未来移动通信网络架构演进及其关键技术研究

刘　慧　中国信息通信研究院技术与标准研究所助理工程师

李侠宇　中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师

朱　浩　中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师

未来移动通信网络架构演进及其关键技术研究

刘慧中国信息通信研究院技术与标准研究所助理工程师

李侠宇中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师

朱浩中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师

5G技术研究在全球ICT领域引起了广泛的关注，关于需求愿景及整体架构方案的研究都取得了重要的阶段性进展。虽然5G的标准尚未统一，但各研究组织对未来移动通信网络架构演进方向的认识是趋同的。本文基于未来移动通信网络架构演进趋势及逻辑架构，分析了所涉及的关键技术SDN、NFV、信息感知技术和ICN及其在网络架构的重要作用。

SDN NFV ICN

1　引言

4G网络的迅猛发展和大规模部署，使得网络性能得到了极大的提升，但随着未来用户需求的激增和新兴业务的发展，现有网络僵化的体系架构难以满足未来极致的业务体验和多样化场景。针对下一代移动通信网络的需求、网络架构及其关键技术等成为了业界的研究焦点。

下一代移动通信的研究由全球标准化组织（ITU、3GPP）推进各研究组织进行研究和研发为主，例如下一代移动通信网络联盟NGMN、中国的IMT-2020推进组、欧盟的METIS科技项目等。ITU是通信领域最权威的国际标准化组织，通过开展5G需求愿景、技术趋势、关键能力的研究推动业界达成对5G系统的共识。5G网络架构需在支持以人为中心的移动互联网业务体验的同时，支持以物为中心的物联网业务，实现人与万物的智能互联。3GPP是国际主流移动通信标准组织，5G网络架构标准研究项目（SI）已于2015年10月启动，后续标准工作项目（WI）将于R15阶段启动。NGMN（Next Generation Mobile Network）作为全球运营商凝聚共识的主要平台之一，其主要观点也认为5G应支持更广泛的业务和应用，且应不限于空口技术的演进或革命，而是整个端到端系统的演变。中国IMT-2020推进组发布的5G网络技术架构白皮书指出，5G网络需要通过基础设施平台和网络架构两个方面的技术创新和协同发展，实现网络变革。欧盟启动的2020年信息社会的使能移动与无线通信METIS（Mobile and Wireless Communications Enablers for the TwentytwentyInformationSociety），其网络方面的研究成果主要侧重于干扰管理与资源分配机制、上下文感知、网络动态重配等。

根据上述研究组织的主要观点，本文将从移动通信网络架构现状出发，结合未来移动通信网络架构的特征趋势，分析未来移动通信网络架构及基本功能，及其关键使能技术，并重点研究SDN、NFV、ICN和信息感知技术在未来移动通信网络架构中的影响与应用。

2　移动通信网络架构现状

2.1多接入融合控制与协调能力不足

移动通信网络存在多种接入技术，既包括GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TDDLTE、FDDLTE等3GPP组织定义的接入技术，也包括cdma2000、WiMAX、WLAN等非3GPP接入技术，再加上更高速率的5G接入技术，未来的接入网必然存在多种接入技术和方式。传统蜂窝网架构网络协同能力有限，不同的接入技术以及基站之间交互能力不强，无法实现高效的无线资源调度、干扰协同、移动性管理以及网络安全管理等功能。密集部署场景下用户频繁切换的移动性效率问题以及非授信接入网络之间安全性管理复杂问题尤为突出。

2.2网络架构单一模式僵化

在传统移动通信网络架构中采用集中式的锚点网关，终端通过上下行链路、承载控制建立连接获得服务。在这种以网络为中心的网络架构中，业务收敛模式过于集中和单一，导致网络对业务感知适配能力差，对不同业务的控制和承载管理机制不够动态和灵活。由于缺乏对用户和业务的感知能力、网元功能可编程能力及网络可编排能力，无法按需进行网络架构的灵活构建、功能配置和对外开放，实现快速敏捷的业务部署和升级，难以满足未来多种应用场景和业务形式的不同特性和对网络要求的巨大差别。

2.3网络扩展与运维复杂成本高

传统移动通信网络是基于专有硬件平台实现的，随着移动网络流量的迅猛增长和新型业务需求的出现，通过持续增加新网元和新接口增加网络功能和对网络进行扩容，导致控制逻辑分散，组网和后续运维日益困难和复杂，网络建设成本和运维成本都进一步增加。随着业务流量和终端密度的双重提升，网络建设复杂度和网络自动化运维能力面临着严重的挑战。

3　未来移动通信网络架构发展趋势

5G网络技术架构白皮书给出了5G网络的发展方向，这必将也是未来移动通信网络架构的发展趋势。未来移动通信网络需能够提供更加优质的网络性能、更加灵活的网络编排能力、更加智能的网络感知和决策能力和更加友好和安全的网络生态系统。

未来移动网络将提供超高接入速率、超低时延、超高可靠性的用户体验，满足超高流量密度、超高连接数密度及超高移动性的接入需求，同时将为网络带来超百倍的能效提升和超百倍的比特成本降低，数倍的频谱效率提升。

未来移动网络需支持接入网侧基站的即插即用和自组织网，实现易部署、易维护的轻量化接入网拓扑；核心网侧网络功能在演进的分组核心网（EPC）基础上更进一步简化与重构，提供高效灵活的网络控制与转发功能。

未来移动网络将全面提升智能感知与决策能力，通过对地理位置、用户偏好、终端状态和网络上下文等各种信息特征的实时感知和分析，制定决策方案，实现数据驱动的精细化网络功能部署和网络自动化运营。

未来移动网络以更友好和开放的网络面向新产业生态和垂直行业。通过网络能力开发，向第三方提供灵活的业务部署环境与第三方应用友好互动，实现按需定制服务。同时，未来移动网络需要更加可靠的安全机制保障网络域、用户域、信息数据、隐私保护等方面的安全。刺激开放安全的网络创新环境，提升网络服务价值。

4　未来移动通信网络体系架构及其关键技术

4.1未来移动通信网络体系架构与功能

未来移动通信网络体系架构如图1所示，是基于SDN/NFV的虚拟化可编程的网络平台，基于此平台利用信息感知技术可以实现网络智能化，同时能够支持多种网络协议，灵活部署未来新型网络协议ICN （Information-Centric Network）、CCN（Content-Centric Networking）等各类下一代的以“信息”为中心的网络。

未来移动通信网络体系架构基于NFV实现软件与硬件的解耦，将网络设备功能迁移到标准化硬件平台并进行虚拟化部署。因此，在垂直方向上网络架构自下而上可分为统一的底层基础设施平台、虚拟化资源池以及业务网络域。基于统一的基础设施平台一方面可以降低运营商网络建设成本，另一方面可以降低网络扩容、升级改造的难度；虚拟化资源池可以实现对网络资源的统一管理、统一分配、统一部署和统一监控，使得整个网络可以根据负载情况进行虚拟网络功能的动态扩容或缩容，是实现网络动态控制及网络智能化的基础；业务网络域基于虚拟网元功能实现传统电信业务。在水平方向上，统一的低层基础设施平台、虚拟化资源池以及业务网络域由运维管理域负责统一管理和编排，一个业务网络可以通过运维管理域自顶向下分解，可以有效降低网络部署及运维复杂度。

基于SDN控制和转发分离的思想将业务网络域解耦为控制平面与用户平面，进而实现控制面功能集中部署、用户面功能简单高效的灵活部署，以及控制面对用户面的灵活编程和集中转发控制。并能够基于网络能力开放接口面向新型第三方应用服务提供商（如垂直行业、物联网业务等）提供所需的网络能力构建专用的网络切片，可以有效解决网络架构单一模式僵化问题。

在控制平面通过功能编排部署智能感知系统，利用信息感知技术可以对无线接入平面、底层网络负载、业务应用、终端进行多维度检测和管控，可以实现全面提升网络智能感知与决策能力。

通过控制平面的协议编排和用户平面的网络切片部署新型网络协议ICN，ICN是一种内容与位置分离，通过对内容进行命名和基于内容名字路由的网络。由于内容名称与位置无关，直接对信息实施安全措施，能够有效解决现网架构密集组网和多接入融合下移动性和安全性问题。

综上所述，架构中所涉及的关键技术有NFV、SDN、信息感知技术和ICN，本文将分别对这些关键技术以及其对架构的影响进行详细阐述。

图1　未来移动通信网络体系架构示意图

4.2关键技术

（1）NFV统一底层基础设施平台，赋予网络功能编排能力

NFV的主要目标是借助虚拟化技术，将各种网络设备功能从专用硬件设备中剥离出来，迁移到标准化的高性能服务器、交换机和存储设备上，进而可以灵活地部署到数据中心，实现网络功能按需在不同拓扑位置进行动态迁移和实例化。

致力于NFV研究和标准化工作的组织机构有ETSI组织框架下的NFVISG和Linux基金会资助建立的OPNFV（Open Platform for NFV Project）开源组织。ETSINFVISG主要负责NFV的高层架构设计方面的标准化工作；OPNFV则致力于建立一个综合性的电信级开源NFV平台，确保未来NFV产品的一致性、功能性和互操作性。为了实现未来移动通信网络架构基于NFV架构的演进，主要有以下工作需要着重研究：

●传统移动通信网络中的移动接入网、移动核心网、IMS网络中网元功能虚拟化以及网元功能重构。

●对未来新型网络功能（如智能感知与控制功能等）及网络协议（如ICN等）的友好支持与扩展。

●网络功能按需频繁切换以及单点失效下的全网可靠性问题。

●接口标准化，基于不同硬件设施、虚拟化平台（如OpenStack、KVM、VMware）和厂商功能实体之间的友好互操作。

●虚拟网络切片间的管理与协同。

（2）SDN分离控制与转发功能，实现网络连接可编程

SDN的核心思想是将传统控制逻辑与转发逻辑紧耦合的网络设备解耦成应用、控制和转发3层分离的架构。控制功能的抽离和聚合，有利于从全局视角来感知和调度网络资源，实现网络连接的可编程；转发面功能得到简化，可以进一步降低转发面部署和扩容难度，实现灵活的分布式部署。同时，通过能力开放接口控制平面可演进成为移动网络对外开放的平台，将移动网络功能开放给第三方业务。

SDN自提出以来，得到产业界极大关注，ONF （OpenNetworkFoundation）是最早开始SDN标准化和产业推广工作的组织。目前，ONF无线与移动工作组正在进行将SDN和OpenFlow应用于移动网络的研究工作，包括无线回传网络、核心网的流量管理、流量定向及网络安全等方面的研究。伴随着SDN产业的逐步成熟，也出现了很多SDN控制器开源平台，包括ONOS、OpenDaylight、OpenContrail、Floodlight等。为了实现未来移动通信网络架构基于SDN架构的演进，仍存在以下技术挑战：

●无线资源动态管理调度机制。

●接口标准化，不同控制器平台以及不同南北向接口协议之间的友好互操作。

●南向接口协议及转发面转发规则可扩展性问题，不仅支持当前TCP/IP体系结构，还需能够友好支持下一代互联网体系结构的命名、寻址、转发机制。

（3）信息感知技术引入网络智能能力，打造软件化智能网络

信息感知技术的核心在于预测，目前的无线移动宽带通信系统还尚未实现网络智能化运维和面向大量的终端及应用个性化、定制化地推送所需资源——这需要对于“海”量信息进行自动、实时、智能的感知、分析、处理和决策。

海量信息数据的采集和存储是智能化分析决策的基础。总体说来，信息感知主要包括对以下几个方面信息的感知：

●网络状态信息：把握网络容量以及拥塞程度、网络拓扑信息、网络性能特征。

●用户行为信息：感知用户的位置、移动速度、历史轨迹，分析用户偏好。

●设备属性及能力信息：评估设备可靠性状态、电池容量等。

●应用需求信息：掌握各类业务QoS需求，在流量、信令开销等方面的特征。

为了实现动态调整网络拓扑、网络自动化运营和网络开放能力来满足用户动态变化的多样性业务需求，需利用网络智能化使能技术SDN和NFV，将移动网络部署在统一的基础设施平台。基于智能感知形成的智能知识，一方面可以对网络进行智能控制，实现灵活调度网络资源、对模块化的网络功能进行灵活编排、灵活调度业务流量等智能化动态控制；另一方面，结合CDN、ICN技术进行热点业务预缓存等功能，提高用户体验降低网络负载，形成一个拥有智能能力的软件化网络生态系统。

（4）ICN变革传统互联网端到端架构，完善网络生态系统

4GAmericas5G白皮书指出，未来5G移动通信网络的基本设计原则是面向高速/超高速移动性支持、高级别网络信息安全以及内容缓存而专门设计的网络架构与通信协议。目前，正被业界大力研究的ICN将有望作为满足上述基本设计需求的主流网络架构。

ICN的本质是在网络层将内容与终端进行剥离，打破TCP/IP以主机为中心的连接模式，变成以信息（或内容）为中心的模式。与TCP/IP网络协议相比，两者最大的区别是ICN采用内容块协议作为全网统一标识的中间层，ICN体系结构适用于未来移动通信网络架构的显著优势可概括为以下几点：

●ICN对内容进行命名，以识别内容取代识别终端基于内容的名字进行路由，在进行内容和路由时不存在位置依赖，从而摆脱了TCP/IP体系下身份识别也是位置信息所带来的移动性等问题的束缚。

●ICN对二层协议要求宽松，可以充分地同时利用多种接入和连接方式，如以太网、TD-SCDMA、LTE、Wi-Fi、WLAN、WiMAX等，可以针对现网对接入融合与协同需求在不断变化的环境中动态寻求最优化的实现方案。

●在TCP/IP体系中，用户所看见的终端地址与内容名字不相干，容易导致钓鱼攻击 和网域交接攻击。ICN的内容命名机制以及对数据签名机制，将安全机制建立于数据本身。能够进行数据的完整性以及数据源认证，为未来移动通信网络的安全性问题提供了有效的解决方案。

●转发机制由传统的存储转发演进为缓存转发，结合智能信息感知技术，能够从底层机制上增加对未来移动通信业务本地化和移动边缘计算技术的支持。

5　结束语

当前SDN和NFV的研究几乎已经深入到了电信领域的各个方面，而这还远远不能满足未来移动通信网络的新需求，ICT融合发展需更多地借鉴IT领域的思想及技术。SDN、NFV、信息感知以及ICN等技术将改变现有移动通信网络架构和设备形态，为满足未来移动网络需求指明了方向，进而对未来移动网络的部署和运营方式以及电信领域的商业模式产生深刻的影响。

1 IMT-2020.5G网络技术架构白皮书

2 G.Xylomenos，C.Ververidis et al.A Durvey of Informationcentric Networking Research.IEEE Communications Surveys &Tutorials.2013

3 刘旭，李侠宇，朱浩.5G中的SDN/NFV及云计算.电信网技术.2015，5

ResearchonMobileNetworkArchitecture Evolution and RelatedKeyTechnologies

5G technology research has caused wide attention in the field of global ICT. The moment evolve development on research of 5G vision and requirements and network architecture has been made. Although the standard of 5G has not been unified， research organizations have a consensus on future mobile communication network architecture evolution tendency. Based on future network architecture tendencies and logical architecture， this paper gives analysis of related key technologies， i.e.SDN，NFV， information awareness and ICN， and their important role in network architecture.

SDN，NFV，ICN

2015-11-10）