SDN和NFV在5G移动通信网络架构中的应用研究*

赵明宇，严学强

（上海贝尔股份有限公司，上海 201206）

SDN和NFV在5G移动通信网络架构中的应用研究*

赵明宇，严学强

（上海贝尔股份有限公司，上海 201206）

软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）是业界当前研究的热点。首先分析了现有移动通信网络存在的一些缺点，阐述了将SDN和NFV引入5G网络架构所带来的好处；其次，对国内外的SDN及NFV在移动网络架构方面的研究现状进行了综述，探讨了基于SDN/NFV的网络架构的设计思路；最后对基于SDN/ NFV的5G网络架构进行了初步探索，并提出了关键技术及面临的技术挑战。

软件定义网络 网络功能虚拟化 5G网络架构

1 引言

根据ABI Research等市场研究机构的报告显示，第五代移动通信（5G）网络将于2017年开始确定标准，2020年才会正式商用。不过，迫于网络流量持续高速增长的压力，以及出于对未来战略地位的考虑，产业界对5G的研究已经开始，5G的需求也逐渐显现。

近来，国内外相关组织先后启动了5 G的研究，如我国的IMT-2020推进组、欧盟的5G Public-Private Partnership（5G PPP）及其启动项目Mobile and Wireless Communications Enablers for the 2020 Information Society（METIS）、韩国的Korea 5G Forum以及日本的Association of Radio Industries and Businesses（ARIB）等。可以看出，为了在5G角逐中赢得先机，在各自政府的大力支持和推动下，各通信企业积极抢滩，开始以自己的战略影响新一代系统的需求定义，以确保其研发投入可转化为强大的5G专利地位。

国际电联（ITU）刚刚启动了面向5G标准的研究工作，当前各设备商和电信运营商纷纷公开了自己设想的5G概念，并已经开始对相关技术进行验证。因此，可以认为从国外到国内，从运营商到设备商，对5G的研究都已经迈出了第一步。这一系列的预研对行业达成技术共识至关重要，这也是行业巨头预测未来系统的核心技术要素并获取相关专利的关键时期。与采用正交频分复用（OFDM）和多输入输出（MIMO）技术为核心的4G系统相比，正在探索的5G技术，还没有各方达成共识的明确的核心层面的技术。因此，面向未来的无线和移动通信新技术将迎来新一轮的创新发展机遇。

2 移动核心网络架构现状及其发展趋势

目前移动用户的爆炸式增长、频率资源紧缺、数据传输速率的几何级数式增长需求、能源的巨大消耗以及网络的优化问题等都将是5G中亟待解决的核心问题。由于频谱资源的稀缺以及空口技术频谱效率提升空间也受限于香农极限，因此在5G系统的研究中，研究人员逐渐认识到网络架构对网络容量提升的重要性。而移动通信系统从2G、3G逐步演进到现在的LTE，相对于接入网技术的变革，核心网络架构并没有发生根本性的变化，具体如图1所示。

未来5G移动通信系统不管是从接入、运营还是业务需求等方面来讲，都对核心网络提出了新的挑战。从接入需求的角度分析，我国IMT-2020推进组认为5G关键能力体系将体现在100倍增长的巨量连接数，1 000倍的流量增长，至少100倍的数据传输速率，1ms的时延，高密度部署等方面[1-2]。从运营需求的角度分析，将面临每比特的能耗和成本压力，升级困难，扩展性差，资源利用率低，多网并存导致的管理、用户体验等问题。从业务需求的角度分析，网络服务的继承、提升及创新都要求更高的带宽，更低的时延，而虚拟运营方式的引入，要求能够提供更细粒度的划分及更灵活的策略控制、新业务的部署以及与第三方的合作。

虽然现有网络的性能已经有了极大的提升，但随着流量等的进一步激增，用户对网络性能的需求将进一步加大，使得网络的一些性能不能适应现在的发展，缺点不断暴露出来。如移动网络体系结构越来越复杂，设备臃肿，性能提升小；网络设备种类繁多，导致运营商升级困难，扩展性差；现有的接入技术之间还不能实现无缝切换；控制和转发紧耦合，数据面过于集中，而控制面过于分散，无线资源配置效率低；P-GW（分组数据网关）功能过分集中，导致设备极其昂贵，成本和收益形成剪刀差；P-GW造成路由迂回；单点失效导致整个系统的可靠性变差等[3-5]。

现有的这种垂直封闭的网络体系和耦合私有的网元架构，注定了路由、流量、传输性能等网络行为的不确定性，难以支持QoS，难以满足扩展性、安全性、可管、可控、可信任等要求。为此，亟需对体系结构进行变革，要求新的网络可以实现功能灵活部署、快速升级且易于扩展等。目前针对5G网络架构，有改进性和革命性2种路线。改进性路线希望基于现有网络，通过协议更新、网元改造等来适应网络的发展。革命性的路线考虑可以复制计算机领域的成功经验来解决现有网络所遇到的问题，认为将来的网络必将是这样的——底层的数据通路（交换机、路由器）是“哑的、简单的、最小的”，并定义一个对外开放的关于流表的公用的API，同时采用控制器来控制整个网络[6]。

图1 移动通信系统演进图

而IT领域涌现的新技术如云计算、虚拟化、软件定义网络（SDN）等，正不断对无线和移动通信技术产生重大的影响。如云计算技术在无线接入网中的应用（C-RAN）、虚拟化技术在EPC中的应用（vEPC）等都为革命性路线提供了有力的技术支持。国际主流运营商也开始考虑如何借助虚拟化技术和软件定义网络技术在电信网络中的应用，提升网络效率、降低网络CAPEX/OPEX，以实现移动网络高效的建设、扩容及运营，实现新网络能力的快速开发和新业务的灵活应用。

3 将SDN和NFV引入5G网络架构所带来的好处

SDN作为一种网络创新架构，具有以下显著特点：

1）控制与转发分离；

2）控制集中化；

3）使用广泛定义的软件接口[7]。

其核心是将网络设备控制面与数据面分离，只在网络硬件设备的底层保留转发功能，上层则可进行集中的控制功能，进而将网络的应用和功能都可编程化，即所谓的软件定义。

运营商借助开放的、可编程的SDN技术，可以部署通用的硬件和高级软件来替代昂贵的专业设备，令企业和运营商得以摆脱不同厂商种类繁杂的设备束缚。硬件设备的标准化，网络功能的虚拟化，使得网络更加开放和更具可编程能力，令运营商不再需要硬件升级即可进行网络和应用的革新，这极大地降低了运营商的资本支出和运维成本，也为运营商的网络架构创新和转型提供了良好的契机。控制的集中化，可以获得全网统一视图，从而实现了网络流量的灵活控制，网络资源的动态分配，大大增强了网络资源的使用效率，缩短了业务的开发部署周期，为系统级应用的创新及业务扩展提供了良好的平台。

SDN的这些突出特点，可以用来有效地定义未来网络，使得SDN在互联网和通信领域的应用前景被广泛看好。SDN技术在移动网络中使用，也必将使得移动网络基本功能的实现变得更加合理和高效，也使得网络的纵向融合成为可能，从而进一步简化网络，使其适应不断增长的接入速率。

SDN是由斯坦福大学的研究者提出的，NFV是由运营商联盟提出的，运营商希望在解决现有网络硬件设备复杂、笨拙、创新应用困难及不利于扩展等问题的同时，能够最大限度地利用他们已有的网络，以保护投资。为此提出了网络功能虚拟化的概念，通过使用基于行业标准的x86服务器、存储和交换机等通用性硬件，来取代通信网的那些私有专用的网元设备，基于这些通用设备，采用虚拟化技术，把多种网元设备的功能通过软件来实现[8]。从而在降低CAPEX和OPEX的同时可实现资源的灵活共享、按需部署及业务的快速创新等。

NFV的白皮书对SDN与NFV的关系做了如下综述：NFV和SDN有很强的互补性，尽管两者可以融合，但并不相互依赖，即NFV可以不依赖于SDN而另行部署[8]。SDN对网络架构重新定义，对控制面和用户面进行解耦，而NFV是对网元设备结构的重新定义，将网络服务从与专用硬件及位置的紧耦合关系中分离出来。SDN和NFV的网络架构对比如图2所示：

图2 SDN与NFV架构的对比

两者的互补性体现在SDN能增强NFV的兼容、易操作等性能，而NFV通过虚拟化及IT编排等技术能提高SDN的灵活性。

4 目标网络架构初探

当前，阿朗、IMT-2020、5G Forum、华为、中兴等多个公司、研究组织及论坛等相继发布了5G白皮书，阐述了各自对5G愿景及需求的理解。对于5G网络架构，大都处在提出初步设想并逐步进行仿真评估及样机试制等功能验证的阶段。

基于SDN、NFV等思想，初步设计的面向5G的移动通信网络架构如图3所示。

其设计思路如下：

（1）对网元功能进行分解

现有的网络封闭无序，有部分功能重复且冲突，需要对网络功能进行重新梳理和划分。首先就要实现控制与转发的分离及软件与硬件的解耦。通过控制与转发的分离，控制功能集中在SDN控制器之上，转发面可以采用标准的通用转发设备，成本优势明显，两者通过南向接口连接。控制面和转发面可以分别进行扩容或升级，更加灵活且高效。

通过软硬件解耦，将网元设备的各功能从专有硬件中分离出来，这样可以实现虚拟化。各功能通过软件实现，接口标准化并运行在高性能的基于x86的通用硬件平台上，通用设备成本低廉，能够为运营商节省巨大的投资成本。

（2）网络功能抽象

对现有各网元功能进行分解之后，需进行共性提取，逻辑化的抽象概括和封装，划分出不同子功能模块，各模块间接口标准化，便于功能重构。相对现有网络功能，分解后的网络功能模块将变多，接口和协议将有可能变得复杂，但相对已有网元内部各接口的私有化、软件化，组件化的网络功能模块将为运营商的业务部署带来便利和灵活性。

通过网络功能抽象，将网络功能模块化、组件化，各功能模块间采用开放的API接口，可以按照标准进行重新组织，使得新的网元功能以全网的视图，结合全局上下文，综合考虑用户多样的业务需求，提供最优的业务数据流传输与处理方法，从而增强全网的资源利用效率和网络服务能力。例如，不同接入系统的移动性管理存在共同的特征，将这些功能如切换管理、合法侦听、跟踪和寻呼、网络边缘设备选择等集中重组，可以实现面向异构接入系统的融合流移动性管理功能。

今天的互联网能够蓬勃发展，各式各样的创新层出不穷，这与互联网采用通用硬件平台，开放API接口给用户，降低用户参与创新的门槛有着极大的关系。因此，抽象网络功能并开放API给开发者，网络设计开发从以往的面向运营商转向更多地面向用户，使得运营商也能获得更多、更灵活的网络能力，从而克服现有网络因设备种类繁多而导致的升级困难、扩展性差、新业务成熟周期过长、增值服务创新难度大等缺点。

（3）网络功能重构

对开放接口的各功能子模块，进行灵活组合，可以实现现有网络的各个功能且每个组件相互独立，可动态伸缩，同时也可以根据未来新业务的创新及多样性需求，进行快速开发、测试和灵活部署，实现新的功能。这样资源可以充分灵活地共享并基于实际业务需求进行按需编排、自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。这是网络功能重新划分并抽象的主要目的。

电信网络借鉴吸收IT技术灵活快速的特点，5G时代的网络架构不应再是2G—4G的固定、封闭的架构，而应是基于虚拟化的技术。其采用模块化的功能组件、开放的API接口，能够按照业务的实际需求进行灵活组合，快速重构架构，如可针对某类业务、某个用户甚至某一种业务数据流的特定需求来提供网络资源和功能。

模块划分及重构不仅能组合实现现有的网络功能，也能够减持冗余的功能。如某些功能或业务达到了生命周期，也可以方便地退市。实际上，现有电路交换机的2 000多个功能仅用了不到1%[9]，基于模块化，运营商则可以按需选择，在节约投资的同时减少了冗余。

这里提出的5G网络架构图具有如下特性：

（1）从逻辑上看，控制面和数据面解耦。网络架构进一步扁平化，转发面下沉到了用户侧，控制面进一步集中，拥有全网视图，但在实际部署时，可以采用分布式部署。运营商能够灵活地选择网络中不同物理位置上的网络资源，即云化的网络服务和网络资源可以按需迁移。通过逻辑上集中、部署上可分布式的业务控制平面，对网络进行管控，屏蔽复杂物理网络的协议和交互，实现简易化的虚拟网络。

（2）网络功能从专用硬件中解耦出来。在网络侧实现网络功能的高度虚拟化，并在网络上构建抽象层，使得网络功能可以按需灵活部署及快速更新。网络业务编排、网络功能管理及虚拟网络架构管理等将是未来重点的研究方向。在无线侧，一些控制功能能够逻辑集中在无线控制器中，联合优化从而提高用户体验。无线控制器[10]的主要功能是调用基站的网元管理系统、控制空口相关的参数并进行无线资源分配。

（3）网络能力开放，即将底层网络的能力抽象为API接口提供给应用程序，促进业务和应用的创新。

基于SDN研究面向5G的移动通信网络架构，由于与传统的分散式控制、控制和转发紧耦合的网络架构不同，其在新型5G分组网络网元功能解耦及重构、虚拟化可编排、移动性管理机制、策略管理等多个方面将面临一定的挑战，需要进行创新性的研究。

5 结束语

本文基于SDN和NFV技术，并对现有网络采用解耦、抽象和重构的方法，提出了控制与转发分离、控制集中化、可编程的未来移动通信网络架构，对未来移动通信的网络架构进行了初步的探索。分析认为基于SDN和NFV的新型网络架构，不仅能有效克服现有网络的诸多缺点，同时还可满足未来不断增多的新业务对网络可编程和快速响应的要求。

[1] IMT-2020（5G）推进组. 5G愿景与需求白皮书[Z]. 2014.

[2] IMT-2020（5G）推进组. 5G概念白皮书[Z]. 2015.

[3] L E Li, Z M Mao, J Rexford. Toward Software-Defi ned Cellular Networks[C]. Software Defined Networking (EWSDN), 2012 European Workshop on, 2012: 7-12.

[4] Manner J, Heinonen J. A layer-2 approach for mobility and transport in the mobile backhaul[C]. ITS Telecommunications (ITST), 2011 11th International Conference, 2011: 268-273.

[5] James Kempf, Bengt Johansson, Sten Pettersson, et al. Moving the mobile Evolved Packet Core to the cloud[C]. IEEE 9th International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications (WiMob), 2012: 784-791.

[6] 百度百科. OpenFlow[EB/OL]. [2015-01-18]. http://baike.baidu.com/link?url=SCKo9gGishx 9xgrJEVgDJzogyIZHfZcrKdKfZfIcMeAxEw-NTgT1epCOK_0FBwOzarSIMX-ZTg3HYcujLZsDR_.

[7] ONF White Paper. Software-Defined Networking: The New Norm for Networks[Z]. 2012.

[8] Introductory White Paper. Network Functions Virtualization[C]. SDN and OpenFlow World Congress, 2013: 22-24.

[9] 人民邮电报. “去电信化”：摆脱禁锢 孕育新生[EB/OL]. (2013-01-17). http://www.cnii.com.cn/index/ content/2013-01/17/content_1042513_3.htm.

[10] Mark M, Clougherty Christopher A, White Harish Viswanathan Colin L, et al. SDN在IP网络演进中的作用[J]. 2014,30(5): 1-13.★

赵明宇：上海贝尔股份有限公司和上海交通大学联合培养博士后，主要研究方向为SDN、NFV、5 G、核心网络架构及无线光通信。

严学强：博士学位，上海贝尔股份有限公司战略部总监，主要研究方向为未来移动通信新技术、网络融合与演进。

Research on Application of SDN and NFV in 5G Mobile Communication Network Architecture

ZHAO Ming-yu, YAN Xue-qiang
(Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co., Ltd., Shanghai 201206, China)

Software defi ned networking (SDN) and network functions virtualization (NFV) are the current research focus in communication industries. First, some disadvantages of existing mobile communication network were analyzed and advantages of SDN and NFV applied in 5 Generation (5G) mobile network architecture were expounded in this paper. Second, research status of SDN and NFV in mobile network architecture at home and abroad was reviewed and design idea of network architecture based on SDN and NFV was discussed. At last, 5G network architecture based on SDN and NFV was investigated, and then some technical challenges and key techniques were presented.

software defi ned network network function virtualization 5G network architecture

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.14.013

TN929.5

A

1006-1010(2015)14-0064-05

赵明宇,严学强. SDN和NFV在5G移动通信网络架构中的应用研究[J]. 移动通信, 2015,39(14): 64-68.

上海市博士后科研资助计划（14R21420500）

2015-01-19

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn