5G移动核心网虚拟化探讨

    王宇 孙元义

    【摘?要】针对移动互联网发展造成的网络高负荷与运营商高成本问题日益突出的情况，对网络功能虚拟化概念及其相关实现技术进行分析，指出了移动核心网虚拟化面向未来移动核心网对高效、大容量组网能力需求，并针对移动核心网虚拟化演进架构趋势进行探讨。

    【关键词】移动核心网 ;软件定义网络;网络功能虚拟化

    Discussion on Virtualization of 5G Mobile Core Network

    Wang Yu，Sun Yuan-yi

    （Tianyuan Ruixin Communication Technology Co.， Ltd?Xi'an?Shanxi?710119）

    【Abstract】According to the development of mobile Internet， this paper analyzes the concept of network virtualization and its technological evolution， points out that the virtualization of mobile core network faces the future mobile core network's ability needs for efficient and large-capacity network， and discusses the evolution trend of mobile core network virtualization.

    【Key words】Move the core network;Software definition network;Network Function Virtualization

    1. 引言

    （1）2017年12月21日，在國际电信标准组织3GPPRAN第78次全体会议上，5GNR首发版本正式发布。目前，第五代网络通讯技术（5G）已经成为全球研发的焦点，可以预见在2020年，网络通信技术将会进入5G时代。为了能够推动通信网络技术创新和发展，在网络通信领域掌握前沿技术，我国已经全面开启了5G网络通信技术的研发工作，包括5G的核心网架构、网络传输性能以及实际应用评估等，积极推动5G网络通信技术的发展和普及应用。

    （2）随着智能终端的普及和移动互联网业务的井喷式发展，网络中的流量和信令一直处于的爆炸性增长，对网络容量和性能本身提出了更高的要求。然而，运营商的收入和利润却并不能随着网络中的流量而大幅增长，甚至是出现负增长，形成著名的收入和成本的“剪刀差”现象。究其原因，运营商的业务重心已经由语音短信向高速数据业务迁移，高速发展的移动宽带业务给网络造成了巨大的负荷压力。为了应对网络日益增长的数据流量，运营商不得不加大投资力度，缩短建设周期，对移动网络进行新建、升级或者改造，造成了巨额的网络资本支出（CAPEX，Capital Expenditures）及运营成本（OPEX，Operational Expenditures）。

    （3）如何有效地提高网络管理灵活性和设备的利用率、降低网络运维成本，这是移动宽带时代各运营商必须正视并认真思考的问题。传统以专有硬件为主导的设备产品架构、基于预先规划的建设模式，已经难以适应未来高速数据业务发展的要求，需颠覆传统电信设备的认识理念并利用新的技术理念来支撑新的业务模式对网络资源有定制化的诉求，包括设备形态、配置管理、扩容升级等方面，以推动网络向基于云化、开放的网络架构演进。

    2. 5G核心网虚拟化架构技术实现

    2.1?软件定义网络。

    （1）软件定义网络（Software Defined Network，SDN），是一种创新网络架构，它利用分层模式将网络控制面与数据面分离。网络控制面包含具有逻辑集中化的可编程控制器，通过其掌握的网络全局信息，为运营商和科研人员提供管理配置网络和部署新协议的能力，其核心技术Open Flow，它为5G网络带来了灵活性和可编程性，通过Open Flow将5G网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制。

    （2）5G核心网构架主要分为应用层、控制层和网络基础设施层三个部分。应用层主要包括各种不同的商业应用和业务功能;控制层通过SDN软件主要负责处理平面资源的编排，维护网络拓扑、信息状态等并通过API（Application Programming Interface，应用程序编程接口）与应用层进行互联;网络基础设施层主要进行网络信息数据的收集、处理以及转发功能。控制层与网络基础设施层之间的接口以及应用层与控制层之间的接口是5G核心网构架的重要组成部分，根据网络接口与控制层的位置关系，控制层与网络基础设施层之间的接口称为南向接口，应用层与控制层之间的接口称为北向接口，南向接口具有开放性的Open Flow标准，实现转发设备的标准化和开放化。

    （3）5G核心网络架构主要技术特征，包括接入网侧通过控制面与数据面分离，实现覆盖与容量的分离或者部分控制功能的抽取，通过簇化集中控制实现无线资源的集中式协调管理，核心网则主要通过控制面与数据面分离以及控制面集中化的方式实现本地分流、灵活路由等功能。

    （4）5G网络软件和硬件解耦为特点的网络功能虚拟化技术相结合，能够有效满足核心网构架的技术特征，使5G网络具备开放能力、可编程性、灵活性以及可扩展性。此外，通过云计算技术和用户体验大数据分析，实现5G网络和业务的深度融合，使5G网络具备用户行为和业务感知能力，更加具有智能化特征。

    2.2?移动核心网虚拟化。

    （1）传统移动核心网架构组成网元根据所执行主要功能可以划分为如下几类：控制面、用户面和用户数据三类网元。其中，控制面网元包括MME/SGSN、PCRF;用户面网元包括S-GW、P-GW;用户数据网元包括HSS。控制面设备主要处理移动性管理、会话管理等功能，以控制信令交互为主;用户面设备则主要处理用户数据的交换与转发、计费数据处理等功能，同时接受控制面设备信令控制;用户数据网元则存储用户签约静态数据，以类似于数据库操作为主，同时接受控制面设备信令控制。

    （2）移动核心网通过NFV技术实现网元在同一硬件平台上的部署，尤其适合控制面网元设备主要处理控制信令，由于COTS服务器计算能力较强，适合处理状态转移和信令交互等流程。

    （3）移动核心网向NFV方向演进时，所有网元将统一部署于通用服务器硬件（H/W）之上，通過虚拟化层抽象为归一化虚拟资源提供给上层移动核心网网元软件应用调用。其中，对于用户面设备，针对处理用户高速数据，需要对其进行必要的硬件加速功能，如通过Intel的DPDK套装或者SR-IOV绕过虚拟化层直接调用硬件资源，提高COTS服务器上的吞吐量性能。

    （4）考虑到未来NFV与SDN技术的结合，移动核心网虚拟化的网元在部署到统一的数据中心以实现集中化部署，提供网

    络的运维效率，同时将控制面与转发面分离。架构中的控制面网元通过南向接口控制通用转发面交换机完成用户数据的转发和疏导，有利于实现全网的统一高效的管理和控制策略以及控制面/转发面的可扩展性，实现从封闭黑盒的网络走向开放可编程的移动软网络。

    3. 结束语

    综上所述，当代通信技术的发展，改变了人们的工作方式与生活习惯，移动通信网络即将进入5G时代，适应高速和高效网络要求的通信技术，不仅会给通信运营商带来更大的收益，还会给用户带来更加优质的通信体验。随着流量爆炸的移动互联网时代来临，面对如何降低网络部署成本，加强网络资源的可扩展性和运维的灵活性，提供多租户、虚拟运营的网络服务能力等方面重要挑战，NFV、SDN等技术在ICT融合背景下开始成为影响未来通信业发展的关键因素之一。相信随着5G技术在全球范围内的不断延伸，人们的生活方式将会得到质的改变。

    参考文献

    [1]?杨峰义，张建敏，谢伟良，王敏，王海宁.5G蜂窝网络架构分析[J].电信科学，2015，31（05）.

    [2]?向波.5G无线网络及其关键技术[J].电子技术与软件工程，2018（13）.

    [3]?王德文.基于云计算的电力数据中心基础架构及其关键技术[J].电力系统自动化，2012，36（11）：67～71.

    [4]?刘成明、陈赤航、张云勇，等.软件定义网络技术及应用[M].北京：人民邮电出版社，2013：98～102.