無線資源逼近“香農(nóng)極限”移動通信核心網(wǎng)需引入NFV

中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司上海分公司│王慧娟 何力毅

無線資源逼近“香農(nóng)極限”移動通信核心網(wǎng)需引入NFV

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未來的5G 移動通信系統(tǒng)無論是從連接、運(yùn)營，還是業(yè)務(wù)需求等方面，都對核心網(wǎng)絡(luò)提出了新挑戰(zhàn)。

目前，移動用戶爆炸式增長，頻率資源緊缺，數(shù)據(jù)傳輸速率需求呈現(xiàn)幾何級數(shù)式增長，能源的巨大消耗以及網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化問題等都成為需要解決的核心問題。

由于頻譜資源的稀缺以及空口技術(shù)頻譜效率提升空間受限于“香農(nóng)極限”，因此在5G系統(tǒng)的研究中，研究人員逐漸認(rèn)識到網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)容量提升的重要性。而移動通信系統(tǒng)從2G、3G 逐步演進(jìn)到現(xiàn)在的LTE ，相對于接入網(wǎng)技術(shù)的變革，核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并沒有發(fā)生根本性的變化。

未來的5G移動通信系統(tǒng)無論是從連接、運(yùn)營，還是業(yè)務(wù)需求等方面，都對核心網(wǎng)絡(luò)提出了新挑戰(zhàn)。從連接需求角度，我國IMT-2020推進(jìn)組認(rèn)為，5G關(guān)鍵能力體系將呈現(xiàn)巨幅增長。從運(yùn)營需求角度，5G將面臨每比特的能耗和成本壓力、升級困難、擴(kuò)展性差、資源利用率低，以及多網(wǎng)并存導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)管理、用戶體驗(yàn)等問題。從業(yè)務(wù)需求角度，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的繼承、提升及創(chuàng)新都要求更高的帶寬、更低的時延，而虛擬運(yùn)營方式的引入，則需要更細(xì)粒度的劃分和更靈活的策略控制，新業(yè)務(wù)的部署以及與第三方的合作。

未來，用戶對網(wǎng)絡(luò)性能的需求將進(jìn)一步加大，如果網(wǎng)絡(luò)能力不能滿足發(fā)展需求，缺點(diǎn)將不斷暴露出來。如移動網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、設(shè)備龐雜、性能提升空間?。痪W(wǎng)絡(luò)設(shè)備種類繁多，導(dǎo)致運(yùn)營商升級困難，擴(kuò)展性差；現(xiàn)有的接入技術(shù)還不能實(shí)現(xiàn)無縫切換；控制和轉(zhuǎn)發(fā)緊耦合，數(shù)據(jù)面過于集中，而控制面過于分散，無線資源配置效率低；P-GW功能過分集中，導(dǎo)致設(shè)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(diǎn)失效導(dǎo)致整個系統(tǒng)的可靠性變差等。

現(xiàn)有的這種垂直封閉的網(wǎng)絡(luò)體系和耦合私有的網(wǎng)元架構(gòu)，注定了路由、流量、傳輸性能等網(wǎng)絡(luò)行為的不確定性，難以支持QoS，難以滿足擴(kuò)展性、安全性、可管、可控、可信任等要求。為此，移動網(wǎng)絡(luò)需要對體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行變革，要求新的網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)功能靈活部署、快速升級且易于擴(kuò)展等。

而IT領(lǐng)域涌現(xiàn)的新技術(shù)如云計算、虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等，正不斷對無線和移動通信技術(shù)產(chǎn)生重大的影響。如云計算技術(shù)在無線接入網(wǎng)中的應(yīng)用（C-RAN）、虛擬化技術(shù)在EPC中的應(yīng)用（vEPC)等，都為網(wǎng)絡(luò)革新提供了有力的技術(shù)支持。

國際主流運(yùn)營商也開始考慮如何借助虛擬化技術(shù)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，提升網(wǎng)絡(luò)效率、降低網(wǎng)絡(luò)CAPEX/OPEX，以實(shí)現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)高效的建設(shè)、擴(kuò)容及運(yùn)營，實(shí)現(xiàn)新網(wǎng)絡(luò)能力的快速開發(fā)和新業(yè)務(wù)的靈活應(yīng)用。

圖1 基于NFV的核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)引入NFV是必然

NFV通過軟件和硬件的分離，為5G網(wǎng)絡(luò)提供更具彈性的基礎(chǔ)設(shè)施平臺，組件化的網(wǎng)絡(luò)功能模塊實(shí)現(xiàn)控制功能的重構(gòu)。NFV使網(wǎng)絡(luò)功能與物理實(shí)體解耦，采用通用硬件取代專用硬件，可以方便快捷地把網(wǎng)元功能部署在網(wǎng)絡(luò)中任意位置，同時對通用硬件資源實(shí)現(xiàn)按需分配和動態(tài)伸縮，以達(dá)到最優(yōu)的資源利用率，從而解決以下問題或滿足相應(yīng)需求。

1.專用硬件設(shè)備種類各異，數(shù)量眾多，如CSCF、AS、MGCF、MME、PCRF網(wǎng)元，異廠家硬件設(shè)備不能通用。

2.專用硬件設(shè)備容量部署缺乏彈性，設(shè)備利用率不高。

3.硬件生命周期趨短，更新?lián)Q代加速，導(dǎo)致核心網(wǎng)復(fù)合CAPEX增加。

4.虛擬化提供自動化管理，通過資源池的方式對網(wǎng)元進(jìn)行擴(kuò)容、縮容，提供更好的靈活性。

5.減少新業(yè)務(wù)的部署時間。

6.對純軟件商開放，引入新的競爭；引入更多的硬件廠商，提高運(yùn)營商定價話語權(quán)。

7.虛擬化平臺提供新業(yè)務(wù)、新應(yīng)用驗(yàn)證的創(chuàng)新環(huán)境。

8.提供多租戶及虛擬運(yùn)營粒度的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。

核心網(wǎng)虛擬化演進(jìn)方案

網(wǎng)元功能虛擬化

對現(xiàn)有各網(wǎng)元功能進(jìn)行分解，并進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化，便于功能重構(gòu)。通過網(wǎng)絡(luò)功能抽象，將網(wǎng)絡(luò)功能模塊化、組件化，各功能模塊間采用開放的API接口。對開放接口的各功能子模塊，進(jìn)行靈活組合。核心網(wǎng)的網(wǎng)元功能虛擬化能夠帶來充分競爭的軟硬件生態(tài)環(huán)境，以資源池的形式提高設(shè)備的利用率及部署彈性和靈活性，為運(yùn)營商提供自動化的管理環(huán)境，減少網(wǎng)絡(luò)功能部署時間，提供隔離的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新環(huán)境，從長遠(yuǎn)角度降低CAPEX和OPEX（如圖1）。

分組域網(wǎng)關(guān)控制轉(zhuǎn)發(fā)分離

通過SDN技術(shù)將分組域網(wǎng)關(guān)的控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分離，使用通用轉(zhuǎn)發(fā)面，一方面為核心網(wǎng)長期平滑演進(jìn)提供創(chuàng)新環(huán)境，同時兼容多種移動性管理隧道協(xié)議；另一方面控制面剝離并集中，將網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜功能旁路；便于推動匯聚網(wǎng)關(guān)的固移融合，提供未來5G核心網(wǎng)演進(jìn)新思路（如圖2）。

基于SDN的Gi-LAN Service Chaining

基于SDN的Gi-LAN Service Chaining提供了一個即插即用的增值業(yè)務(wù)及復(fù)雜流處理平臺，一方面提高增值業(yè)務(wù)box部署及變更的靈活性，容量使用及個性化業(yè)務(wù)組合，徹底消除網(wǎng)關(guān)配置及功能的復(fù)雜性；另一方面提供根據(jù)用戶特性、網(wǎng)絡(luò)特性、業(yè)務(wù)特性三維策略設(shè)計流傳輸路徑的能力，為數(shù)據(jù)時代運(yùn)營商提升管道價值提供新手段（如圖3）。

圖2 分組域網(wǎng)關(guān)控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分離

圖3 基于SDN的Gi-LAN Service Chaining

完成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)現(xiàn)狀、廠家設(shè)備路標(biāo)及支持情況的調(diào)研工作，正在準(zhǔn)備基于SDN的Gi-LAN Service Chaining的實(shí)驗(yàn)室測試，對該技術(shù)開展摸底評估。

上海聯(lián)通VoLTE NFV部署方案

上海聯(lián)通借助VoLTE商用網(wǎng)絡(luò)的部署，對控制網(wǎng)元進(jìn)行階段性的虛擬化建設(shè)。根據(jù)上海聯(lián)通的現(xiàn)網(wǎng)情況，對移動核心網(wǎng)進(jìn)行NFV化的步驟建議。

第一階段：首先對NFV技術(shù)進(jìn)行測試驗(yàn)證和架構(gòu)驗(yàn)證，在IMS域進(jìn)行NFV技術(shù)試點(diǎn)，同時積累NFV部署經(jīng)驗(yàn)，第一階段在2016年底之前完成。

第二階段：穩(wěn)定平臺，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)平穩(wěn)遷移。實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)向NFV遷移，構(gòu)建業(yè)務(wù)編排能力，提升業(yè)務(wù)上線效率，第二階段在2018年底之前完成。

第三階段：實(shí)現(xiàn)全面云化。實(shí)現(xiàn)NFV自動化編排，第三階段在2019年底之前完成。

核心網(wǎng)虛擬化面臨的問題

雖然在核心網(wǎng)中引入NFV技術(shù)具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是核心網(wǎng)虛擬化依然面臨一些技術(shù)難點(diǎn)。

云管理平臺

虛擬化技術(shù)經(jīng)過在IT領(lǐng)域的實(shí)踐和完善，已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是當(dāng)其應(yīng)用到電信網(wǎng)中,其性能及可靠性仍需要做進(jìn)一步改進(jìn)。虛擬化不僅是將網(wǎng)元功能的虛擬化部署，更重要的是基于虛擬化的云管理，如虛擬機(jī)的創(chuàng)建更新遷移、虛擬資源的管理及分配、與OSS/BSS接口對接、不同廠家云平臺與不同的hypervisor的兼容性等。

系統(tǒng)集成

核心網(wǎng)引入虛擬化技術(shù)后，軟件和硬件可以由不同廠家提供，而且增加了Hypervisor中間件。這導(dǎo)致電信設(shè)備商提供網(wǎng)絡(luò)功能的方式發(fā)生改變，即整個軟件功能，中間件和硬件的適配由誰來做，設(shè)備如何接受等問題。而且中間件的引入也會為系統(tǒng)的Troubleshooting帶來影響。

虛擬化數(shù)據(jù)面性能

NFV將數(shù)據(jù)面虛擬化作為其目標(biāo)之一。目前廠家廣泛采用Intel DPDK加速包處理來提高x86平臺上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率，但是其性能及與專用芯片相比仍待驗(yàn)證。此外使用Intel專用加速包及加速網(wǎng)卡的影響仍需評估。相關(guān)數(shù)據(jù)面網(wǎng)元的虛擬化技術(shù)成熟仍需時日。

運(yùn)營模式

核心網(wǎng)虛擬化后，將不同于傳統(tǒng)的基于硬件平臺的網(wǎng)絡(luò)，也不同于IT的云計算中心，其規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維、性能、容災(zāi)、管理等方面都沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)，需要提前熟悉，收集經(jīng)驗(yàn)。

流量工程影響

核心網(wǎng)單節(jié)點(diǎn)虛擬化除了對網(wǎng)元設(shè)備形態(tài)有所改變，對承載及流量工程并沒有太大影響。虛擬化的節(jié)點(diǎn)仍部署在原來位置。當(dāng)核心網(wǎng)網(wǎng)元以集中的方式虛擬化后，尤其是數(shù)據(jù)面網(wǎng)元也采用集中的方式部署，則集中的云節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量形式將不同于傳統(tǒng)電信網(wǎng)的樹級匯聚的流量形式，需要重新考慮承載的設(shè)計及流量工程。

編輯｜張鵬 zhangpeng@bjxintong.com.cn