5G移動通信網絡架構中SDN和NFV的應用

陳禮娟

（中興通信股份有限公司，江蘇 南京 210012）

0 引 言

隨著智能移動通信的多元化發展，5G移動通信網絡成為主流研究方向。本文主要面向5G移動通信網絡架構中SDN和NFV的應用設計，側重于系統功能、數據流量以及網絡配置的優化設計，提升5G移動通信網絡的應用性能。

1 注重SPN網絡的提前部署和雙模組網

在5G移動通信網絡架構中要提前部署SPN網絡，以實現5G非獨立組網架構（Non-Stand Alone，NSA）與獨立組網架構（Stand Alone，SA）的同步推進，促進SA端到端的快速發展和成長。在5G移動通信網絡中實現SA/NSA雙模組網，在SA/NSA雙模組網的接入和匯聚處采用環形組網方式，核心層采用口字型組網方式。考慮到當前標準和技術進展狀況，5G建設初期主要應用場景為eMBB業務，5G建設的中遠期引入uRLLC和V2X業務，進行核心網UPF/MFC下沉，縮減傳輸距離，滿足后續業務的低時延和動態靈活連接要求[1]。

2 基于SDN/NFV的5G移動通信網絡架構中的功能設計和虛擬化設計

2.1 基于SDN/NFV的5G移動通信網絡功能設計

5G移動通信網絡體現出高效傳輸和信息擴展的特點，要合理設計5G移動通信網絡架構，將SDN和NFV納入到網絡服務部署中，不斷優化網絡資源及通信服務，并注重網絡冗余控制，降低網絡的延時性，提高5G移動通信網絡的信息吞吐量和傳輸效率。基于SDN和NFV的5G移動通信網絡功能模塊配置如圖1所示。

圖1 基于SDN和NFV的5G移動通信網絡功能模塊配置

2.1.1 網元功能設計

為了實現5G移動通信網絡的數據轉發和控制分離功能，要利用SDN技術調整網絡的控制功能，依循通用轉發標準進行數據信息的調整和處理，滿足系統軟硬件解耦的需求，較好地實現網元功能的分解和調整。同時，要不斷完善網絡架構和功能模塊設計，做好控制面和轉發面的擴容升級處理，并利用X86通用硬件平臺進行接口標準化的優化處理，為軟硬件解耦和功能軟件實現提供支撐[2]。

2.1.2 網絡功能抽象

要從抽象的功能角度進行數據信息的概括和封裝處理，注重API接口的設計和連接，針對數據資源的利用和切換管理兩方面進行適當調整，包括實施切換管理，選擇適宜的網絡邊緣設備和合法數據跟蹤等，以此滿足系統重組和業務需求，另外還要構建異面結構，整合分析網絡移動數據的融合流。

2.1.3 網絡功能重構

在進行網絡開放接口模塊的重組過程中，要先做好開放接口子模塊的性能檢測，使之滿足數據傳輸和拓展需求，不斷完善功能組件和業務開發，同時還要整合和共享數據資源，做好故障隔離和自動化處理。此外，在網絡功能重構設計中還要從虛擬化技術的視角進行網絡架構設計，利用API接口實現數據控制、調整及轉換，并進行網絡資源的合理劃分、調整及重構，避免和減少網絡資源冗余的現象[3]。

2.2 基于SDN/NFV的5G移動通信網絡的虛擬化設計

在進行5G移動通信網絡的架構設計后，還要運用SDN技術和NFV技術進行5G移動通信網絡的虛擬化設計，實現數據信息的傳輸、分離、承載以及控制。

2.2.1 5G網絡服務

在端到端網絡切片的應用過程中，可以利用虛擬網絡調整網絡結構和數據資源，以網絡移動信息傳輸和搭建虛擬平臺為中心，通過軟件接口進行信息傳輸，合理控制并調整數據，較好地優化系統硬件組裝環境，滿足實際通信的多元化需求。以C-RAN架構的設計為例，可以利用切片模型進行服務器信息數據傳輸和虛擬化網絡功能的控制，體現IP承載和數據分離的服務特征。同時，在構建虛擬網絡的過程中要注重數據導入設計、NFV模塊和服務引擎的設計，并調整應用網絡體系和數據傳輸，不斷完善5G移動通信網絡[4]。

2.2.2 虛擬化網絡架構

要完善和優化無線網絡結構，進行5G移動通信網絡架構的分層設計，根據實際需求合理設置虛擬化節點，如宏站、Small Cell以及RRH等，形成具有邏輯的不同虛擬化管理層，如域管理器。利用這些虛擬化節點構建虛擬網，模擬修正和調整虛擬化資源，較好地實現對基礎設施、虛擬化管理及移動通信業務的有效傳輸和控制[5]。無線側虛擬網絡架構模型如圖2所示。

圖2 無線側虛擬網絡架構模型圖

在利用網絡架構模型進行虛擬化資源的設計應用中，主要通過業務處理或信息屏蔽的方式進行數據信息傳輸、業務處理、參數控制以及信息移動傳輸，并以5G移動通信網絡為核心完成QoS的信息需求及業務處理。

在5G移動通信網絡架構中，采用控制和數據相分離的機制，包括有虛擬化管理層、控制面節點以及數據面節點。其中，虛擬化管理層利用不同節點分布方案獲悉周邊節點的數據信息，實現信息的協同和共享。無線接入網絡側的虛擬管理層主要實現以下功能。（1）構建以業務為中心的虛擬小區，并進行持續更新和優化。（2）實現對回傳網絡資源的虛擬化管理。（3）實施網絡連接的移動控制。（4）管理并利用上下文信息。控制面節點產生各層的控制信令，并進行虛擬小區內部資源的調度和分配。數據面節點則僅負責數據的發送和接收，控制信令則需要傳送給控制面節點進行發送。

綜合考慮管轄區域內所有節點的自身能力和資源使用狀況，合理確定5G移動通信網絡架構模型，可以采用集中式部署的策略進行管理節點的設置，以獲取更多的信息數據，相較于分布式部署策略更優，但同時也存在傳輸帶寬、時延及成本等問題。

2.2.3 虛擬小區創建及更新

在虛擬小區創建的過程中，要綜合考慮節點特性、業務QoS需求以及無線環境等因素，創建虛擬小區并動態更新虛擬小區內的節點成員。在這一過程中主要牽涉兩個問題，一是為不同業務提供服務的節點映射問題，二是虛擬資源的合理分配問題。在為不同業務提供服務節點的設計中，采用節點映射算法，根據無線信號質量、節點BH性能以及業務QoS需求等約束條件，選擇服務節點的設計策略，優化利用BH資源，平衡不同節點的負載，實現系統功能最大化[6]。

2.2.4 虛擬資源管理

為了避免各服務節點之間的干擾問題，要進行虛擬資源的有效管理，包括時域資源、頻域資源以及空間域資源。其主要管理任務包括以下內容。（1）信息獲取和抽象存儲。管理節點要采集不同信息，如來自底層節點或用戶的信息、來自上層與業務相關的QoS信息、周邊節點的信息等，并對其進行抽象和存儲。（2）資源管理決策。管理節點要確定資源管理策略，進行信息資源的分配、動態調整和重配置。

2.2.5 用戶移動性管理

當節點布局相對密集或用戶位置快速移動時，會出現信息傳輸中斷的現象，要以管理節點作為移動性錨點，在網絡信息虛擬化的條件下，實現用戶與業務數據的同步連接和共享，加快數據在不同節點間的轉換過程，并由多個節點同時為某一業務提供服務，滿足用戶的使用體驗[7]。

2.3 基于SDN/NFV的5G移動通信網絡配置

要采用分片設計的理念和方法，在SDN技術和NFV技術的支持下進行5G移動通信網絡結構的優化設計，有效提升網絡容量。其動態配置的設計分析過程主要包括以下方面。

2.3.1 隧道數據傳輸配置分析

考慮用戶數據、信息傳輸以及用戶面數據等因素，進行隧道數據傳輸配置參數的合理設計，主要包括有傳輸用戶面板數據、TEID的數據傳輸、接口端的用戶數據、傳輸S1-U的面板數據、QoS參數以及TFT（數據過濾、數據包處理），從而有效實現數據處理功能，提高5G移動通信效果。

2.3.2 數據傳輸分析

主要對信息數據、控制器及數據傳輸進行調整，較好地實現數據緩存和數據查詢功能，從而提高5G移動通信網絡的承載效果[8]。

2.3.3 網關選擇功能分析

合理調整數據負載狀況、UE位置以及簽約信息，利用數據執行功能和SDN控制方式，進行上下文信息遷徙和數據處理，較好地保證網絡數據業務的連續性和完整性。

2.3.4 IP地址的動態參數設置分析

全面分析控制器中的IP地址分配和代理請求，進行信息回饋和快速反應，實現IP地址的數據信息調整和控制。

2.3.5 網絡接入及數據處理分析

在網絡數據接口及動態參數設計的過程中進行網絡切片設計，具體包括以下內容。（1）UHD切片設計。在限定區域內進行DU和5G核心（UP）的虛擬化處理，并實現核心云的同步處理。（2）物聯網切片設計。對于普通應用的物聯網而言，可以設計相對簡單高效的5G內核，但無法實現移動管理功能，對于重要目標的物聯網切片設計而言，要進行5G核心（UP）的虛擬化設定和處理，考慮不同的網絡服務功能和特征，實現信息數據的高效處理和傳輸，解決數據傳輸滯后的問題[9]。

3 基于SDN/NFV的5G移動通信網絡的發展趨勢

基于SDN/NFV的5G移動通信網絡要從云隨網動到網隨云動，使網絡更好地適應不同場景的復雜需求，強化邊緣計算的概念，注重業務云建設和網絡建設規模的緊密結合，實現云網融合。

3.1 虛擬化和云化

SDN和NFV技術以軟硬件的虛擬化設計為中心，進行移動通信數據的模擬化模擬、調整及控制。同時，要調整和控制云設施，進行網絡擴展、資源共享以及能耗控制，實現數據模擬和網絡數據傳輸。

3.2 業務遷移

5G移動通信網絡中SDN和NFV的部署應用要將現有網絡結構遷移到虛擬化平臺，進行各模塊業務的傳輸設計，如IMS和BoD的VoLTE業務，并通過軟硬件應用周期管理策略進行通信業務的集成化設計。

3.3 端到端業務優化

端到端業務編排和優化要以網絡結構虛擬化為前提，進行移動網絡架構的調整和數據傳輸調整，如數據導入調整和搜索引擎調整。

3.4 利用網絡切片實現業務隔離

通過FlexEth硬管道接口實現信道化能力，將同一物理接口上不同信道化子接口之間的帶寬進行隔離，使不同業務擁有各自所需的帶寬資源。同時，網絡端到端進行不同層次和場景的FlexE部署，支持網絡切片業務功能，能夠在匯聚環和接入環同時承載多種業務，實現不同業務帶寬的有效隔離[10]。

4 結 論

總之，需要不斷優化5G移動通信網絡的架構設計、網元功能設計以及接口設計，以滿足不同場景的復雜應用需求，從而提升5G移動通信網絡架構性能。