基于NFV与SDN的未来接入网虚拟化关键技术

孙 茜 田 霖 周一青 石晶林

引言

移动网络运营商在部署网络时以传输的峰值速率为目标，由于业务传输需求的时空差异性，均值速率往往远低于峰值速率，网络设备大多数时间有部分闲置。在网络演进过程中存在通信制式共存的现象，早期制式的网络传输速率需求逐步减少，并最终被新一代制式取代，被取代制式的软硬件资源需要以新的方式应用。当前无线网络架构的问题为业务均峰比低带来的资源闲置、网络演进制式共存带来的异质资源无法共享、网络演进带来的软硬件资源重利用困难。为提高资源利用率、解决网络演进中的问题，新型集中式无线接入网受到广泛关注，其中比较典型的有中科院计算所提出的超级基站(Super Base Station，SBS)[1-2]等，主要包括三个组成部分：由远端无线射频单元(Remote Radio Head, RRH)和天线组成的分布式无线网络；由高带宽低延迟的光传输网络连接远端无线射频单元；由高性能处理器和实时虚拟技术组成的集中式基带处理池[3]。如图1所示。

图1 C-RAN白皮书中网络构架

为实现集中式接入网中功能的灵活配置、资源的高效共享与网络的智能管控，虚拟化技术成为国内外学术与工程界关注的热点。开放网络基金会(Open Network Foundation, ONF)与欧洲电信标准协会(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)正在积极推进软件定义网络(Software-Defined Network, SDN)[4]与网络功能虚拟化(Network Function Virtualization, NFV)[5]架构、标准与应用方面的工作，并与国内外公司合作开发虚拟化技术的开放实验平台与产品。当前，已有研究讨论基于虚拟化技术的移动通信核心网设计[6-7]与资源智能管控关键技术[8-9]，但针对接入网中虚拟化技术的研究还处于起步阶段。本文将从无线接入网虚拟化概述、接入网架构虚拟化技术、虚拟化关键技术等方面对集中式接入网虚拟化方面的相关研究进行概述。

1 无线接入网虚拟化概述

在计算机科学中，虚拟化是一种表现逻辑群组或计算资源子集的过程，用比原来的组织更好的方式来使用资源，虚拟资源不受现有资源的架设方式、地域和物理形态所限制[10]。本质上，虚拟化对物理资源进行组织为上层提供应用需要的逻辑形态，以更高效、更灵活的方式使用资源。

虚拟化技术在计算机领域已经得到广泛应用，例如虚拟计算机、虚拟化操作系统、虚拟网络设备等，其中共同特点是底层硬件的无关性。在集中式接入网架构中资源的虚拟化将物理存在的资源进行各种方式的抽象，具有同样的特征。结合移动通信系统的特点，虚拟化可以分为以下几类：从资源角度分为计算资源的虚拟化与无线资源的虚拟化；从需求的角度分为面向小区级的虚拟化与面向服务流的虚拟化；从虚拟化层次的角度分为设备级虚拟化与网络级虚拟化。下面根据未来移动网络功能(如图2所示)进一步解释上述虚拟化分类。

1)业务需求预测与服务能力需求。采用用户服务预约、历史业务量统计、服务习惯分析与突发模拟等方法预测即将到来的一段时间内业务的需求，再利用映射函数将业务需求转化为服务能力需求，即数据速率需求的时空图谱。

图2 未来移动网络功能示意图

2)无线资源网络拓扑。基于数据速率需求时空差异性、RRH分布、终端分布、终端与RRH的位置关系等，规划网络拓扑，确定服务终端的RRH，协同分配RRH传输业务的无线频谱资源，构建虚拟基站及其虚拟功能模块。满足数据速率时空传输需求，同时，对RRH进行全局优化协同分配无线频谱资源，实现资源的高效利用。

3)计算资源需求。利用映射函数将虚拟基站、虚拟基站功能的部署需求转化为计算资源的分配需求以及实时性等指标需求。

4)无线资源管理与计算资源管理。无线资源管理根据虚拟基站部署与无线资源配置分配管理无线资源，并进行周期性的更新；计算资源管理根据计算资源分配与指标需求智能管理计算资源。

无线资源虚拟化主要研究业务需求预测、服务能力需求映射、无线网络拓扑规划与资源分配以及无线资源的管理，实现对无线资源的共享；计算资源虚拟化主要研究计算资源需求映射以及计算资源的管理，实现对计算资源的共享；面向小区级的虚拟化与面向服务流的虚拟化从需求角度出发，对图2中功能进行区别设计，直接影响无线资源虚拟化；设备级虚拟化解决硬件功能软件化、专用模块通用化的问题；网络级虚拟化基于集中式网络与资源构建移动通信服务的全新“生态圈”，通过新兴商业角色实现网络虚拟化以及虚拟网络的管理运行。

2 基于SDN与NFV的新型接入网虚拟化技术

基于NFV与SDN虚拟化技术将原来网元设备中的一体化功能分解成多个逻辑功能组件，对一些组件进行优化、升级、丢弃，利用处理后的组件进行网元功能的重构、部署和迁移，实现基于通用硬件平台功能组件的灵活按需部署。如图3所示，利用SDN完成程序定义的“控制器”实现软件控制网络[11-12]；利用NFV分析重组传统网络硬件的功能组件并用软件实现，以便“控制器”获取各部分功能组件的概要情况，如使用情况、功能等[13]。

图3 基于NFV与SDN的接入网架构

NFV基础设施(NFV Infrastructure, NFVI)。NFVI中包含多种可被虚拟化的硬件资源，如计算、存储、网络资源，此外还包含集中式接入网架构中特有的射频天线资源。虚拟化层完成硬件资源的抽象，支持计算、存储和网络连接功能的执行，从逻辑上将资源划分并提供给VNF使用，实现软件与底层的硬件解耦。企业间NFVI硬件资源在物理分布与复杂性方面的差别很大。

虚拟网络功能(Virtual Network Functions, VNFs)。VNFs是运行在虚拟化资源上的软件，部署在虚拟化或非虚拟化的网络中，目的是为了实现网络功能。通过将网元功能从硬件剥离出来，对网元功能进行分解、升级、重组与软件化，然后按照业务的实际需求对重组之后的网元功能进行连接。多个网元功能可组成一个网络服务，如接入网、控制功能、转发功能，部署在单个或多个虚拟设备上，特定情况下也可在物理服务器上运行。VNFs一般由网元管理系统(Element Management System, EMS)管理，通过北向接口与NFV管理编排维护系统相连，通过南向接口与VNF相连。

NFV管理编排维护(NFV Management and Orchestration, NFV-MANO)。NFV-MANO管理和调度硬件资源、虚拟资源层、虚拟化网元以及完整网络功能的编排和生命周期，达到高性能、高可靠、自动化的效果。虚拟化基础设施管理(Virtualized Infrastructure Managers, VIM)负责对物理硬件虚拟化资源进行统一的管理、监控等；网络功能虚拟化管理器(VNF Management, VNFM)负责VNF的生命周期管理及其资源使用情况的监控；网络功能虚拟化编排器(NFV Orchestration, NFVO)负责NVFI和VNF的管理和编排，进而实现完整的网络服务。

基于SDN设计接入网控制的软件化以及与转发分离，通过NFV架构支持接入网控制的软件化，网络控制面设备向上层应用提供资源调度管理的高效开放API，屏蔽不同接入网之间管理上的差异，通过实现网络控制功能的可编程化，显著提高网络管理的灵活性和网络资源的利用率。

3 关键技术

目前，新型集中式接入网虚拟化技术的研究中涉及到的关键技术主要有资源共享与网络隔离技术、覆盖与承载分离、虚拟化研究验证等，以下将分别进行说明。

1)资源共享与网络隔离技术。

在集中式接入网的研究中，由于MVNO和MVNP商业角色的引进打破了传统通信服务的“生态圈”[14-15]，为实现网络软硬件资源的共享与网络隔离设计了网络虚拟基片(Network Virtualization Substrate, NVS)架构[16-17]。NVS架构为切片与服务流的分层调度，其中切片为包含一组流的某一个虚拟网络，服务流为虚拟网络中的服务请求，是虚拟基站和终端之间带有特殊服务质量(Quality of Service, QoS)参数集合数据包的单方向数据流，包括上行链路和下行链路，一个终端的端到端连接映射为此终端的一个或多个服务流。为保障隔离性、定制化需求与资源利用率，NVS架构采用分层调度，具体包含两层，即保障隔离性与定制化的切片调度及保障资源灵活分配与利用率的流调度。切片和流调度的分离使得在上下行链路的切片定制更加灵活，同时，切片拥有者和物理网络拥有者之间的服务等级协议(Service Level Agreements, SLAs)更容易定义和管理。在每个调度时刻，NVS选择最大化整体效用的切片，采用常用的策略调度切片内的流，如基于资源分配与基于带宽分配的切片选择策略，以及调度器选择、模型规范、时间虚拟标签的流调度策略[18-19]，后续优化还需考虑切片、流的优先级与协同，在业务峰值时保障切片与流的服务。

2)覆盖与承载分离技术。

在集中式接入网架构中，密集RRH部署在提高网络容量方面拥有良好的潜力，是未来网络的发展趋势，但在信令开销等方面面临巨大挑战[19-20]。通过基站功能虚拟化，为控制功能RRH配置高发射功率实现大范围覆盖，为数据功能配置低发射功率实现更高频率复用，终端利用双/多连接架构连接控制与数据RRH，通过灵活部署控制与数据功能实现覆盖与数据解耦。将协议功能模块化，利用NFV技术在通用平台上定义相应的VNF，服务流之间可共享平台上定义的VNF，根据不同场景与业务需求按需灵活制定服务流所需的VNF并生成VNF路由路径，利用NFV中的VNF路由表(Forwarding Graph，VNF-FG)技术，实现服务流所需协议功能处理。

3)虚拟化研究验证系统。

虚拟化技术是集中式接入网功能实现与性能提升的关键技术，具有良好的应用前景。为保障网络稳定性、研究虚拟化技术性能以及对网络的影响，需要在移动网络硬件平台上对虚拟化技术进行验证，以保障虚拟化技术的有效性，辅助虚拟化技术研究的优化。中科院计算所研发了集中式接入网—超级基站[4-5]原型验证平台，如图4所示，在虚拟化技术验证方面，支持虚拟基站管理，通过上下文转移和重建实现虚拟基站迁移；支持计算资源管控，通过对处理资源的抽象、动态分配和组合实现虚拟基站；支持灵活的功能配置，按需配置控制与转发协议功能，实现覆盖与转发分离。此外，超级基站原型平台可支持接入、转发、控制不同层面的技术验证，可支持2G/3G/4G/5G/卫星等不同的通信标准，具有开放式的软硬件接口，支持算法级/模块级/板卡级的关键模块替换，设备规模可伸缩，界面友好，使用方便。

图4 超级基站原型验证平台示意图

4 结论与未来展望

运营商面临激增的数据传输需求与CAPEX/OPEX的压力提出集中式接入网，其中，实现接入网灵活性与低成本的关键在于虚拟化技术。在计算领域虚拟化技术的理论基础与应用已有丰富的积累，然而由于移动网络特有性质无法直接应用在移动网络中。移动网络中的虚拟化技术尤其是接入网中的虚拟化技术研究仍处于起步阶段，需要加快对接入网虚拟化架构、智能管控、灵活的功能部署等方面的研究，研制新型移动网络验证平台，推进关键技术的研发与产业化，实现接入网灵活性与低成本，解决通信需求与成本之间的矛盾关系。

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