5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)及核心網(wǎng)架構(gòu)

文/何峰賦

面對(duì)5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)日趨多樣化、差異化的通信場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求，需要探討5G移動(dòng)通信核心網(wǎng)架構(gòu)及移動(dòng)性關(guān)鍵新技術(shù)，引入軟件靈活定義的去中心化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并提出移動(dòng)性驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切片MDNS技術(shù)、5G切片高速通信技術(shù)和邊緣緩存技術(shù)，結(jié)合5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)部署特點(diǎn)和回傳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?shí)現(xiàn)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化，提升5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶體驗(yàn)。

1 5G移動(dòng)通信核心網(wǎng)架構(gòu)分析

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部署要根據(jù)業(yè)務(wù)的峰值容量進(jìn)行資源的配置，存在網(wǎng)絡(luò)資源過(guò)度配置而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞的現(xiàn)象，原有的網(wǎng)絡(luò)集中控制和集中路由無(wú)法適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的實(shí)際變化需求，也無(wú)法使邊緣存儲(chǔ)和邊緣計(jì)算獲得良好的支撐。為了更好地應(yīng)對(duì)用戶及業(yè)務(wù)的需求，要改變?cè)芯W(wǎng)絡(luò)設(shè)備及架構(gòu)的固化問(wèn)題，可以采用一種軟件定義去中心化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)SoftNet，進(jìn)行5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的智能化自定義，動(dòng)態(tài)激活和靈活部署5G網(wǎng)絡(luò)的功能，進(jìn)行網(wǎng)關(guān)錨點(diǎn)的動(dòng)態(tài)分配和資源的統(tǒng)一調(diào)度，較好地提升5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率。

1.1 設(shè)計(jì)原則

在5G移動(dòng)通信核心網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要秉持以下理念和原則：

1.1.1 適應(yīng)性

面對(duì)不同特征的通信場(chǎng)景，必須采用軟件定義去中心化的核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以動(dòng)態(tài)地適應(yīng)不同的通信場(chǎng)景，提升5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性和功能。

1.1.2 高效性

通過(guò)采用軟件定義去中心化的核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，有效提升5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，規(guī)避和解決高信令開銷、低效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及高傳輸時(shí)延的缺陷。

1.1.3 可擴(kuò)展性

通過(guò)引入軟件定義去中心化的核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，可以靈活高效地支持新業(yè)務(wù)，滿足5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的需求，進(jìn)行新業(yè)務(wù)的快速靈活部署和快速響應(yīng)。

1.1.4 簡(jiǎn)化功能

5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)的軟件定義去中心化架構(gòu)支持移動(dòng)性管理和轉(zhuǎn)發(fā)隧道管理，基于大量的網(wǎng)元功能及通信協(xié)議的前提，可以實(shí)現(xiàn)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化，避免5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)功能冗余的問(wèn)題。

1.2 5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)SoftNet的邏輯架構(gòu)及功能分析

5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)采用軟件定義去中心化的SoftNet的非集中式網(wǎng)絡(luò)控制方式，有效提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性，主要由統(tǒng)一接入網(wǎng)和基于SDN的核心網(wǎng)構(gòu)成，其中：統(tǒng)一接入網(wǎng)的無(wú)線接入點(diǎn)均連接到核心網(wǎng)邊緣的本地接入服務(wù)器LAS上，通過(guò)任意無(wú)線接入點(diǎn)服務(wù)的移動(dòng)終端或LAS上的分布式網(wǎng)關(guān)，進(jìn)入到核心網(wǎng)中進(jìn)行訪問(wèn)?；赟DN的核心網(wǎng)主要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理和通信控制管理，由軟件的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理、QoS控制和網(wǎng)絡(luò)管理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制，提供網(wǎng)絡(luò)管理策略，并動(dòng)態(tài)決定QoS控制的參數(shù)。同時(shí)，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理的過(guò)程中，要重點(diǎn)關(guān)注移動(dòng)性錨點(diǎn)的具體位置和部署方式，可以將LAS作為分布式網(wǎng)關(guān)部署于接入網(wǎng)之中，支持分布式移動(dòng)性管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)異構(gòu)接入網(wǎng)絡(luò)無(wú)線資源的多接入?yún)f(xié)調(diào)和統(tǒng)一調(diào)度，有效實(shí)現(xiàn)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性事件管理，包括位置管理和切換管理，并通過(guò)對(duì)分布式網(wǎng)關(guān)的控制和管理，實(shí)現(xiàn)本地流量卸載。

2 5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的應(yīng)用分析

2.1 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)

5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的NFV技術(shù)是重要的關(guān)鍵技術(shù)，主要涵蓋有以下內(nèi)容：

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化組件（NFVI）

由虛擬機(jī)和服務(wù)器等物理資源進(jìn)行具體功能模塊的封裝和承載，進(jìn)行數(shù)據(jù)的底層傳輸、存儲(chǔ)和計(jì)算的資源支撐。

2.1.2 虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能（VNFs）

采用NFV軟件技術(shù)進(jìn)行部署，具體執(zhí)行某一特定功能，諸如：域名解析系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、防火墻等。

2.1.3 NFV編排管理

要合理確定所需的多個(gè)VNF的數(shù)量及連接關(guān)系，明晰多個(gè)VNF在服務(wù)鏈中的排列方式，并通過(guò)底層NFVI構(gòu)建服務(wù)鏈，較好地實(shí)現(xiàn)特定切片網(wǎng)絡(luò)的具體功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源的移動(dòng)性管理。

2.2 5G切片中的高速通信技術(shù)

2.2.1 采用基于軟件OVS的虛擬機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

2.2.2 基于硬件OVS的虛擬機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

由于基于軟件OVS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)難以滿足低時(shí)延、低能耗的通信需求，包頭解析模塊對(duì)嵌套幀的解析流程過(guò)于繁瑣，為此，要引入基于硬件OVS的虛擬機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過(guò)FPGA開發(fā)板的以太網(wǎng)光接口和PCIe接口進(jìn)行硬件轉(zhuǎn)發(fā)，其功能模塊主要包括有：

（1）管理模塊。該模具具有對(duì)數(shù)據(jù)包與控制命令的區(qū)分功能，可以從控制層面經(jīng)PCIe到硬件轉(zhuǎn)發(fā)層面，對(duì)數(shù)據(jù)包和流表模塊命令等下行數(shù)據(jù)進(jìn)行新的封裝和承載，從硬件轉(zhuǎn)發(fā)層面經(jīng)PCIe到控制層面，對(duì)上行數(shù)據(jù)進(jìn)行信息讀取和發(fā)送。

（2）預(yù)處理模塊。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包類型的區(qū)分，提取不同數(shù)據(jù)包的關(guān)鍵字信息，并將其發(fā)送給流表模塊，將原始數(shù)據(jù)緩存于RAM之中，具體處理流程為：數(shù)據(jù)包類型偵測(cè)——關(guān)鍵字提取。

（3）流表模塊。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)流表項(xiàng)的維護(hù)，包括流表項(xiàng)的新增、刪除、查詢和修改等，并對(duì)關(guān)鍵字進(jìn)行流表項(xiàng)匹配，較好地優(yōu)化流表結(jié)構(gòu)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(jìn)行操作，進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的字段修改、丟棄、轉(zhuǎn)發(fā)等。

（5）發(fā)送模塊。主要是將操作模塊修改的數(shù)據(jù)包發(fā)送至對(duì)應(yīng)的端口。

“所謂混合式學(xué)習(xí)就是要把傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的優(yōu)勢(shì)和網(wǎng)絡(luò)化學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，也就是說(shuō)，既要發(fā)揮教師引導(dǎo)、啟發(fā)、監(jiān)控教學(xué)過(guò)程的主導(dǎo)作用，又要充分體現(xiàn)學(xué)生作為學(xué)習(xí)過(guò)程主體的主動(dòng)性、積極性與創(chuàng)造性”（何克抗教授）。李克東教授進(jìn)一步指出，混合式學(xué)習(xí)形式上是在線學(xué)習(xí)與面對(duì)面學(xué)習(xí)的混合。但其更深層次是包括了基于建構(gòu)主義、行為主義、認(rèn)知主義等不同教學(xué)理論的教學(xué)模式混合。教師主導(dǎo)活動(dòng)和學(xué)生主體參與活動(dòng)的混合，課堂教學(xué)與在線學(xué)習(xí)不同學(xué)習(xí)環(huán)境的混合，不同教學(xué)媒體和教學(xué)資源的混合，自主學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)不同學(xué)習(xí)方式的混合，課堂講授和虛擬教室的混合。

（6）PCIe數(shù)據(jù)分發(fā)模塊。該模塊主要實(shí)現(xiàn)回復(fù)命令和數(shù)據(jù)的區(qū)分，并通過(guò)PCIe接口進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的上發(fā)，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)選擇，使之進(jìn)入到PCIe通道的隊(duì)列之中，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸。

基于硬件OVS的虛擬機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)主要采用兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，即：Vxlan多字段偵測(cè)技術(shù)和優(yōu)化軟硬件交互模式，其中：Vxlan數(shù)據(jù)幀是在普通以太網(wǎng)幀包頭中添加4個(gè)字節(jié)的Tag字段，通過(guò)一次性獲取Vxlan幀的外層以太網(wǎng)、IP、UDP包頭及Vxlan內(nèi)部幀包頭，進(jìn)行多字段的同時(shí)快速驗(yàn)證和偵測(cè)，獲取內(nèi)部數(shù)據(jù)。優(yōu)化軟硬件交互模式則在當(dāng)發(fā)送方累積到一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包之后，進(jìn)行DMA傳輸，規(guī)避數(shù)據(jù)累積時(shí)延與中斷時(shí)延的矛盾。

2.2.3 硬件OVS在5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

為了解決覆蓋多應(yīng)用場(chǎng)景、多業(yè)務(wù)需求，可以采用硬件OVS降低數(shù)據(jù)包在虛擬機(jī)之間的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，實(shí)現(xiàn)硬件轉(zhuǎn)發(fā)層面的流表控制、流表緩存和驅(qū)動(dòng)管理，可以將硬件OVS嵌入到5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的DU處，實(shí)現(xiàn)5G前傳網(wǎng)絡(luò)接入流量在切片內(nèi)多個(gè)虛擬機(jī)的疏導(dǎo)和傳送。也可以將硬件OVS嵌入到5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的CU處，合理區(qū)分不同類型的業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)的定制化處理，有效提升CU中虛擬機(jī)之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)效率。

2.3 5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣存儲(chǔ)技術(shù)

緩存策略是5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)，主要涵蓋以下內(nèi)容：

2.3.1 CDN緩存

該緩存技術(shù)將分發(fā)任務(wù)卸載到副本服務(wù)器，降低源服務(wù)器載荷，并將內(nèi)容部署在臨近用戶的位置，減少用戶訪問(wèn)時(shí)延，提升內(nèi)容的可用性，有效緩解網(wǎng)絡(luò)的擁堵現(xiàn)象。

2.3.2 基站緩存

可以在現(xiàn)有的宏基站（MBSs）和微基站（SBSs）進(jìn)行緩存部署，替代原有的網(wǎng)絡(luò)回程鏈路，使之成為沒有回程鏈接的微基站，進(jìn)行用戶內(nèi)容的靈活高效分發(fā)服務(wù)和部署，有效緩解5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中回程鏈路的擁堵問(wèn)題，提升5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的能效。

2.3.3 終端設(shè)備緩存

可以根據(jù)既有的信息進(jìn)行用戶內(nèi)容的推送，也可以依據(jù)用戶偏好信息，進(jìn)行基站主動(dòng)下載用戶內(nèi)容并傳送給用戶，有效改善移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中用戶的體驗(yàn)質(zhì)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(wǎng)絡(luò)的帶寬，降低網(wǎng)絡(luò)端到端的延遲。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)不斷成熟和發(fā)展，面對(duì)日益復(fù)雜多元化的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求，要不斷優(yōu)化5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，提出集中控制與分布控制相結(jié)合的移動(dòng)性網(wǎng)絡(luò)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，如：網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)、5G切片中的高速通信技術(shù)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣存儲(chǔ)技術(shù)等，較好地改善用戶的網(wǎng)絡(luò)通信體驗(yàn)質(zhì)量，拓寬網(wǎng)絡(luò)通信范圍，提升網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備傳輸效率。