基于SDR、SDN技术的5G网络功能虚拟化技术

［邹莹］

基于SDR、SDN技术的5G网络功能虚拟化技术

［邹莹］

快速多元化的市场需求给常规的移动宽带网络架构提出了巨大的挑战。一方面，有限的机房空间以及电力供应不足等问题使得运营商网络设备的数量无法成倍增长。另一方面，不同规格无线设备的网络接入异质性导致管理和优化方面费用非常高昂。文章提出了涉及不同技术的整体解决方案，即网络功能虚拟化（NFV），软件定义的无线电（SDR）和软件定义的网络（SDN）。同时，提出了4G/ 5G移动网络扩展方向及几个技术方向难题。

NFV SDR SDN 5G 4G

邹莹

硕士，毕业于广东工业大学，现任广州杰赛科技股份有限公司市场分析师，研究方向为通信网络的发展趋势，通信市场变化及发展趋势。

1　引言

过去十年中，移动无线流量经历了爆炸性的增长，很大程度上带动了移动设备的更广泛的应用。移动设备的应用场景从传统的实时语音通信向社交网络、娱乐和电子商务等方向拓展。移动设备的数量及数据流量不断呈指数级增长。

到2020年，4G移动网络的网络功能将难以满足移动数据的需求，这已经成为全球广泛的共识。由于无线链路效率即将达到最大限制，因此未来系统要提升无线通信容量需要从改革和优化组网方案和网络架构方面入手。

由于高度多元化的接入技术，4G/5G无线网络的特点就是异构性，因此通信运营商要求设备商提供高效节能的解决方案。基于以上的问题，本文介绍一个解决方案，包含网络功能虚拟化（NFV），软件定义的无线电（SDR）和软件定义的网络（SDN）。

2　技术介绍

首先，NFV使用标准的IT虚拟化技术将多种网络设备类型整合为行业标准的高容量服务器、交换机和存储设备。通过NFV技术，运营商可以将网络上的现有设备转化为标准设备进行管理［1］。不再需要为每一个新服务安装硬件设备，只需要通过NFV技术将相应网络功能分配给新服务需求，这将降低资本支出（CAPEX）及网络运营管理支出（OPEX）。标准的网络应用可以从硬件平台迁移至另一平台。

其次，SDR通过不同的软件重新配置无线电实现多种模式。软件可以被预加载在设备中，或者通过固定数据链路或空中下载。SDR技术已经被成功运用在军事通信，最近也逐渐被民用电子产品市场引用［2］。可编程的SDR解决方案可适应无线标准快速发展，支持无线标准在短时间内面向市场。

第三，SDN允许电信软件开发人员可以像控制计算资源一样控制网络资源［3］。为了通过外部应用支持网络可编程性，SDN通过接口设备解决了从控制平面到数据平面的分离，该接口位于集中控制器和数据包转发中间。

一方面，软件定义控制器功能作为控制面，该控制器逻辑上相当于网络智能的核心。另一方面。网络设备变成了简单的分组转发设备成为了数据平面。

本文研究在4G/5G移动网络中将SDR、SDN和NFV整合的可能性。目标是减少设备成本和功耗，以及提升开放型和多用户支撑。通过整合未来网络的关键技术专注于智能化、低成本高性能的网络。最后讨论未来5G网络若干关键技术和挑战，如毫米波，大规模MIMO，异构网络。

3　基于NFV，SDR，SDN技术的4G/5G网络架构图

图1　网络架构

图1为NFV，SDR和SDN的整合结构图。有了NFV技术，运营商可以通过标准的IT虚拟化技术来构建一个端到端的网络基础设施；通过软件来实现网络功能；通过在服务器安装或者更新软件包来新增或测试新网络功能。网络定义无线网（SDR）指的是发射端调制器由计算机生成或定义的无线通信。接收端可由计算机智能解调信号。SDR克服了硬件的缺陷，将控制功能和服务功能分离开。SDR技术提供设备和功能支持NFV架构，NFV则为SDN提供架构支撑。

NFV：NFV通过标准IT虚拟化技术将众多网络设备整合成为行业标准的大容量服务器、交换机、存储设备，这些设备为局房数据中心、网络节点、终端用户等应用环境服务。网络功能通过在虚拟设备中运营的软件包来实现［4］。NFV可以指定新的机制来部署和运营网络架构服务，用最小的成本达到快速配置和发布新功能的目的［5］。由图1中可见NFV的分层架构，包含虚拟网络功能，虚拟和物理基础设施。这些模块是标准化的未来目标。在图中所示的体系结构框架重点展示网络虚拟化及相关管理的必要功能。

SDR：无线通信系统中的组件一般通过硬件来实现，SDR可通过个人计算机或内置软件系统来新增实现无线通信系统的组件。

SDR技术的灵活性和低廉的费用是通信进步的强劲驱动力。理想的SDR技术具有多个频段、多模式以及开放架构。通过加载软件获得的功能可以提供各种无线通信服务。基本的SDR平台包括天线、多频射频（RF）模块、宽带A / D（D / A）转换器、DSP处理器和其他外设。SDR将A/D和D/A置于RF附近，并用可编程的DSP或FPGA设备替换专用数字电路［6］。基于相对通用的硬件平台，SDR可以通过软件来实现各种网络功能，从而达到将系统的硬件架构和系统功能的分离的目标［7］。该系统可以通过改变软件处理模块从而直接升级。

SDN：在SDR中的网络控制功能与编程软件无关，因此底层基础设施可以抽象理解为应用程序和网络设施，网络视为逻辑或者虚拟存在的［8］。图1左侧部分即为SDN的架构。网络智能功能整合在SDN控制器中。企业和运营商只需要接受SDN控制器的指令就可获得整个网络的自主控制权，而不再需要通过上千个协议标准的接口进行控制。随着SDN控制器与网络应用之间的API协议的开放，商业应用可以不用再受限于其具体配置细则，通过网络服务和网络性能就可以运营了［9］。现如今是应用定制化时期，SDN技术使得网络不再受限于应用需求，而应用开发也不用再受限于网络设备及网络性能。因此，计算能力、存储能力及网络资源可进一步优化。

在图1的体系结构中，NFV可以增加运营商网络服务的部署和集成的灵活性。NFV的目标可以通过SDN机制来达到，达成增强性能、简化网络部署兼容、降低运行维护成本等目标［10］。同时，NFV则提供基础架构支撑SDN软件运行。另外，SDR为移动网络提供功能虚拟化功能。

4　未来的技术挑战

4G/5G网络将包含超高载频、多种类型带宽、巨量基站和设备以及天量的天线，核心网络需要达到前所未有的灵活性和智能化。未来，以下关键技术可能将成为未来研究的重点方向。

（1） 毫米波

毫米波技术是适用于未来5G蜂窝系统的很有前途的技术。未来5G蜂窝网络实现超高带宽，从26.5到300GHz。此外，相比微波，毫米波的天线波束尺寸小得多，可以更精确的瞄准目标发射信号。毫米波对NFV提出了更高精度的设备需求。

（2） 大规模MIMO

未来的MIMO天线阵列将在现有MIMO天线的基础上提升以下的功能：

① 增加10倍以上的容量，同时大幅提升辐射能耗性能。

② 低成本，低功耗的组件；

③ 大幅降低空中接口的延迟；

④ 鲁棒性：减少人为或其他干扰；

⑤ 减少线性度和精度限制；

（3） 异构网络

异构网络是公认的应对LET-Advanced（LTE-A）网络数据流量爆炸问题最可行的解决方案。在异构网络中，不同的节点具有不同的传输功率，可以构成不同范围的小区。异构网络可以将不同网络层充分利用。

在异构网络中使用NFV、SDR和SNR技术时，不同网络层之间的网络接入技术和各种技术要求引发了一系列的问题和挑战。技术需求主要体现在频谱资源，网络接入技术，业务需求，终端移动性和运营管理。特别是用户可以通过SDR技术频繁切换频率，满足高速率数据的需求，这将造成巨大的网络维护和管理压力。

5　总结

本文在网络介绍了一种适用于4G/5G网络的NFV、SDR和SDN集成架构，并进一步阐述了未来4G/5G网络技术研究中的重点技术研究方向，包括毫米波，大规模MIMO，异构网络。综上，在未来移动网络升级中，NFV，SDR和SDN将发挥重要的作用。

1S. Sun， Y. Ju， and Y. Yamao. Overlay cognitive radio OFDM system for 4G cellular networks. IEEE WirelessCommun.，2013， （20） :68-73

2SDRF cognitive radio definitions， SDRF-06-R-0011-V1.0.0，8 Nov 2007， URL（2014-10-13）: http://groups.winnforum.org/d/ do/1585

3Software-defined networking: the new norm for networks，URL， 2014-10-13，https://www.opennetworking. org/images/stories/downloads/sdn-resources/white-papers/ wp-sdn-newnorm. pdf

4J. Batalle et al.On the implementation of NFV over anopenflow infrastructure: Routing Function Virtualization，IEEE SDN4FNS， 2013，11:1-6

5H. Masutani. NTT network innovation labs. Yokosuka，Japan requirements and design of flexible NFV networkInfrastructure node leveraging SDN/OpenFlow，IEEE ONDM， 2014， 05:258-63

6M. Palkovic et al. Future software-defined radio platformsand mapping flows. IEEE Signal Process Mag.，2010， 03: 22-33

7M. Sadiku and C. Akujuobi. Software-defined radio: A brief overview， IEEE Potentials， 2004， 23（4）:14-15

8B. A. A. Nunes et al.A survey of software-defined networking:past， present， and future of programmable networks.IEEE Commun. Surveys ＆ Tutorials，2014，16（3）:1617-34

9S. Sezer et al . Are we ready for SDN？ implementation challenges for software-defined networks IEEE Commun. Mag.， 2013， 51（7）:36-43

10L.R.Battula. Network security functionvirtualization（NSFV）towards cloud computing with NFV over openflow infrastructure: Challenges and Novel Approaches，IEEE ICACCI， 2014， 09:1622-28

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.07.012

2016-06-28）