5G移动通信网络架构中SDN和NFV的应用

2020-05-06陈礼娟

通信电源技术 2020年24期

关键词：虚拟化架构传输

陈礼娟

（中兴通信股份有限公司，江苏南京 210012）

0 引言

随着智能移动通信的多元化发展，5G移动通信网络成为主流研究方向。本文主要面向5G移动通信网络架构中SDN和NFV的应用设计，侧重于系统功能、数据流量以及网络配置的优化设计，提升5G移动通信网络的应用性能。

1 注重SPN网络的提前部署和双模组网

在5G移动通信网络架构中要提前部署SPN网络，以实现5G非独立组网架构（Non-Stand Alone，NSA）与独立组网架构（Stand Alone，SA）的同步推进，促进SA端到端的快速发展和成长。在5G移动通信网络中实现SA/NSA双模组网，在SA/NSA双模组网的接入和汇聚处采用环形组网方式，核心层采用口字型组网方式。考虑到当前标准和技术进展状况，5G建设初期主要应用场景为eMBB业务，5G建设的中远期引入uRLLC和V2X业务，进行核心网UPF/MFC下沉，缩减传输距离，满足后续业务的低时延和动态灵活连接要求[1]。

2 基于SDN/NFV的5G移动通信网络架构中的功能设计和虚拟化设计

2.1 基于SDN/NFV的5G移动通信网络功能设计

5G移动通信网络体现出高效传输和信息扩展的特点，要合理设计5G移动通信网络架构，将SDN和NFV纳入到网络服务部署中，不断优化网络资源及通信服务，并注重网络冗余控制，降低网络的延时性，提高5G移动通信网络的信息吞吐量和传输效率。基于SDN和NFV的5G移动通信网络功能模块配置如图1所示。

图1 基于SDN和NFV的5G移动通信网络功能模块配置

2.1.1 网元功能设计

为了实现5G移动通信网络的数据转发和控制分离功能，要利用SDN技术调整网络的控制功能，依循通用转发标准进行数据信息的调整和处理，满足系统软硬件解耦的需求，较好地实现网元功能的分解和调整。同时，要不断完善网络架构和功能模块设计，做好控制面和转发面的扩容升级处理，并利用X86通用硬件平台进行接口标准化的优化处理，为软硬件解耦和功能软件实现提供支撑[2]。

2.1.2 网络功能抽象

要从抽象的功能角度进行数据信息的概括和封装处理，注重API接口的设计和连接，针对数据资源的利用和切换管理两方面进行适当调整，包括实施切换管理，选择适宜的网络边缘设备和合法数据跟踪等，以此满足系统重组和业务需求，另外还要构建异面结构，整合分析网络移动数据的融合流。

2.1.3 网络功能重构

在进行网络开放接口模块的重组过程中，要先做好开放接口子模块的性能检测，使之满足数据传输和拓展需求，不断完善功能组件和业务开发，同时还要整合和共享数据资源，做好故障隔离和自动化处理。此外，在网络功能重构设计中还要从虚拟化技术的视角进行网络架构设计，利用API接口实现数据控制、调整及转换，并进行网络资源的合理划分、调整及重构，避免和减少网络资源冗余的现象[3]。

2.2 基于SDN/NFV的5G移动通信网络的虚拟化设计

在进行5G移动通信网络的架构设计后，还要运用SDN技术和NFV技术进行5G移动通信网络的虚拟化设计，实现数据信息的传输、分离、承载以及控制。

2.2.1 5G网络服务

在端到端网络切片的应用过程中，可以利用虚拟网络调整网络结构和数据资源，以网络移动信息传输和搭建虚拟平台为中心，通过软件接口进行信息传输，合理控制并调整数据，较好地优化系统硬件组装环境，满足实际通信的多元化需求。以C-RAN架构的设计为例，可以利用切片模型进行服务器信息数据传输和虚拟化网络功能的控制，体现IP承载和数据分离的服务特征。同时，在构建虚拟网络的过程中要注重数据导入设计、NFV模块和服务引擎的设计，并调整应用网络体系和数据传输，不断完善5G移动通信网络[4]。

2.2.2 虚拟化网络架构

要完善和优化无线网络结构，进行5G移动通信网络架构的分层设计，根据实际需求合理设置虚拟化节点，如宏站、Small Cell以及RRH等，形成具有逻辑的不同虚拟化管理层，如域管理器。利用这些虚拟化节点构建虚拟网，模拟修正和调整虚拟化资源，较好地实现对基础设施、虚拟化管理及移动通信业务的有效传输和控制[5]。无线侧虚拟网络架构模型如图2所示。

图2 无线侧虚拟网络架构模型图

在利用网络架构模型进行虚拟化资源的设计应用中，主要通过业务处理或信息屏蔽的方式进行数据信息传输、业务处理、参数控制以及信息移动传输，并以5G移动通信网络为核心完成QoS的信息需求及业务处理。

在5G移动通信网络架构中，采用控制和数据相分离的机制，包括有虚拟化管理层、控制面节点以及数据面节点。其中，虚拟化管理层利用不同节点分布方案获悉周边节点的数据信息，实现信息的协同和共享。无线接入网络侧的虚拟管理层主要实现以下功能。（1）构建以业务为中心的虚拟小区，并进行持续更新和优化。（2）实现对回传网络资源的虚拟化管理。（3）实施网络连接的移动控制。（4）管理并利用上下文信息。控制面节点产生各层的控制信令，并进行虚拟小区内部资源的调度和分配。数据面节点则仅负责数据的发送和接收，控制信令则需要传送给控制面节点进行发送。

综合考虑管辖区域内所有节点的自身能力和资源使用状况，合理确定5G移动通信网络架构模型，可以采用集中式部署的策略进行管理节点的设置，以获取更多的信息数据，相较于分布式部署策略更优，但同时也存在传输带宽、时延及成本等问题。

2.2.3 虚拟小区创建及更新

在虚拟小区创建的过程中，要综合考虑节点特性、业务QoS需求以及无线环境等因素，创建虚拟小区并动态更新虚拟小区内的节点成员。在这一过程中主要牵涉两个问题，一是为不同业务提供服务的节点映射问题，二是虚拟资源的合理分配问题。在为不同业务提供服务节点的设计中，采用节点映射算法，根据无线信号质量、节点BH性能以及业务QoS需求等约束条件，选择服务节点的设计策略，优化利用BH资源，平衡不同节点的负载，实现系统功能最大化[6]。

2.2.4 虚拟资源管理

为了避免各服务节点之间的干扰问题，要进行虚拟资源的有效管理，包括时域资源、频域资源以及空间域资源。其主要管理任务包括以下内容。（1）信息获取和抽象存储。管理节点要采集不同信息，如来自底层节点或用户的信息、来自上层与业务相关的QoS信息、周边节点的信息等，并对其进行抽象和存储。（2）资源管理决策。管理节点要确定资源管理策略，进行信息资源的分配、动态调整和重配置。

2.2.5 用户移动性管理

当节点布局相对密集或用户位置快速移动时，会出现信息传输中断的现象，要以管理节点作为移动性锚点，在网络信息虚拟化的条件下，实现用户与业务数据的同步连接和共享，加快数据在不同节点间的转换过程，并由多个节点同时为某一业务提供服务，满足用户的使用体验[7]。

2.3 基于SDN/NFV的5G移动通信网络配置

要采用分片设计的理念和方法，在SDN技术和NFV技术的支持下进行5G移动通信网络结构的优化设计，有效提升网络容量。其动态配置的设计分析过程主要包括以下方面。

2.3.1 隧道数据传输配置分析

考虑用户数据、信息传输以及用户面数据等因素，进行隧道数据传输配置参数的合理设计，主要包括有传输用户面板数据、TEID的数据传输、接口端的用户数据、传输S1-U的面板数据、QoS参数以及TFT（数据过滤、数据包处理），从而有效实现数据处理功能，提高5G移动通信效果。

2.3.2 数据传输分析

主要对信息数据、控制器及数据传输进行调整，较好地实现数据缓存和数据查询功能，从而提高5G移动通信网络的承载效果[8]。

2.3.3 网关选择功能分析

合理调整数据负载状况、UE位置以及签约信息，利用数据执行功能和SDN控制方式，进行上下文信息迁徙和数据处理，较好地保证网络数据业务的连续性和完整性。

2.3.4 IP地址的动态参数设置分析

全面分析控制器中的IP地址分配和代理请求，进行信息回馈和快速反应，实现IP地址的数据信息调整和控制。

2.3.5 网络接入及数据处理分析

在网络数据接口及动态参数设计的过程中进行网络切片设计，具体包括以下内容。（1）UHD切片设计。在限定区域内进行DU和5G核心（UP）的虚拟化处理，并实现核心云的同步处理。（2）物联网切片设计。对于普通应用的物联网而言，可以设计相对简单高效的5G内核，但无法实现移动管理功能，对于重要目标的物联网切片设计而言，要进行5G核心（UP）的虚拟化设定和处理，考虑不同的网络服务功能和特征，实现信息数据的高效处理和传输，解决数据传输滞后的问题[9]。