5G移動網絡新技術及核心網架構

文/何峰賦

面對5G移動通信網絡日趨多樣化、差異化的通信場景和業務需求，需要探討5G移動通信核心網架構及移動性關鍵新技術，引入軟件靈活定義的去中心化網絡架構，并提出移動性驅動網絡切片MDNS技術、5G切片高速通信技術和邊緣緩存技術，結合5G移動通信網絡部署特點和回傳網絡拓撲，實現5G移動網絡的資源優化，提升5G移動網絡用戶體驗。

1 5G移動通信核心網架構分析

傳統的網絡部署要根據業務的峰值容量進行資源的配置，存在網絡資源過度配置而導致網絡擁塞的現象，原有的網絡集中控制和集中路由無法適應網絡業務的實際變化需求，也無法使邊緣存儲和邊緣計算獲得良好的支撐。為了更好地應對用戶及業務的需求，要改變原有網絡設備及架構的固化問題，可以采用一種軟件定義去中心化網絡架構SoftNet，進行5G移動網絡架構的智能化自定義，動態激活和靈活部署5G網絡的功能，進行網關錨點的動態分配和資源的統一調度，較好地提升5G移動網絡資源的利用效率。

1.1 設計原則

在5G移動通信核心網架構設計的過程中，主要秉持以下理念和原則：

1.1.1 適應性

面對不同特征的通信場景，必須采用軟件定義去中心化的核心網絡架構，以動態地適應不同的通信場景，提升5G移動網絡的適應性和功能。

1.1.2 高效性

通過采用軟件定義去中心化的核心網絡架構，有效提升5G移動網絡資源的利用率，規避和解決高信令開銷、低效數據轉發及高傳輸時延的缺陷。

1.1.3 可擴展性

通過引入軟件定義去中心化的核心網絡架構體系，可以靈活高效地支持新業務，滿足5G移動網絡升級的需求，進行新業務的快速靈活部署和快速響應。

1.1.4 簡化功能

5G移動網絡核心網的軟件定義去中心化架構支持移動性管理和轉發隧道管理，基于大量的網元功能及通信協議的前提，可以實現5G移動網絡的簡化，避免5G移動網絡功能冗余的問題。

1.2 5G移動網絡SoftNet的邏輯架構及功能分析

5G移動網絡采用軟件定義去中心化的SoftNet的非集中式網絡控制方式，有效提高網絡的靈活性和可擴展性，主要由統一接入網和基于SDN的核心網構成，其中：統一接入網的無線接入點均連接到核心網邊緣的本地接入服務器LAS上，通過任意無線接入點服務的移動終端或LAS上的分布式網關，進入到核心網中進行訪問。基于SDN的核心網主要實現移動性管理和通信控制管理，由軟件的網絡功能實現移動性管理、QoS控制和網絡管理，通過網絡控制器和網絡基礎設施進行網絡控制，提供網絡管理策略，并動態決定QoS控制的參數。同時，在進行網絡移動性管理的過程中，要重點關注移動性錨點的具體位置和部署方式，可以將LAS作為分布式網關部署于接入網之中，支持分布式移動性管理，實現對異構接入網絡無線資源的多接入協調和統一調度，有效實現5G移動網絡的移動性事件管理，包括位置管理和切換管理，并通過對分布式網關的控制和管理，實現本地流量卸載。

2 5G移動網絡新技術的應用分析

2.1 網絡功能虛擬化技術

5G移動網絡中的NFV技術是重要的關鍵技術，主要涵蓋有以下內容：

2.1.1 網絡功能虛擬化組件（NFVI）

由虛擬機和服務器等物理資源進行具體功能模塊的封裝和承載，進行數據的底層傳輸、存儲和計算的資源支撐。

2.1.2 虛擬化網絡功能（VNFs）

采用NFV軟件技術進行部署，具體執行某一特定功能，諸如：域名解析系統、網絡地址轉換系統、防火墻等。

2.1.3 NFV編排管理

要合理確定所需的多個VNF的數量及連接關系，明晰多個VNF在服務鏈中的排列方式，并通過底層NFVI構建服務鏈，較好地實現特定切片網絡的具體功能，實現對網絡系統資源的移動性管理。

2.2 5G切片中的高速通信技術

2.2.1 采用基于軟件OVS的虛擬機數據轉發

2.2.2 基于硬件OVS的虛擬機數據轉發

由于基于軟件OVS的數據轉發難以滿足低時延、低能耗的通信需求，包頭解析模塊對嵌套幀的解析流程過于繁瑣，為此，要引入基于硬件OVS的虛擬機數據轉發，通過FPGA開發板的以太網光接口和PCIe接口進行硬件轉發，其功能模塊主要包括有：

（1）管理模塊。該模具具有對數據包與控制命令的區分功能，可以從控制層面經PCIe到硬件轉發層面，對數據包和流表模塊命令等下行數據進行新的封裝和承載，從硬件轉發層面經PCIe到控制層面，對上行數據進行信息讀取和發送。

（2）預處理模塊。主要實現對數據包類型的區分，提取不同數據包的關鍵字信息，并將其發送給流表模塊，將原始數據緩存于RAM之中，具體處理流程為：數據包類型偵測——關鍵字提取。

（3）流表模塊。主要實現對流表項的維護，包括流表項的新增、刪除、查詢和修改等，并對關鍵字進行流表項匹配，較好地優化流表結構和匹配方式。

（4）操作模塊。以流表模塊輸出的操作地址信息進行操作，進行原始數據的字段修改、丟棄、轉發等。

（5）發送模塊。主要是將操作模塊修改的數據包發送至對應的端口。

“所謂混合式學習就是要把傳統學習方式的優勢和網絡化學習的優勢結合起來，也就是說，既要發揮教師引導、啟發、監控教學過程的主導作用，又要充分體現學生作為學習過程主體的主動性、積極性與創造性”（何克抗教授）。李克東教授進一步指出，混合式學習形式上是在線學習與面對面學習的混合。但其更深層次是包括了基于建構主義、行為主義、認知主義等不同教學理論的教學模式混合。教師主導活動和學生主體參與活動的混合，課堂教學與在線學習不同學習環境的混合，不同教學媒體和教學資源的混合，自主學習和協作學習不同學習方式的混合，課堂講授和虛擬教室的混合。

（6）PCIe數據分發模塊。該模塊主要實現回復命令和數據的區分，并通過PCIe接口進行數據信息的上發，能夠對數據進行優先級選擇，使之進入到PCIe通道的隊列之中，進行數據信息的傳輸。

基于硬件OVS的虛擬機數據轉發主要采用兩個關鍵技術，即：Vxlan多字段偵測技術和優化軟硬件交互模式，其中：Vxlan數據幀是在普通以太網幀包頭中添加4個字節的Tag字段，通過一次性獲取Vxlan幀的外層以太網、IP、UDP包頭及Vxlan內部幀包頭，進行多字段的同時快速驗證和偵測，獲取內部數據。優化軟硬件交互模式則在當發送方累積到一定數量的數據包之后，進行DMA傳輸，規避數據累積時延與中斷時延的矛盾。

2.2.3 硬件OVS在5G移動網絡中的應用

為了解決覆蓋多應用場景、多業務需求，可以采用硬件OVS降低數據包在虛擬機之間的轉發時延，實現硬件轉發層面的流表控制、流表緩存和驅動管理，可以將硬件OVS嵌入到5G移動網絡的DU處，實現5G前傳網絡接入流量在切片內多個虛擬機的疏導和傳送。也可以將硬件OVS嵌入到5G移動網絡的CU處，合理區分不同類型的業務，實現不同業務的定制化處理，有效提升CU中虛擬機之間數據的轉發效率。

2.3 5G移動網絡邊緣存儲技術

緩存策略是5G移動網絡中的關鍵技術，主要涵蓋以下內容：

2.3.1 CDN緩存

該緩存技術將分發任務卸載到副本服務器，降低源服務器載荷，并將內容部署在臨近用戶的位置，減少用戶訪問時延，提升內容的可用性，有效緩解網絡的擁堵現象。

2.3.2 基站緩存

可以在現有的宏基站（MBSs）和微基站（SBSs）進行緩存部署，替代原有的網絡回程鏈路，使之成為沒有回程鏈接的微基站，進行用戶內容的靈活高效分發服務和部署，有效緩解5G移動網絡中回程鏈路的擁堵問題，提升5G移動網絡的能效。

2.3.3 終端設備緩存

可以根據既有的信息進行用戶內容的推送，也可以依據用戶偏好信息，進行基站主動下載用戶內容并傳送給用戶，有效改善移動網絡中用戶的體驗質量。

2.3.4 緩存策略

可以采用最近最久未使用算法（LRU）、最近最少使用算法（LFU）和緩存最流行算法（MPC），有效提高蜂窩網絡的帶寬，降低網絡端到端的延遲。

4 結語

綜上所述，5G移動網絡核心網絡架構和關鍵技術不斷成熟和發展，面對日益復雜多元化的網絡業務需求，要不斷優化5G移動網絡核心網絡架構和關鍵技術，提出集中控制與分布控制相結合的移動性網絡管理體系，使其部署更加合理、靈活和高效。還要合理采用各種移動網絡關鍵技術，如：網絡功能虛擬化技術、5G切片中的高速通信技術、移動網絡邊緣存儲技術等，較好地改善用戶的網絡通信體驗質量，拓寬網絡通信范圍，提升網絡通信設備傳輸效率。