基于SDR、SDN技術的5G網絡功能虛擬化技術

［鄒瑩］

基于SDR、SDN技術的5G網絡功能虛擬化技術

［鄒瑩］

快速多元化的市場需求給常規(guī)的移動寬帶網絡架構提出了巨大的挑戰(zhàn)。一方面，有限的機房空間以及電力供應不足等問題使得運營商網絡設備的數(shù)量無法成倍增長。另一方面，不同規(guī)格無線設備的網絡接入異質性導致管理和優(yōu)化方面費用非常高昂。文章提出了涉及不同技術的整體解決方案，即網絡功能虛擬化（NFV），軟件定義的無線電（SDR）和軟件定義的網絡（SDN）。同時，提出了4G/ 5G移動網絡擴展方向及幾個技術方向難題。

NFV SDR SDN 5G 4G

鄒瑩

碩士，畢業(yè)于廣東工業(yè)大學，現(xiàn)任廣州杰賽科技股份有限公司市場分析師，研究方向為通信網絡的發(fā)展趨勢，通信市場變化及發(fā)展趨勢。

1　引言

過去十年中，移動無線流量經歷了爆炸性的增長，很大程度上帶動了移動設備的更廣泛的應用。移動設備的應用場景從傳統(tǒng)的實時語音通信向社交網絡、娛樂和電子商務等方向拓展。移動設備的數(shù)量及數(shù)據(jù)流量不斷呈指數(shù)級增長。

到2020年，4G移動網絡的網絡功能將難以滿足移動數(shù)據(jù)的需求，這已經成為全球廣泛的共識。由于無線鏈路效率即將達到最大限制，因此未來系統(tǒng)要提升無線通信容量需要從改革和優(yōu)化組網方案和網絡架構方面入手。

由于高度多元化的接入技術，4G/5G無線網絡的特點就是異構性，因此通信運營商要求設備商提供高效節(jié)能的解決方案。基于以上的問題，本文介紹一個解決方案，包含網絡功能虛擬化（NFV），軟件定義的無線電（SDR）和軟件定義的網絡（SDN）。

2　技術介紹

首先，NFV使用標準的IT虛擬化技術將多種網絡設備類型整合為行業(yè)標準的高容量服務器、交換機和存儲設備。通過NFV技術，運營商可以將網絡上的現(xiàn)有設備轉化為標準設備進行管理［1］。不再需要為每一個新服務安裝硬件設備，只需要通過NFV技術將相應網絡功能分配給新服務需求，這將降低資本支出（CAPEX）及網絡運營管理支出（OPEX）。標準的網絡應用可以從硬件平臺遷移至另一平臺。

其次，SDR通過不同的軟件重新配置無線電實現(xiàn)多種模式。軟件可以被預加載在設備中，或者通過固定數(shù)據(jù)鏈路或空中下載。SDR技術已經被成功運用在軍事通信，最近也逐漸被民用電子產品市場引用［2］?？删幊痰腟DR解決方案可適應無線標準快速發(fā)展，支持無線標準在短時間內面向市場。

第三，SDN允許電信軟件開發(fā)人員可以像控制計算資源一樣控制網絡資源［3］。為了通過外部應用支持網絡可編程性，SDN通過接口設備解決了從控制平面到數(shù)據(jù)平面的分離，該接口位于集中控制器和數(shù)據(jù)包轉發(fā)中間。

一方面，軟件定義控制器功能作為控制面，該控制器邏輯上相當于網絡智能的核心。另一方面。網絡設備變成了簡單的分組轉發(fā)設備成為了數(shù)據(jù)平面。

本文研究在4G/5G移動網絡中將SDR、SDN和NFV整合的可能性。目標是減少設備成本和功耗，以及提升開放型和多用戶支撐。通過整合未來網絡的關鍵技術專注于智能化、低成本高性能的網絡。最后討論未來5G網絡若干關鍵技術和挑戰(zhàn)，如毫米波，大規(guī)模MIMO，異構網絡。

3　基于NFV，SDR，SDN技術的4G/5G網絡架構圖

圖1　網絡架構

圖1為NFV，SDR和SDN的整合結構圖。有了NFV技術，運營商可以通過標準的IT虛擬化技術來構建一個端到端的網絡基礎設施；通過軟件來實現(xiàn)網絡功能；通過在服務器安裝或者更新軟件包來新增或測試新網絡功能。網絡定義無線網（SDR）指的是發(fā)射端調制器由計算機生成或定義的無線通信。接收端可由計算機智能解調信號。SDR克服了硬件的缺陷，將控制功能和服務功能分離開。SDR技術提供設備和功能支持NFV架構，NFV則為SDN提供架構支撐。

NFV：NFV通過標準IT虛擬化技術將眾多網絡設備整合成為行業(yè)標準的大容量服務器、交換機、存儲設備，這些設備為局房數(shù)據(jù)中心、網絡節(jié)點、終端用戶等應用環(huán)境服務。網絡功能通過在虛擬設備中運營的軟件包來實現(xiàn)［4］。NFV可以指定新的機制來部署和運營網絡架構服務，用最小的成本達到快速配置和發(fā)布新功能的目的［5］。由圖1中可見NFV的分層架構，包含虛擬網絡功能，虛擬和物理基礎設施。這些模塊是標準化的未來目標。在圖中所示的體系結構框架重點展示網絡虛擬化及相關管理的必要功能。

SDR：無線通信系統(tǒng)中的組件一般通過硬件來實現(xiàn)，SDR可通過個人計算機或內置軟件系統(tǒng)來新增實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的組件。

SDR技術的靈活性和低廉的費用是通信進步的強勁驅動力。理想的SDR技術具有多個頻段、多模式以及開放架構。通過加載軟件獲得的功能可以提供各種無線通信服務?；镜腟DR平臺包括天線、多頻射頻（RF）模塊、寬帶A / D（D / A）轉換器、DSP處理器和其他外設。SDR將A/D和D/A置于RF附近，并用可編程的DSP或FPGA設備替換專用數(shù)字電路［6］?；谙鄬νㄓ玫挠布脚_，SDR可以通過軟件來實現(xiàn)各種網絡功能，從而達到將系統(tǒng)的硬件架構和系統(tǒng)功能的分離的目標［7］。該系統(tǒng)可以通過改變軟件處理模塊從而直接升級。

SDN：在SDR中的網絡控制功能與編程軟件無關，因此底層基礎設施可以抽象理解為應用程序和網絡設施，網絡視為邏輯或者虛擬存在的［8］。圖1左側部分即為SDN的架構。網絡智能功能整合在SDN控制器中。企業(yè)和運營商只需要接受SDN控制器的指令就可獲得整個網絡的自主控制權，而不再需要通過上千個協(xié)議標準的接口進行控制。隨著SDN控制器與網絡應用之間的API協(xié)議的開放，商業(yè)應用可以不用再受限于其具體配置細則，通過網絡服務和網絡性能就可以運營了［9］。現(xiàn)如今是應用定制化時期，SDN技術使得網絡不再受限于應用需求，而應用開發(fā)也不用再受限于網絡設備及網絡性能。因此，計算能力、存儲能力及網絡資源可進一步優(yōu)化。

在圖1的體系結構中，NFV可以增加運營商網絡服務的部署和集成的靈活性。NFV的目標可以通過SDN機制來達到，達成增強性能、簡化網絡部署兼容、降低運行維護成本等目標［10］。同時，NFV則提供基礎架構支撐SDN軟件運行。另外，SDR為移動網絡提供功能虛擬化功能。

4　未來的技術挑戰(zhàn)

4G/5G網絡將包含超高載頻、多種類型帶寬、巨量基站和設備以及天量的天線，核心網絡需要達到前所未有的靈活性和智能化。未來，以下關鍵技術可能將成為未來研究的重點方向。

（1） 毫米波

毫米波技術是適用于未來5G蜂窩系統(tǒng)的很有前途的技術。未來5G蜂窩網絡實現(xiàn)超高帶寬，從26.5到300GHz。此外，相比微波，毫米波的天線波束尺寸小得多，可以更精確的瞄準目標發(fā)射信號。毫米波對NFV提出了更高精度的設備需求。

（2） 大規(guī)模MIMO

未來的MIMO天線陣列將在現(xiàn)有MIMO天線的基礎上提升以下的功能：

① 增加10倍以上的容量，同時大幅提升輻射能耗性能。

② 低成本，低功耗的組件；

③ 大幅降低空中接口的延遲；

④ 魯棒性：減少人為或其他干擾；

⑤ 減少線性度和精度限制；

（3） 異構網絡

異構網絡是公認的應對LET-Advanced（LTE-A）網絡數(shù)據(jù)流量爆炸問題最可行的解決方案。在異構網絡中，不同的節(jié)點具有不同的傳輸功率，可以構成不同范圍的小區(qū)。異構網絡可以將不同網絡層充分利用。

在異構網絡中使用NFV、SDR和SNR技術時，不同網絡層之間的網絡接入技術和各種技術要求引發(fā)了一系列的問題和挑戰(zhàn)。技術需求主要體現(xiàn)在頻譜資源，網絡接入技術，業(yè)務需求，終端移動性和運營管理。特別是用戶可以通過SDR技術頻繁切換頻率，滿足高速率數(shù)據(jù)的需求，這將造成巨大的網絡維護和管理壓力。

5　總結

本文在網絡介紹了一種適用于4G/5G網絡的NFV、SDR和SDN集成架構，并進一步闡述了未來4G/5G網絡技術研究中的重點技術研究方向，包括毫米波，大規(guī)模MIMO，異構網絡。綜上，在未來移動網絡升級中，NFV，SDR和SDN將發(fā)揮重要的作用。

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