轻量化专网设备的网络部署方案研究

田利华 张阳 郭亦辰 向伟 宋琪

（1.中移（成都）信息通信科技有限公司 四川省成都市 610200 2.中国移动通信集团有限公司 北京市 100033）

本文研究核心网网元虚拟化技术，实现小型化核心网功能，并通过5G 小型轻量化专网设备升空，完成核心网设备本地化部署，实现灵活、机动、快速部署5G 通信专网，解决传统应急网络带宽小、时延大、网络部署机动性不足的问题，满足高清视频回传、数据实时交互的网络需求，为抢险救灾，应急通信等提供安全可靠的通信保障。

1 行业现状

卫星通信是当前应急通信中最主要的通信手段[1]。但卫星通信业务系统容量小、带宽有限，当前采用4G 技术与卫通回传，时延秒级，业务速率低于10Mbps，无法满足在线视频监控、机器巡逻等实时画面回传要求；而5G 通信技术可满足大带宽业务的需求[2]，但公网基站灵活机动性差，在部分应急场景下无法快速地部署。同时已有的无人机应急通信针对公网用户，需要配套卫通设备，因带宽限制无法满足大业务场景应用。

当前抢险救灾和应急场景下专网保障手段有应急通信车与无人机回传通信，应急车辆机动性不足，山地场景无法到达，无人机回传受限卫通带宽，只可满足语音通信。针对实时高清视频回传进行现场指挥的通信要求，目前手段无法满足。无人机应急通信采用4G 技术与卫通回传，时延秒级，业务速率低于10Mbps，只可满足基本语音通信。

传统核心网采用都是根据核心网功能模块采用专用的硬件[3]，设备体型大，费用高，功耗大，需要5‐7 台服务器完成功能部署，安装不方便，不满足机动灵活部署要求，因此需要对小型化核心网进行研究和论证，满足灵活机动的部署需求。

2 灵活机动小型轻量化专用网络部署方案

针对应急救援现场VR，AR 等大带宽应用场景，通过本地小型化核心网部署，完成数据分流，可为抢险救灾，应急通信等专网客户提供安全可靠的通信保障。专网轻量化设备部署在无人机或应急通信车上，在复杂地形下实现10 分钟内为专网用户提供灵活快速的网络通信，满足下行800Mbps 的网络容量，时延低于50ms。

3 技术分析

3.1 核心网网元极简虚拟化部署

5G 核心网的网元，其实就是一个又一个的功能个体。每个个体，单独提供服务[3]。这种架构，被称为SBA 架构（Service Based Architecture，即基于服务的架构），简而言之，5G 核心网就是模块化、软件化[4]。轻量化核心网采用NFV、SDN 技术和SBA 网络架构，在通用服务器上，通过主流先进的虚拟化部署技术，使用通用服务器部署核心网的相关功能，专用硬件和软件解耦，实现核心网相关功能的极简快速部署，实现核心网的轻量化，小型化。硬件上，直接采用HP、IBM 等Openstack 这样的开源平台，开发虚拟化平台，把传统的核心网网元部署在通用服务器上，可满足2000 用户的网络容量。

3.2 SDN

软件定义网络（Software‐defined Networking， 简称SDN）技术是一种网络管理方法，它支持动态可编程的网络配置，提高了网络性能和管理效率，使网络服务能够像云计算一样提供灵活的定制能力。SDN 将网络设备的转发面与控制面解耦，并进行逻辑集中控制，抽象数据平面网络资源，通过控制器负责网络设备的管理、网络业务的编排和业务流量的调度，支持通过统一开放的接口对网络直接进行集中编程控制。SDN 具有成本低、集中管理、灵活调度等特点，对实现网络功能虚拟化部署至关重要。在数据面通过对网络转发行为的逻辑抽象，实现利用高级语言对多种数据转发平台的转发协议和转发流程的定制，从而实现面向上层应用和性能要求的资源最优配置[5]。在无线接入网中，SDN 的全局集中式管理能够实现基站间的协同工作，提高资源利用率。在核心网中，SDN 能够提供网络虚拟化功能，实现更加智能的网元管理和控制，简化网络的设计和操作[1]。

3.3 NFV

网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV），是一种对于网络架构的概念，利用虚拟化技术，将网络节点阶层的功能，分割成几个功能区块，在通用服务器的硬件基础上，安装不同的操作系统以及软件后实现各种各样的软件功能。NFV 通过软硬件解耦和功能抽象，将传统专用硬件实现的网络功能以软件的形式运行在虚拟机或容器中，这些软件实现的网络功能即VNF。在5G 网络中，NFV框架支持服务链、VNF 嵌入以及VNF 的管理。NFV 通过采用虚拟网络功能转发图的动态建立方式，引入了一种灵活的方式来编排VNF，提供对网络功能的有效控制[6]。

3.4 硬件部署多样化

在基于X86、ARM 架构的通用服务器上，不同硬件的编译语言，采用不同编译平台开发，满足专网核心网多样化运行环境的需求。同时满足物理机部署、主流虚拟化技术的虚拟机部署以及轻量灵活的Docker 部署方式，实现核心网相关功能的快速部署，满足专网多样化运行环境的部署需求。如图1 所示。

图1：虚拟化架构图

4 测试结果分析

为验证轻量化小型核心网的功能，对AMF、SMF、UPF、AUSF、UDM、NRF 等网元的功能进行验证，并对轻量化核心网进行系统性测试。

4.1 控制面功能测试

小型化核心网控制面网元包括AMF、AUSF、UDM、SMF、NRF、NSSF 等网元，实现用户的接入移动性管理、鉴权服务、数据管理、会话管理、策略控制和切片管理等功能。本文主要展示用户的接入的测试结果，具体如图2 所示。

图2：用户初始注册

4.2 用户面功能测试

小型化核心网用户面网元UPF 的功能测试主要包括PDU 会话、切片管理、接口管理、业务数据等，本文主要展示PDU 会话的建立和释放的测试结果，具体如图3 和图4 所示。

图3：UE 请求的PDU 会话建立

图4：UE 请求的PDU 会话释放

5 应用场景

5.1 应急通信车机动组网

军事演练、突发事件、自然灾害等发生时，需要快速构建特定区域的5G 通信专用网络，实现现场高清图片和视频的传输，满足应急抢险、区域作战的通信需求。通过应急通信车辆搭载BBU 和小型轻量核心网，AAU 在车上抱杆安装，快速完成轻量化专网设备快速本地化部署，实现特定区域内的5G 网络信号覆盖，建立即时可靠的通信连接，满足机动快速的网络需求。如图5 所示。

图5：灵活机动的通信车组网架构示意图

5.2 无人机机动组网

在偏远山区、复杂地形等区域，交通路线受阻时，对于军事应用和应急场景下，通过无人机携带专网设备形成灵活快速的一体化的网络体系，无人机与轻量化专网设备快速本地化部署，建立即时可靠的通信连接，形成多维、多网系、多手段、宽频带、多模式的综合通信保障，进行信息交互和传递，提升信息共享能力。

针对机动快速部署的网络要求，通过研究将天线、5G基站设备、轻量化5G 综合接入设备以及应用服务器部署在无人机上实现区域5G 信号的连续覆盖，或利用小型系留无人机搭载轻量专网设备，并通过专线方式与指挥中心相连，实现远程实时动态监控，构建灵活机动的5G 网络，为各项军事任务和应急通信提供可靠的通信保障。如图6 所示。

图6：灵活机动的无人机地立体组网架构示意图

6 结束语

通过对灵活机动专用网络技术方案研究，可形成成熟可落地的灵活机动专用网络技术方案，可10 分钟内完成专网部署，满足下行800Mbps 的网络容量，时延低于50ms，具备2000 用户容量，为大带宽低时延的各类业务提供网络通信保障。

形成灵活机动专用网络技术方案在不同场景下的业务能力和覆盖能力基础数据，为抢险救灾、应急救援方案的快速部署落地提供数据支撑和技术支撑。