來接入網(wǎng)虛擬化關(guān)鍵技術(shù)

孫 茜 田 霖 周一青 石晶林

引言

移動網(wǎng)絡(luò)運營商在部署網(wǎng)絡(luò)時以傳輸?shù)姆逯邓俾蕿槟繕?biāo)，由于業(yè)務(wù)傳輸需求的時空差異性，均值速率往往遠(yuǎn)低于峰值速率，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大多數(shù)時間有部分閑置。在網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過程中存在通信制式共存的現(xiàn)象，早期制式的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率需求逐步減少，并最終被新一代制式取代，被取代制式的軟硬件資源需要以新的方式應(yīng)用。當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的問題為業(yè)務(wù)均峰比低帶來的資源閑置、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)制式共存帶來的異質(zhì)資源無法共享、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)帶來的軟硬件資源重利用困難。為提高資源利用率、解決網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中的問題，新型集中式無線接入網(wǎng)受到廣泛關(guān)注，其中比較典型的有中科院計算所提出的超級基站(Super Base Station，SBS)[1-2]等，主要包括三個組成部分：由遠(yuǎn)端無線射頻單元(Remote Radio Head, RRH)和天線組成的分布式無線網(wǎng)絡(luò)；由高帶寬低延遲的光傳輸網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)端無線射頻單元；由高性能處理器和實時虛擬技術(shù)組成的集中式基帶處理池[3]。如圖1所示。

圖1 C-RAN白皮書中網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

為實現(xiàn)集中式接入網(wǎng)中功能的靈活配置、資源的高效共享與網(wǎng)絡(luò)的智能管控，虛擬化技術(shù)成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)與工程界關(guān)注的熱點。開放網(wǎng)絡(luò)基金會(Open Network Foundation, ONF)與歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)正在積極推進(jìn)軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Network, SDN)[4]與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization, NFV)[5]架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用方面的工作，并與國內(nèi)外公司合作開發(fā)虛擬化技術(shù)的開放實驗平臺與產(chǎn)品。當(dāng)前，已有研究討論基于虛擬化技術(shù)的移動通信核心網(wǎng)設(shè)計[6-7]與資源智能管控關(guān)鍵技術(shù)[8-9]，但針對接入網(wǎng)中虛擬化技術(shù)的研究還處于起步階段。本文將從無線接入網(wǎng)虛擬化概述、接入網(wǎng)架構(gòu)虛擬化技術(shù)、虛擬化關(guān)鍵技術(shù)等方面對集中式接入網(wǎng)虛擬化方面的相關(guān)研究進(jìn)行概述。

1 無線接入網(wǎng)虛擬化概述

在計算機(jī)科學(xué)中，虛擬化是一種表現(xiàn)邏輯群組或計算資源子集的過程，用比原來的組織更好的方式來使用資源，虛擬資源不受現(xiàn)有資源的架設(shè)方式、地域和物理形態(tài)所限制[10]。本質(zhì)上，虛擬化對物理資源進(jìn)行組織為上層提供應(yīng)用需要的邏輯形態(tài)，以更高效、更靈活的方式使用資源。

虛擬化技術(shù)在計算機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，例如虛擬計算機(jī)、虛擬化操作系統(tǒng)、虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，其中共同特點是底層硬件的無關(guān)性。在集中式接入網(wǎng)架構(gòu)中資源的虛擬化將物理存在的資源進(jìn)行各種方式的抽象，具有同樣的特征。結(jié)合移動通信系統(tǒng)的特點，虛擬化可以分為以下幾類：從資源角度分為計算資源的虛擬化與無線資源的虛擬化；從需求的角度分為面向小區(qū)級的虛擬化與面向服務(wù)流的虛擬化；從虛擬化層次的角度分為設(shè)備級虛擬化與網(wǎng)絡(luò)級虛擬化。下面根據(jù)未來移動網(wǎng)絡(luò)功能(如圖2所示)進(jìn)一步解釋上述虛擬化分類。

1)業(yè)務(wù)需求預(yù)測與服務(wù)能力需求。采用用戶服務(wù)預(yù)約、歷史業(yè)務(wù)量統(tǒng)計、服務(wù)習(xí)慣分析與突發(fā)模擬等方法預(yù)測即將到來的一段時間內(nèi)業(yè)務(wù)的需求，再利用映射函數(shù)將業(yè)務(wù)需求轉(zhuǎn)化為服務(wù)能力需求，即數(shù)據(jù)速率需求的時空圖譜。

圖2 未來移動網(wǎng)絡(luò)功能示意圖

2)無線資源網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹；跀?shù)據(jù)速率需求時空差異性、RRH分布、終端分布、終端與RRH的位置關(guān)系等，規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌_定服務(wù)終端的RRH，協(xié)同分配RRH傳輸業(yè)務(wù)的無線頻譜資源，構(gòu)建虛擬基站及其虛擬功能模塊。滿足數(shù)據(jù)速率時空傳輸需求，同時，對RRH進(jìn)行全局優(yōu)化協(xié)同分配無線頻譜資源，實現(xiàn)資源的高效利用。

3)計算資源需求。利用映射函數(shù)將虛擬基站、虛擬基站功能的部署需求轉(zhuǎn)化為計算資源的分配需求以及實時性等指標(biāo)需求。

4)無線資源管理與計算資源管理。無線資源管理根據(jù)虛擬基站部署與無線資源配置分配管理無線資源，并進(jìn)行周期性的更新；計算資源管理根據(jù)計算資源分配與指標(biāo)需求智能管理計算資源。

無線資源虛擬化主要研究業(yè)務(wù)需求預(yù)測、服務(wù)能力需求映射、無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃與資源分配以及無線資源的管理，實現(xiàn)對無線資源的共享；計算資源虛擬化主要研究計算資源需求映射以及計算資源的管理，實現(xiàn)對計算資源的共享；面向小區(qū)級的虛擬化與面向服務(wù)流的虛擬化從需求角度出發(fā)，對圖2中功能進(jìn)行區(qū)別設(shè)計，直接影響無線資源虛擬化；設(shè)備級虛擬化解決硬件功能軟件化、專用模塊通用化的問題；網(wǎng)絡(luò)級虛擬化基于集中式網(wǎng)絡(luò)與資源構(gòu)建移動通信服務(wù)的全新“生態(tài)圈”，通過新興商業(yè)角色實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化以及虛擬網(wǎng)絡(luò)的管理運行。

2 基于SDN與NFV的新型接入網(wǎng)虛擬化技術(shù)

基于NFV與SDN虛擬化技術(shù)將原來網(wǎng)元設(shè)備中的一體化功能分解成多個邏輯功能組件，對一些組件進(jìn)行優(yōu)化、升級、丟棄，利用處理后的組件進(jìn)行網(wǎng)元功能的重構(gòu)、部署和遷移，實現(xiàn)基于通用硬件平臺功能組件的靈活按需部署。如圖3所示，利用SDN完成程序定義的“控制器”實現(xiàn)軟件控制網(wǎng)絡(luò)[11-12]；利用NFV分析重組傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)硬件的功能組件并用軟件實現(xiàn)，以便“控制器”獲取各部分功能組件的概要情況，如使用情況、功能等[13]。

圖3 基于NFV與SDN的接入網(wǎng)架構(gòu)

NFV基礎(chǔ)設(shè)施(NFV Infrastructure, NFVI)。NFVI中包含多種可被虛擬化的硬件資源，如計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源，此外還包含集中式接入網(wǎng)架構(gòu)中特有的射頻天線資源。虛擬化層完成硬件資源的抽象，支持計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)連接功能的執(zhí)行，從邏輯上將資源劃分并提供給VNF使用，實現(xiàn)軟件與底層的硬件解耦。企業(yè)間NFVI硬件資源在物理分布與復(fù)雜性方面的差別很大。

虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(Virtual Network Functions, VNFs)。VNFs是運行在虛擬化資源上的軟件，部署在虛擬化或非虛擬化的網(wǎng)絡(luò)中，目的是為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。通過將網(wǎng)元功能從硬件剝離出來，對網(wǎng)元功能進(jìn)行分解、升級、重組與軟件化，然后按照業(yè)務(wù)的實際需求對重組之后的網(wǎng)元功能進(jìn)行連接。多個網(wǎng)元功能可組成一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如接入網(wǎng)、控制功能、轉(zhuǎn)發(fā)功能，部署在單個或多個虛擬設(shè)備上，特定情況下也可在物理服務(wù)器上運行。VNFs一般由網(wǎng)元管理系統(tǒng)(Element Management System, EMS)管理，通過北向接口與NFV管理編排維護(hù)系統(tǒng)相連，通過南向接口與VNF相連。

NFV管理編排維護(hù)(NFV Management and Orchestration, NFV-MANO)。NFV-MANO管理和調(diào)度硬件資源、虛擬資源層、虛擬化網(wǎng)元以及完整網(wǎng)絡(luò)功能的編排和生命周期，達(dá)到高性能、高可靠、自動化的效果。虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理(Virtualized Infrastructure Managers, VIM)負(fù)責(zé)對物理硬件虛擬化資源進(jìn)行統(tǒng)一的管理、監(jiān)控等；網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化管理器(VNF Management, VNFM)負(fù)責(zé)VNF的生命周期管理及其資源使用情況的監(jiān)控；網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化編排器(NFV Orchestration, NFVO)負(fù)責(zé)NVFI和VNF的管理和編排，進(jìn)而實現(xiàn)完整的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

基于SDN設(shè)計接入網(wǎng)控制的軟件化以及與轉(zhuǎn)發(fā)分離，通過NFV架構(gòu)支持接入網(wǎng)控制的軟件化，網(wǎng)絡(luò)控制面設(shè)備向上層應(yīng)用提供資源調(diào)度管理的高效開放API，屏蔽不同接入網(wǎng)之間管理上的差異，通過實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制功能的可編程化，顯著提高網(wǎng)絡(luò)管理的靈活性和網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

3 關(guān)鍵技術(shù)

目前，新型集中式接入網(wǎng)虛擬化技術(shù)的研究中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要有資源共享與網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù)、覆蓋與承載分離、虛擬化研究驗證等，以下將分別進(jìn)行說明。

1)資源共享與網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù)。

在集中式接入網(wǎng)的研究中，由于MVNO和MVNP商業(yè)角色的引進(jìn)打破了傳統(tǒng)通信服務(wù)的“生態(tài)圈”[14-15]，為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)軟硬件資源的共享與網(wǎng)絡(luò)隔離設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)虛擬基片(Network Virtualization Substrate, NVS)架構(gòu)[16-17]。NVS架構(gòu)為切片與服務(wù)流的分層調(diào)度，其中切片為包含一組流的某一個虛擬網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)流為虛擬網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)請求，是虛擬基站和終端之間帶有特殊服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)參數(shù)集合數(shù)據(jù)包的單方向數(shù)據(jù)流，包括上行鏈路和下行鏈路，一個終端的端到端連接映射為此終端的一個或多個服務(wù)流。為保障隔離性、定制化需求與資源利用率，NVS架構(gòu)采用分層調(diào)度，具體包含兩層，即保障隔離性與定制化的切片調(diào)度及保障資源靈活分配與利用率的流調(diào)度。切片和流調(diào)度的分離使得在上下行鏈路的切片定制更加靈活，同時，切片擁有者和物理網(wǎng)絡(luò)擁有者之間的服務(wù)等級協(xié)議(Service Level Agreements, SLAs)更容易定義和管理。在每個調(diào)度時刻，NVS選擇最大化整體效用的切片，采用常用的策略調(diào)度切片內(nèi)的流，如基于資源分配與基于帶寬分配的切片選擇策略，以及調(diào)度器選擇、模型規(guī)范、時間虛擬標(biāo)簽的流調(diào)度策略[18-19]，后續(xù)優(yōu)化還需考慮切片、流的優(yōu)先級與協(xié)同，在業(yè)務(wù)峰值時保障切片與流的服務(wù)。

2)覆蓋與承載分離技術(shù)。

在集中式接入網(wǎng)架構(gòu)中，密集RRH部署在提高網(wǎng)絡(luò)容量方面擁有良好的潛力，是未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，但在信令開銷等方面面臨巨大挑戰(zhàn)[19-20]。通過基站功能虛擬化，為控制功能RRH配置高發(fā)射功率實現(xiàn)大范圍覆蓋，為數(shù)據(jù)功能配置低發(fā)射功率實現(xiàn)更高頻率復(fù)用，終端利用雙/多連接架構(gòu)連接控制與數(shù)據(jù)RRH，通過靈活部署控制與數(shù)據(jù)功能實現(xiàn)覆蓋與數(shù)據(jù)解耦。將協(xié)議功能模塊化，利用NFV技術(shù)在通用平臺上定義相應(yīng)的VNF，服務(wù)流之間可共享平臺上定義的VNF，根據(jù)不同場景與業(yè)務(wù)需求按需靈活制定服務(wù)流所需的VNF并生成VNF路由路徑，利用NFV中的VNF路由表(Forwarding Graph，VNF-FG)技術(shù)，實現(xiàn)服務(wù)流所需協(xié)議功能處理。

3)虛擬化研究驗證系統(tǒng)。

虛擬化技術(shù)是集中式接入網(wǎng)功能實現(xiàn)與性能提升的關(guān)鍵技術(shù)，具有良好的應(yīng)用前景。為保障網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、研究虛擬化技術(shù)性能以及對網(wǎng)絡(luò)的影響，需要在移動網(wǎng)絡(luò)硬件平臺上對虛擬化技術(shù)進(jìn)行驗證，以保障虛擬化技術(shù)的有效性，輔助虛擬化技術(shù)研究的優(yōu)化。中科院計算所研發(fā)了集中式接入網(wǎng)—超級基站[4-5]原型驗證平臺，如圖4所示，在虛擬化技術(shù)驗證方面，支持虛擬基站管理，通過上下文轉(zhuǎn)移和重建實現(xiàn)虛擬基站遷移；支持計算資源管控，通過對處理資源的抽象、動態(tài)分配和組合實現(xiàn)虛擬基站；支持靈活的功能配置，按需配置控制與轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議功能，實現(xiàn)覆蓋與轉(zhuǎn)發(fā)分離。此外，超級基站原型平臺可支持接入、轉(zhuǎn)發(fā)、控制不同層面的技術(shù)驗證，可支持2G/3G/4G/5G/衛(wèi)星等不同的通信標(biāo)準(zhǔn)，具有開放式的軟硬件接口，支持算法級/模塊級/板卡級的關(guān)鍵模塊替換，設(shè)備規(guī)模可伸縮，界面友好，使用方便。

圖4 超級基站原型驗證平臺示意圖

4 結(jié)論與未來展望

運營商面臨激增的數(shù)據(jù)傳輸需求與CAPEX/OPEX的壓力提出集中式接入網(wǎng)，其中，實現(xiàn)接入網(wǎng)靈活性與低成本的關(guān)鍵在于虛擬化技術(shù)。在計算領(lǐng)域虛擬化技術(shù)的理論基礎(chǔ)與應(yīng)用已有豐富的積累，然而由于移動網(wǎng)絡(luò)特有性質(zhì)無法直接應(yīng)用在移動網(wǎng)絡(luò)中。移動網(wǎng)絡(luò)中的虛擬化技術(shù)尤其是接入網(wǎng)中的虛擬化技術(shù)研究仍處于起步階段，需要加快對接入網(wǎng)虛擬化架構(gòu)、智能管控、靈活的功能部署等方面的研究，研制新型移動網(wǎng)絡(luò)驗證平臺，推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)接入網(wǎng)靈活性與低成本，解決通信需求與成本之間的矛盾關(guān)系。

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