面向5G网络运营转型思路

肖子玉（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）



面向5G网络运营转型思路

肖子玉
（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

摘要本文从5G需求和愿景出发，分析了运营商网络向5G演进的驱动力。提出NFV/SDN 的引入、5G多样性通信需求和网元功能重构对运营商移动核心网演进带来的机遇与挑战。此外，本文还提出为5G作准备，迎接网络运营向端到端自动化、数据分析和开放转型的建议。

关键词5G；NFV；SDN；运营；转型

肖子玉 1990年毕业于北京邮电大学，教授级高级工程师，美国北卡罗来纳州立大学访问学者。现任中国移动通信集团设计院资深专家，院科技委委员，中国通信协会高级会员。主要从事通信工程咨询、设计和研究工作，在移动核心网IMS、RCS、全业务、智能网等领域积累了丰富的咨询设计和研究经验。主持并参与重大方案及新技术研究多项，完成多项行业标准。获国家和省部级优秀项目和科学技术奖10次，申请专利5项，发表论文多篇。

1　5G的需求和愿景

国际各大标准化组均在积极推动5G的技术和网络演进。ITU在2012年成立了IMT for 2020 and Beyond项目组，意在促进无线网络技术匹配光纤的速率和可靠性，将通信应用进一步扩展至工业自动化等相关领域。3GPP已于2015年8月开始进行5G相关RAN技术和NFV领域研究。ETSI则在积极推进NFV相关的技术研究和标准化工作。TMF以运营商等需求方的角度对NFV提出业务需求、应用实例等方面的研究成果。除国际各标准化组织外，包括由我国工信部、发改委、科技部、企业联合成立的中国IMT 2020工作组等多个国际5G研究项目组均在积极推进5G相关技术研究，并已发布5G白皮书等官方文件，分析5G愿景、架构、关键技术、频谱等方面的需求。

业界公认的5G应用场景需求包括：

* 高带宽接入需求，如4K高清视频用户在用户密集城区使用业务和多样化的云端服务为用户提供的智能生活体验；

* 高密度连接需求，面向无处不在的大规模物联网终端连接需求；

* 高移动性需求，如高速火车的高速移动中的通信需求；

* 超低时延高可靠性连接需求，如工业自动化所需的超低时延的工业控制连接需求。

2　运营商网络向5G演进的驱动力和面临的挑战

2.1运营商网络向5G演进的驱动力是业务和市场需求

面向5G网络架构演进的驱动力就是业务和市场需求。5G愿景为我们提出了未来几年内三大类业务需求。一是全球大约有25亿用户将成为移动宽带（MBB）用户，云计算平台将为用户提供超高清视频、远程医疗、远程办公、远程教育等丰富的融合通信体验，如此大规模的用户和业务需求对运营商是机会也是挑战，同时也是驱动5G 技术提供更优频谱效率、更高带宽技术的驱动力之一。二是万物互联的物联网（Internet of Thing/Machine-Type Communications）业务需求，包括智能家居、智能安防、智慧城市、环境监控、个人可穿戴、车联网等智能物联网的连接需求成为5G海量连接的技术需求和驱动力之一。三是高可靠低时延、高精度定位等的关键通信（Critical Communication）场景需求如工业自动化、分布式控制联网通信需求等，是“工业4.0”中智能工厂和智能生产的主要需求场景，更是驱动5G技术演进的重要驱动力之一。

面向如此多样性和极限需求场景，未来的5G网络演进也必须具备几个特性：（1）系统具有灵活性，可进行灵活的带宽管理和有效的用户数据转发；(2)网络具有可扩展性，系统能够收集数据并进行弹性配置和伸缩；(3)系统支持不同的移动性需求，满足不同终端不同业务和应用对移动性的需求；（4）系统具有有效的内容分发能力，通过网内缓存和智能缓存等技术进行高效内容分发。

2.2NFV/SDN引入对运营商现有移动核心网架构造成巨大冲击

网络功能虚拟化/软件定义网络（NFV/SDN）技术是实现5G网络灵活性和弹性扩展能力的关键技术之一。它的优势是实现了对硬件资源的共享、软件化网络功能的快速部署和业务容量的按需灵活分配。SDN（Software Define Network）技术利用网络控制器获取全视角网络拓扑和统计反馈，简化了网络和流量的管理控制功能，实现了IP数据网络控制面与转发面相分离的架构。SDN/NFV相结合实现控制功能软件化，并部署在云资源池中，配合业务需求控制SDN交换机实现高效数据转发。在2G/3G/4G融合移动网络的演进中，融合移动网络将随着技术演进、网络发展和现有设备到达服务年限而逐步由架构于云计算平台的虚拟化移动核心网系统所取代。EPC、IMS核心网控制面网元将逐步迁移动到云计算平台中。用户面各类网关等设备主要用于连接和传送媒体流，可融合SDN交换机功能，以实现快速灵活的数据转发。SDN的南向接口OpenFlow协议可作为控制平面和用户平面之间的控制接口，将SDN控制功能融入控制平面中，利用其全视角网络拓扑和统计反馈功能及算法，实现对用户面建立连接、优化路由和快速转接的功能。

NFV/SDN引入后无疑对运营商现有网络架构造成巨大冲击。移动核心网将由以网元为中心的网络演进为以数据中心云计算平台为核心的软件化网络。现代数据中心都运行着大量服务器，形成大规模虚拟化数据中心，这就要求数据中心具有灵活配置、按需伸缩和业务移植等能力，方能满足新一代NFV/SDN移动核心网的运营服务要求。其次由于5G对容量、时延、多连接和移动性的超高要求，也对移动核心网数据中心的集中化部署提出挑战，部分核心能力下移到本地或更接近用户将成为必然的选择。未来移动网络必然是以数据中心为核心，分布式多级部署和规划的网络架构。因此，对运营商来说现阶段面向网络演进的资源储备应是十分必要的。第三，引入NFV/SDN技术的移动核心网网络安全领域也面临巨大挑战。虚拟化网元的动态特性要求在NFV的初始设计中嵌入安全技术、策略和流程[1]。同时还应建立NFV操作安全基线指南，提供可选的增强型安全措施以便应对保密性、完整性和可用性等安全风险。因此应针对NFV系统和操作定义合理的保密区域通过安全技术和策略进行防护，并提供具备可操作性的环境指南，保证NFV系统和接口运行安全。而SDN技术安全的领域，如接入控制和多路径控制等方面目前只能依靠SDN技术自身，SDN技术亟待解决安全架构的问题。最后，NFV/SDN技术引入还带来技术不成熟的挑战。产业界致力于将新技术与现有产品和技术结合，采用现有成熟的网络协议，扩展SDN技术的范筹，减少革命性技术对产品的影响。而学术界则致力于进一步完善OPenFlow等创新技术的架构和算法，提出满足大规模数据中心和虚拟化组网等商用需求的优化方案。

2.3多样性需求对运营商网络提出挑战

5G不仅要支持移动宽带（MBB）终端，还要支持大规模物联网（MTC/IoT）终端，同时面向更加丰富的多种业务和应用需求，因此5G网络应能感知不同终端、不同业务和应用，满足特定移动性的需求。3GPP已开始在寻呼流程优化方面进行探索[2]。寻呼的容量直接关系到如系统建立时延和呼叫建立时延等重要指标。因此3GPP研究组一是针对用户的特定位置，如在家和在办公室时用户的活动空间有限等场景，提出网络需感知用户的特定位置，触发寻呼优化，缩小寻呼范围，有效降低空口占用，优化系统。另外是针对用户的业务流量属性，提出网络需感知用户使用的应用类型，如当用户在密集区域发生网络拥塞，而用户正在进行即时消息通信，则此时网络感知该应用为非实时应用，可延缓对用户的寻呼和下发消息，有效达到网络削峰的作用，缓解网络拥塞。

以上是对满足未来MBB终端的优化需求，而针对MTC终端接入的优化需求将更为突出。移动物联网终端的几大特性决定了其对网络的多样性要求[3]，如其低移动性表现在不移动、低频移动或在特定区域内移动；定时性表现为仅在特定时间间隔内进行通信；小数据传送特征表现为单次发送数据量小，约为20～200 byte之间。针对移动物联联网终端低移动性的特点，运营商应减少和简化其移动性管理流程，定义适用的移动性管理周期，记录终端接入次数和不可达时间，并通知MTC服务器。针对移动物联网终端定时通信特征，运营商应能优化网络功能，拒绝其在非允许时间段接入或仅允许收费接入等。针对移动物联网终端的小数据传送特征，网络应支持传送小数据分组时对网络影响最小化方案，并能从网络侧激活或去激活终端，有效降低终端的能耗。另外，网络还需具有对MTC终端的监控功能，监控其状态、行为、ME和USIM卡的关联，以及最大失联时间并报告通信失败事件等，并为MTC终端和服务器建立安全可信连接。从以上分析可知，MTC终端对移动核心网的功能有独特要求，且业务模型与MBB业务也有巨大差异。因此对于以网元设置为中心的传统移动核心网，可考虑设置独立的LTE/EPC。而对于以云数据中心为核心的5G虚拟化移动核心网，其关键技术之一—网络切片技术（Network Slicing）则可实现灵活自动化的按需组网。

5G网络切片技术是指将5G 连接服务抽象成多张隔离的虚拟网络的能力。每个网络切片按照业务场景的需要和话务模型进行网络功能的定制剪裁和相应网络资源的编排管理，如图1所示。网络切片通过部署在不同位置的定制化网络功能和其间的传输网络构成。如果能够对网络切片进行实时监控和自动化管理，运营商就能够实时动态监控和分配网络资源，满足多应用场景和多客户租用的业务需求。

网络切片的目标实质上是实现多个隔离的虚拟专用网络，分别为特定用户群如MTC特定终端、特定的企业客户或特定的管理域用户等提供服务的功能架构。因此技术上应能满足如下要求：

网络应能共享无线接入网资源，如图1所示切片1的MBB用户和切片3的MTC用户共享无线接入网RAT1。

网络应能为特定终端或用户分配专用核心网络，如图1所示的切片1为MBB专用虚拟网络，切片2为车联网专用网络，切片3为MTC专用网络。

网络应具备一个公共切片，当专用网络切片不可用时满足用户业务要求，或各网络切片在部署中应具备容灾能力。

技术架构应支持演进过程中，仅部分网络资源切片化或虚拟化的部署场景。

技术架构应支持已附着或正在附着公共切片的用户或者用户从未部署切片化网络的网络单元漫游至切片化网络区域时重定向到符合其属性的专用网络切片上使用业务的能力。

3GPP相关研究组已开展研究[4]，如对于MTC终端可通过定义用户信息参数UUT（UE Usage Type）的方式，实现网络对特定类型用户的感知，并能够重定向到特定网络的网元中。UUT参数存储于HSS中。另外运营商还需为网络配置支持UUT类型相关的信息。相关领域未来的实现机制将取决于对现有网络的影响、业务流程的优化程度、网络配置的复杂度和可实施性、对网络安全的影响，以及对关键性能指标的影响等因素。

2.4网元功能重构对组网带来挑战

当虚拟化技术使网络控制功能软件化后，网络架构设计可以聚焦功能组合，而不再是多个基于标准协议的专用网元逻辑功能。因此网元功能重构是软件化5G网络的必然选择。控制功能重构是指重新定义虚拟化网络控制功能边界，并将每个大的功能实体分解成多个小的功能组件实现，如接入控制组件、移动性管理组件、计费组件、策略组件和连接控制组件等。各功能组件能够按需编排组织，形成快速满足定制化需求的网络配置。用户面重构指数据控制分离、控制转发分离，内部接口简化，外部接口标准化，分布式部署，形成快速灵活的转发能力。重构意味着重新定义功能、接口和架构。重构的软件化网络应满足互联网高速发展的需求，即网络和业务灵活快速部署、功能快速迭代、网络结构和性能优化等要求。因此网元功能重构对下一代移动网络也是一大挑战。

3　面向5G的网络运营转型思路

5G是运营商转型的一个契机。5G网络将为所有可能的连接提供连接手段。NFV/SDN把5G网络运营商从网络基础设施的提供者转变为软件功能平台的运营者。5G需要强大的运营团队完成端到端资源的灵活调度管理、定制化网络功能的编排、深入的数据分析。5G网络需要开放的架构以带来创新。

图1　虚拟化网络切片示意图

3.1向端到端服务和自动化运营管理方向转型

5G核心网架构结合了虚拟化软件化技术、网络切片化组织的概念、按需自动编排和灵活快速部署的设计理念，网络能灵活和自动化配置，环境自动感知、软硬件自动安装升级、网络参数自动配置、故障自动发现，网络具有自主切换、自治愈和自恢复能力。当有新的功能实体加入或退出时，网络拓扑将不受影响。而实现上述能力的关键一是精细化、面向服务的端到端管理视图，提供融合多重资源和NFV系统的端到端服务管理能力，二是实现自动化的敏捷运营管理[5]。

在高度动态的NFV环境中，跨越NFV功能、基础设施和传统互联网络系统进行端到端管理，要求运营商从基于网元、网络、业务的相互独立运营管理模式向端到端管理运营模式转型。运营商要做到（1）为跨越多重资源的管理接口提供一致的关联信息模型；（2）提供统一的操作接口完成端到端行为、故障、配置、帐户、性能、资源和安全管理流程；（3）提高端到端管理信息的一致性。

运营商还需要加速应对服务和需求动态变化的能力，这就要求运营商向自动化运营管理方向转型，实现对网络功能、应用和业务的敏捷管理。这个领域最大的挑战是提供灵活和动态的基于策略的管理功能，它需要实时数据的在线分析，自动化地形成管理策略。开放和标准化的接口、通用信息模型和匹配关系都是提供实时数据分析能力的基本要求。

3.2向数据分析型运营管理转型

大数据可形成帮助企业经营决策的信息来源。通过已有的网络、用户、业务数据，可以预测未来的用户行为、网络状态、市场变化，从而提升用户体验，优化网络运营，拓展市场业务。因而实时运行（Run-time）的基于基础设施和多重资源的大数据分析对5G的网络运营和管理是至关重要的，运营商应向数据分析型运营管理转型。

为满足NFV管理和编排的动态操作需求[5]，运营管理需支持实时运行管理功能。不同于传统的基于统计分析的管理功能，基于实时运行的管理功能需适应商业和服务的敏捷性要求。换句话说，数据接口不需要授权给特定网元交换特定的信息，相反，可以允许不同功能实体基于服务的必要性进行信息的调用。相关数据接口功能将基于实时分析获取的策略，允许服务和应用程序以及相关业务和业务流程，完成基于策略的数据驱动和控制。这种自适应的方法可进一步推动NFV的稳定和演进。

3.3向开放型运营转型

2016年2月23日在西班牙巴塞罗那的世界移动通信大会期间，Linux基金会、中国移动、华为联合发起OPEN-Orchestrator (OPEN-O)项目倡议，该项目旨在集合产业力量，共同开发业界第一个NFV/SDN融合的协同编排器开源软件，实现全网资源的动态可视化构建，加速多厂家相互集成，方便个人和企业客户灵活定制运营商的网络资源。该项目涉及两个领域的开放信息，即软件功能架构的开源开放和运营商网络能力向第三方的开放。软件功能的开源开放可快速推进新技术的成熟和商用，并提供良好的创新空间。而网络能力开放可使网络侧与第三方应用实现良好的互动，服务提供商、虚拟运营商、政企客户、个人客户均可获得所需的定制化电信资源和数据信息服务。运营商正在打破封闭运营的模式，向开放型运营模式转变。这也是未来5G网络运营所需要的。

参考文献

[1]ETSI GS NFV-SEC 003 V1.1.1，Network Functions Virtualisation (NFV); NFV Security;Security and Trust Guidance[S].

[2]3GPP TR 22.838 V14.0.0，Paging policy enhancements and procedure optimizations in LTE (Release 14)[S].

[3]3GPP TS 22.368 V13.1.0，Service requirements for Machine-Type Communications (MTC);Stage 1(Release 13)[S].

[4]3GPP TR 23.707 V13.0.0，Architecture Enhancements for Dedicated Core Networks;Stage 2(Release 13)[S].

[5]ETSI GS NFV-MAN 001 V1.1.1，Network Functions Virtualisation (NFV);Management and Orchestration[S].

Challenge and transformation to meet 5G technology

XIAO Zi-yu
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

AbstractBased on the 5G needs and vision, this paper analyzed the driving force of operator networks evolving to 5G.Then, it proposed that the introduction of NFV/SDN, 5G diversity communication demands and the network element function reconstruction brings opportunities and challengeson the operator's network evolution.In addition, the article proposed that in order to prepare for 5G,the network operators should changetheir operation mode to be the end-to-end automation, data analysis and openness.

Keywords5G; NFV; SDN; operation; transformation

收稿日期：2016-02-29

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1008-5599（2016）03-0001-05