基于软件定义网络的5G网络架构

李宇涵

摘 要：第五代移动通信系统5G对移动互联网和物联网的功能和业务需求提出了许多新的挑战。软件定义网络SDN基于控制和转发相分离的思路，实现了网络和业务的可编程，给网络带来了极大的灵活性，使资源利用率低、网络传输转发性能受限、传统网络结构封闭僵化等问题得以有效地解决。将SDN引入5G网络构架已成为研究热点。该文介绍了两种基于SDN的5G网络架构，分别阐述了它们的结构构成，每个部分的主要功能及相关技术。最后在所提架构的基础上对未来研究方向进行了展望。

关键词：5G网络体系架构 软件定义网络SDN 三朵云

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）02（a）-0067-04

1 简介

随着4G进入规模商用阶段，面向2020年及未来的第五代通信（5G）已成为全球研发热点。根据中国IMT-2020 5G推进组颁发的《5G网络技术架构白皮书》，5G将主要解决业务方面和网络性能这两个方面的问题。业务方面，主要解决多样化业务场景下差异化性能指标带来的挑战，其中用户体验速率、流量密度、时延、能效和连接数都可能成为不同场景的挑战性指标。网络性能，从移动互联网和物联网主要应用场景、业务需求及挑战出发，可归纳出连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和高可靠4个5G主要技术场景。不同技术场景面临不同的挑战。连续广域覆盖场景的主要挑战是随时随地（包括小区边缘、高速移动等恶略环境）为用户提供100 Mbps以上的用户体验速率；热点高容量场景的主要挑战是1Gbps用户体验速率、数十Gbps峰值速率和数十Tbps/的流量需求密度；低功耗大连接场景的挑战不仅要求网络满足100万/km2连接数密度指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本；低时延高可靠场景需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证[1]。综上可以总结出，5G网络系统功能的需求和用户体验随着用户场景的不同也大不相同。因此，5G的网络架构因该具有灵活性、可调能力、可编程能力以适应各种场景。同时5G网络架构的部署还用满足ITU-R描述的5G场景的3个基本要求：提高移动带宽，超可靠低时延通信，多种设备类型通信。因此，5G网络架构要求和设计原则总结如下。

（1）控制平面和用户平面要进一步地分开，而且能够被独立部署。

（2）网络结构设计应该更注重网络功能的实现而不是物理实体，网络功能应该模块化，网络架构应该支持按需调整。

（3）网络架构支持根据服务要求动态、灵活地分配网络资源。

（4）网络架构拥有向后兼容的能力以支持多网络/多RAT协调。

（5）具有更广泛更深入的网络功能[2]。

现有的无线网络架构中，基站、服务网、分组网关除完成数据平面的功能外，还需要参与一些控制平面的功能，形成分布式的控制功能，网络没有中心式的控制，使得与无线相关的优化难以完成。同时各厂商的网络设备往往配备制造商自己定义的配置接口，不仅需要通过复杂的控制协议来完成其配置功能，而且其配置参数也很多，配置、优化和网络管理都很复杂[3]。这种控制方式，使得运营商对自己部署的网络难以做到智能控制，业务创新方面能力受到限制。因此，SDN的概念被引入网络，软件定义无线网络将成为无线网络发展的重要方向。

SDN是斯坦福大学于2009年正式提出的，它是为解决传统网络架构及操作模式暴露出的问题所提出来的一个计算机网络范例。目前开放式网络基金会（ONF）提出的SDN架构图已得到学术界和产业界的广泛认可，该结构主要由3层构成，自上而下分别为应用层、控制层和设施层，如图1所示。

SDN架构中，最上层是应用层，包含了各种不同的业务和应用。中间是控制层包含各类SDN控制器，主要负责处理平面资源的编排，维护网络拓扑、状态信息等。在整个体系中，信息都集中在基于软件的SDN控制器，该控制器拥有网络整体视角，能够以一种独立于供应商的方式控制网络终端[4]。网络设备不再需要应用和理解不同网络协议标准，网络行为可以通过对集中控制器编程而实现，而不需再使用分散在网络中不同设备的自定义配置，这省去了许多时间和资源。最下层是基础设施层，该层的主要功能是数据处理、转发和状态收集，通过开放的标准接口为控制层提供服务。除了上述3个层次之外，控制层与基础设施层、应用层之间的接口也是SDN架构中两个重要组成部分[5]。控制层与基础设施层之间的接口称为南向接口，控制器通过南向接口与基础设施设备进行交互，获取设备状态信息，产生全局网络拓扑视图，并向基础设施层设备发送控制信息，执行策略制定，从而实现同一控制功能[6]。ONF已经在南向接口上定义了开放的OpenFlow标准。控制层与应用层间的接口称为北向接口，控制层通过北向应用程序编程接口（API）将抽象的底层网络设备资源信息供给上层应用。

SDN有以下4个特点：第一，控制层和数据层完全分离；第二，有一个集中控制器以及网络全局观，网络管理员可以以更集中的方式编写流量和网络的行为，而不需要独立访问和配置每一个网络硬件设备；第三，开放接口，实现应用和网络的无缝集成，使得应用能告知网络如何运行才能更好地满足应用的需求；第四，通过额外应用程序实现网络可编程化。将SDN应用于5G网络架构中，在实现保留网络硬件转发功能的同时，上层可以进行集中控制，网络应用和功能可编程化，使移动网络功能更加合理和高效，能够满足日后不断增加的接入速率和用户的上网需求[7]。

2 基于SDN的5G网络架构

如图2（a）所示，在传统的网络中，控制平面和数据平面结合在一个网络节点中。控制平面负责网络节点的配置和编写转发数据流的路径。一旦控制平面确定了转发路径，路径被下推给数据平面。硬件层中的数据转发都是基于控制信息。已经确定的转发规则只能通过改变终端配置进行调整。这种架构限制了网络运营商不能根据流量需求变化、移动终端使用量增加和“大数据”的影响而调整网络。

如图2（b）所示，基于SDN的网络架构中控制平面从单独的网络节点移除，移动到独立集中的控制器中。SDN交换机由网络操作系统控制。这个网络操作系统通过API收集信息，操纵转发平面，并为SDN控制器组织应用提供一个网络拓扑的抽象模型。控制器可以利用掌握的全网信息优化流量安排，并支持用户服务需求的可变性和灵活性。

在现有的文献中，已经出现了若干种方法定义以SDN为基础的5G网络架构，该文主要介绍分析文献[9，10]中提出的“弹性的5G网络架构”，和文献[11]中的基于SDN的“三朵云”5G网络架构。

2.1 基于SDN的弹性的5G网络架构

这个架构的特点是控制功能既不属于任何特定的逻辑元件，也没有预先建立任何物理基础设施，但与3GPP通信系统完全兼容，通过细化逻辑架构、功能、接口和程序使控制平面和数据平面满足服务功能和需求。该架构的控制平面是统一控制的，由3个逻辑控制器构成：设备控制器、边缘控制器和协调控制器，包括了接入层/非接入层（AS/NAS）控制平面和管理平面功能，如图3所示。

设备控制器位于终端设备中，它的主要功能是承担起物理层和5G网络的连接。由于5G网络要求终端设备具有无线多元化和有线接入功能，因此，设备控制器相应具有访问层功能，比如：访问选择功能和网络选择功能。

边缘控制器实现了5G网络控制平面的功能，该功能包括网络访问控制、包路由和发送、移动性和连接管理、安全性和无线资源管理功能。换句话说，边缘控制器继承了4G网络中由eNodeB和MME实现的AS/NAS功能。

边缘控制器分布在云基础设施上，通过一组相互关联的控制应用程序（C-Apps）来实现。每个控制应用程序负责网络控制功能的一个子集。关键的控制应用程序有连接（会话）管理（CM）、移动性管理（MM）、安全（SEC）、授权和认证（AA）、接纳控制（AC）、流程管理（FM）和无线接入（RA）应用。其中，为了实现无线链路上控制层和数据层的完全分离，无线接入应用程序近一步划分成RAC应用程序和RAD应用程序，对于一个连接终端，RAC应用程序在管理控制平面的同时还可能实现多个不同接入点，而应用程序主要负责数据平面的管理。

为了实现5G关键应用场景之一—— 关键任务机通信，移动设备应支持AS/NAS功能，因此，边缘控制器分为边缘控制器I和边缘控制器II，边缘控制器I在云基础设施的边缘并且由控制应用程序组成，边缘控制器II则暂时或者永久地在移动设备上应用。

协调控制器的功能是协调各种云资源的利用，云资源包括计算、存储、内存和网络。协调控制器是嵌入在数据中心的虚拟网络功能实体，这些功能实体使控制平面具有灵活性和适应性。根据不断变化的网络工程要求和服务性能要求，网络管理员可以动态配置网络。

协调控制器是由资源协调模块（RO）和拓扑管理模块（TM）组成的。资源协调模块定义了如何分配物理资源以实现边缘控制器应用程序。换句话说，资源协调模块为虚拟控制和数据平面在云基础设施上的实现确定了嵌入方案。拓扑管理模块直接管理物理资源，由拓扑管理应用程序（TM-A）模块和拓扑管理链接（TM-L）模块组成的。这两个模块分别控制虚拟机和虚拟链接，需要实现并连接边缘控制器的控制应用程序。

资源业务管理模块是一个集中的模块，拥有整个云基础建设可视性，实现的是嵌入在数据中心的虚拟网络功能。而拓扑管理应用程序（TM-A）模块和拓扑管理链接（TM-L）模块是分散的模块，通过与SDN平台交互实现数据流转发，通过与云管理平台实现控制应用程序的实现。

数据平面在该文提出的架构中，通过SDN技术对5G数据平面采用了一种全新的设计方法。该架构中，既没有专门的数据平面网络（比如：4G中的SGW和PGW），也没有为整个连接设备群定义专门的逻辑元素（比如说网关或者移动锚点）。当设备要进行网络连接时，必须要分配一个地址和一个与之相对应的最后一跳路由节点（LHRE），最后一跳路由节点将设备的无线接入点和回程基础设施相连接。此外，当移动设备连接到网络时，流程管理应用程序必须为设备建立一条转发路径，该转发路径要允许设备产生的数据包转发到网络接入点（或者到设备的最后一跳路由元件）。网络入口点（NEP）为业务管理控制器控制的物理基础设施标清边界，不同的连接设备可能有不同的网络接入点。建立一条转发路径需要流程管理应用程序（FM-App）选择一条可用链路，该链路可以作为嵌入在LHRE和NEP之间的虚拟链路，同时也需要SDN控制器为交换机设置转发路由表项。

2.2 基于SDN的“三朵云”5G网络架构

在“三朵云”的5G网络架构中，整个5G网络被分为3个部分：控制云、接入云和转发云。在这个架构中，控制云提供了逻辑集中的网络控制功能，用户数据只经过接入云和转发云，实现了控制平面和用户平面的分离。接入云支持多种无线技术和网络形式。转发云基于通用的硬件平台，在控制云高效的网络控制和资源调度下，实现业务数据流的高可靠、低时延、均负载的高效传输，并提高用户体验。网络功能实现模块化，各功能间通过软件接口连接。“三朵云”通过虚拟化技术实现，并且利用网络管理和协调模块实现动态分配网络资源。

控制云是5G网络中集中控制功能的核心，由多个虚拟网络控制功能模块组成。在实际的部署中，网络控制功能会被分布到一个或者多个的云计算数据中心，而且与无线接口有关的控制功能会被分布到接入网或者接入点。网络控制功能模块通过软件应用程序实现，该功能模块符合ETSI定义的NFV框架。因此，除了分属于不同供应商的两个模块间的接口，其余的不同功能间的接口都不需要标准化。不同网络控制功能的组合可以应用在不同的场景中。

接入云也被称为5G智能接入网络（S-RAN）。从宏观来看，智能无线接入网是一朵“云”，但从微观来看，智能无线接入网是由许多“小水滴”组成的。这些“小水滴”是覆盖区域，覆盖区域根据特殊使用场景要求灵活地采用不同组网方式。5G接入云使用了基于集群的集中控制，这主要反映在以下3个方面。

第一，协同资源管理。基于集中接入控制模块，5G能在基站之间建立更快、更灵活、更有效的合作机制，从而实现了小区之间资源调度和管理，提高了网络资源的使用率以及用户体验。总之集中接入控制能从以下几个方面提高接入网功能，干扰管理、网络能源效率、多RAT协调和基站缓存。

第二，接入网虚拟化。网络虚拟化能用来实现不同虚拟用户、服务和运营商的多样需求。在智能无线接入网中，无线资源是虚拟化的，可以被切片以实现资源灵活分配及管理，这同样可以实现未来网络功能开发和可编程化的要求。

第三，以用户为中心的虚拟小区。对于多层次的移动网络来说，控制平面与用户平面的完全解耦减少了不必要的切换和信令，集中了无线接入承载资源。同时，基于服务、终端、用户类型和接入点的灵活选择可以用来建立以用户为中心的虚拟小区。提升用户体验。

转发云着重于数据流高速率的转发和处理。逻辑上，转发云包括高速率转发单元以及各种服务因子。5G架构的转发云中，在控制云的控制下，服务因子连同转发单元被部署在一个网络拓扑中。控制云根据用户消息、服务消息及运营商政策为特定服务流选择路径（转发单元和服务因子）。此外，转发云可以根据控制云中的缓存策略缓存常用内容，以此降低时延，减少网络额外流量，提高用户体验。转发云可以在控制云的控制下根据场景和用户环境被灵活部署。在一些特殊的场景中，该地网关和该地缓存被部署在接入网中以实现本地向云端卸载业务量。

3 研究展望

通过以上描述的5G网络架构的开发与部署，已经实现了低时延和超高可靠性，并且能够根据服务要求动态、灵活地分配网络资源，这些都是5G网络架构的要求，但是在5G架构中融合SDN还需要考虑网络技术兼容性、接口开放及标准化以及网络可扩展性等问题。

首先，是网络兼容性，SDN方法如何被集成到5G网络中。由于SDN是相对新型的技术，部分标准还在研究中，已经研究出的标准和应用也尚不成熟，另一方面，5G移动通信系统所要求的复杂网络、终端、业务特性也对与SDN技术融合提出挑战[11]。因此，如何在5G网络架构设计中，充分考虑5G现有新型接入技术与5G间的兼容和标准化问题将是重要的研究课题。

其次，是接口的开放与标准化。标准对于解决传统网络不同供应商设备之间的交互性是很必要的。在5G网络中，网络功能是模块化和虚拟化的。因此，采购和网络模型也会改变，从横向的多厂商设备到纵向的多厂商软件和硬件。网络功能之间软件接口是否需要标准化，哪一个接口需要标准化，都有待进一步研究。

最后，可扩展性，研究基于SDN的5G网络架构问题亟需解决SDN的可扩展性问题。SDN可扩展性问题可以被分成控制器可扩展性和网络节点可扩展性。关键是控制器的可扩展性，关于控制器的可扩展性还有3个问题需要研究：第一，多个节点和单个网络交换网络信息时产生的时延；第二，SDN控制器如何通过东行和西行的API与别的控制器进行通信；第三，控制器后台数据库的大小和运算。

4 结语

5G移动通信系统融合进SDN已成为业界和学术界的共识。该文首先介绍了5G的多场景技术要求和5G网络架构设计要求，然后对SDN的系统架构及其应用于5G的好处进行阐述。接着本文介绍了基于SDN的弹性的5G网络架构和基于SDN的“三朵云”5G网络架构。最后对现有研究进行了进一步的展望，基于SDN的5G网络还应在网络技术兼容性、接口开放及标准化和网络可扩展性做进一步研究。

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