5G移動核心網虛擬化探討

王宇 孫元義

【摘?要】針對移動互聯網發展造成的網絡高負荷與運營商高成本問題日益突出的情況，對網絡功能虛擬化概念及其相關實現技術進行分析，指出了移動核心網虛擬化面向未來移動核心網對高效、大容量組網能力需求，并針對移動核心網虛擬化演進架構趨勢進行探討。

【關鍵詞】移動核心網 ;軟件定義網絡;網絡功能虛擬化

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，在國際電信標準組織3GPPRAN第78次全體會議上，5GNR首發版本正式發布。目前，第五代網絡通訊技術（5G）已經成為全球研發的焦點，可以預見在2020年，網絡通信技術將會進入5G時代。為了能夠推動通信網絡技術創新和發展，在網絡通信領域掌握前沿技術，我國已經全面開啟了5G網絡通信技術的研發工作，包括5G的核心網架構、網絡傳輸性能以及實際應用評估等，積極推動5G網絡通信技術的發展和普及應用。

（2）隨著智能終端的普及和移動互聯網業務的井噴式發展，網絡中的流量和信令一直處于的爆炸性增長，對網絡容量和性能本身提出了更高的要求。然而，運營商的收入和利潤卻并不能隨著網絡中的流量而大幅增長，甚至是出現負增長，形成著名的收入和成本的“剪刀差”現象。究其原因，運營商的業務重心已經由語音短信向高速數據業務遷移，高速發展的移動寬帶業務給網絡造成了巨大的負荷壓力。為了應對網絡日益增長的數據流量，運營商不得不加大投資力度，縮短建設周期，對移動網絡進行新建、升級或者改造，造成了巨額的網絡資本支出（CAPEX，Capital Expenditures）及運營成本（OPEX，Operational Expenditures）。

（3）如何有效地提高網絡管理靈活性和設備的利用率、降低網絡運維成本，這是移動寬帶時代各運營商必須正視并認真思考的問題。傳統以專有硬件為主導的設備產品架構、基于預先規劃的建設模式，已經難以適應未來高速數據業務發展的要求，需顛覆傳統電信設備的認識理念并利用新的技術理念來支撐新的業務模式對網絡資源有定制化的訴求，包括設備形態、配置管理、擴容升級等方面，以推動網絡向基于云化、開放的網絡架構演進。

2. 5G核心網虛擬化架構技術實現

2.1?軟件定義網絡。

（1）軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN），是一種創新網絡架構，它利用分層模式將網絡控制面與數據面分離。網絡控制面包含具有邏輯集中化的可編程控制器，通過其掌握的網絡全局信息，為運營商和科研人員提供管理配置網絡和部署新協議的能力，其核心技術Open Flow，它為5G網絡帶來了靈活性和可編程性，通過Open Flow將5G網絡設備控制面與數據面分離開來，從而實現了網絡流量的靈活控制。

（2）5G核心網構架主要分為應用層、控制層和網絡基礎設施層三個部分。應用層主要包括各種不同的商業應用和業務功能;控制層通過SDN軟件主要負責處理平面資源的編排，維護網絡拓撲、信息狀態等并通過API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）與應用層進行互聯;網絡基礎設施層主要進行網絡信息數據的收集、處理以及轉發功能。控制層與網絡基礎設施層之間的接口以及應用層與控制層之間的接口是5G核心網構架的重要組成部分，根據網絡接口與控制層的位置關系，控制層與網絡基礎設施層之間的接口稱為南向接口，應用層與控制層之間的接口稱為北向接口，南向接口具有開放性的Open Flow標準，實現轉發設備的標準化和開放化。

（3）5G核心網絡架構主要技術特征，包括接入網側通過控制面與數據面分離，實現覆蓋與容量的分離或者部分控制功能的抽取，通過簇化集中控制實現無線資源的集中式協調管理，核心網則主要通過控制面與數據面分離以及控制面集中化的方式實現本地分流、靈活路由等功能。

（4）5G網絡軟件和硬件解耦為特點的網絡功能虛擬化技術相結合，能夠有效滿足核心網構架的技術特征，使5G網絡具備開放能力、可編程性、靈活性以及可擴展性。此外，通過云計算技術和用戶體驗大數據分析，實現5G網絡和業務的深度融合，使5G網絡具備用戶行為和業務感知能力，更加具有智能化特征。

2.2?移動核心網虛擬化。

（1）傳統移動核心網架構組成網元根據所執行主要功能可以劃分為如下幾類：控制面、用戶面和用戶數據三類網元。其中，控制面網元包括MME/SGSN、PCRF;用戶面網元包括S-GW、P-GW;用戶數據網元包括HSS。控制面設備主要處理移動性管理、會話管理等功能，以控制信令交互為主;用戶面設備則主要處理用戶數據的交換與轉發、計費數據處理等功能，同時接受控制面設備信令控制;用戶數據網元則存儲用戶簽約靜態數據，以類似于數據庫操作為主，同時接受控制面設備信令控制。

（2）移動核心網通過NFV技術實現網元在同一硬件平臺上的部署，尤其適合控制面網元設備主要處理控制信令，由于COTS服務器計算能力較強，適合處理狀態轉移和信令交互等流程。

（3）移動核心網向NFV方向演進時，所有網元將統一部署于通用服務器硬件（H/W）之上，通過虛擬化層抽象為歸一化虛擬資源提供給上層移動核心網網元軟件應用調用。其中，對于用戶面設備，針對處理用戶高速數據，需要對其進行必要的硬件加速功能，如通過Intel的DPDK套裝或者SR-IOV繞過虛擬化層直接調用硬件資源，提高COTS服務器上的吞吐量性能。

（4）考慮到未來NFV與SDN技術的結合，移動核心網虛擬化的網元在部署到統一的數據中心以實現集中化部署，提供網

絡的運維效率，同時將控制面與轉發面分離。架構中的控制面網元通過南向接口控制通用轉發面交換機完成用戶數據的轉發和疏導，有利于實現全網的統一高效的管理和控制策略以及控制面/轉發面的可擴展性，實現從封閉黑盒的網絡走向開放可編程的移動軟網絡。

3. 結束語

綜上所述，當代通信技術的發展，改變了人們的工作方式與生活習慣，移動通信網絡即將進入5G時代，適應高速和高效網絡要求的通信技術，不僅會給通信運營商帶來更大的收益，還會給用戶帶來更加優質的通信體驗。隨著流量爆炸的移動互聯網時代來臨，面對如何降低網絡部署成本，加強網絡資源的可擴展性和運維的靈活性，提供多租戶、虛擬運營的網絡服務能力等方面重要挑戰，NFV、SDN等技術在ICT融合背景下開始成為影響未來通信業發展的關鍵因素之一。相信隨著5G技術在全球范圍內的不斷延伸，人們的生活方式將會得到質的改變。

參考文獻

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