5G移动网络新技术及核心网架构

文/何峰赋

面对5G移动通信网络日趋多样化、差异化的通信场景和业务需求，需要探讨5G移动通信核心网架构及移动性关键新技术，引入软件灵活定义的去中心化网络架构，并提出移动性驱动网络切片MDNS技术、5G切片高速通信技术和边缘缓存技术，结合5G移动通信网络部署特点和回传网络拓扑，实现5G移动网络的资源优化，提升5G移动网络用户体验。

1 5G移动通信核心网架构分析

传统的网络部署要根据业务的峰值容量进行资源的配置，存在网络资源过度配置而导致网络拥塞的现象，原有的网络集中控制和集中路由无法适应网络业务的实际变化需求，也无法使边缘存储和边缘计算获得良好的支撑。为了更好地应对用户及业务的需求，要改变原有网络设备及架构的固化问题，可以采用一种软件定义去中心化网络架构SoftNet，进行5G移动网络架构的智能化自定义，动态激活和灵活部署5G网络的功能，进行网关锚点的动态分配和资源的统一调度，较好地提升5G移动网络资源的利用效率。

1.1 设计原则

在5G移动通信核心网架构设计的过程中，主要秉持以下理念和原则：

1.1.1 适应性

面对不同特征的通信场景，必须采用软件定义去中心化的核心网络架构，以动态地适应不同的通信场景，提升5G移动网络的适应性和功能。

1.1.2 高效性

通过采用软件定义去中心化的核心网络架构，有效提升5G移动网络资源的利用率，规避和解决高信令开销、低效数据转发及高传输时延的缺陷。

1.1.3 可扩展性

通过引入软件定义去中心化的核心网络架构体系，可以灵活高效地支持新业务，满足5G移动网络升级的需求，进行新业务的快速灵活部署和快速响应。

1.1.4 简化功能

5G移动网络核心网的软件定义去中心化架构支持移动性管理和转发隧道管理，基于大量的网元功能及通信协议的前提，可以实现5G移动网络的简化，避免5G移动网络功能冗余的问题。

1.2 5G移动网络SoftNet的逻辑架构及功能分析

5G移动网络采用软件定义去中心化的SoftNet的非集中式网络控制方式，有效提高网络的灵活性和可扩展性，主要由统一接入网和基于SDN的核心网构成，其中：统一接入网的无线接入点均连接到核心网边缘的本地接入服务器LAS上，通过任意无线接入点服务的移动终端或LAS上的分布式网关，进入到核心网中进行访问。基于SDN的核心网主要实现移动性管理和通信控制管理，由软件的网络功能实现移动性管理、QoS控制和网络管理，通过网络控制器和网络基础设施进行网络控制，提供网络管理策略，并动态决定QoS控制的参数。同时，在进行网络移动性管理的过程中，要重点关注移动性锚点的具体位置和部署方式，可以将LAS作为分布式网关部署于接入网之中，支持分布式移动性管理，实现对异构接入网络无线资源的多接入协调和统一调度，有效实现5G移动网络的移动性事件管理，包括位置管理和切换管理，并通过对分布式网关的控制和管理，实现本地流量卸载。

2 5G移动网络新技术的应用分析

2.1 网络功能虚拟化技术

5G移动网络中的NFV技术是重要的关键技术，主要涵盖有以下内容：

2.1.1 网络功能虚拟化组件（NFVI）

由虚拟机和服务器等物理资源进行具体功能模块的封装和承载，进行数据的底层传输、存储和计算的资源支撑。

2.1.2 虚拟化网络功能（VNFs）

采用NFV软件技术进行部署，具体执行某一特定功能，诸如：域名解析系统、网络地址转换系统、防火墙等。

2.1.3 NFV编排管理

要合理确定所需的多个VNF的数量及连接关系，明晰多个VNF在服务链中的排列方式，并通过底层NFVI构建服务链，较好地实现特定切片网络的具体功能，实现对网络系统资源的移动性管理。

2.2 5G切片中的高速通信技术

2.2.1 采用基于软件OVS的虚拟机数据转发

2.2.2 基于硬件OVS的虚拟机数据转发

由于基于软件OVS的数据转发难以满足低时延、低能耗的通信需求，包头解析模块对嵌套帧的解析流程过于繁琐，为此，要引入基于硬件OVS的虚拟机数据转发，通过FPGA开发板的以太网光接口和PCIe接口进行硬件转发，其功能模块主要包括有：

（1）管理模块。该模具具有对数据包与控制命令的区分功能，可以从控制层面经PCIe到硬件转发层面，对数据包和流表模块命令等下行数据进行新的封装和承载，从硬件转发层面经PCIe到控制层面，对上行数据进行信息读取和发送。

（2）预处理模块。主要实现对数据包类型的区分，提取不同数据包的关键字信息，并将其发送给流表模块，将原始数据缓存于RAM之中，具体处理流程为：数据包类型侦测——关键字提取。

（3）流表模块。主要实现对流表项的维护，包括流表项的新增、删除、查询和修改等，并对关键字进行流表项匹配，较好地优化流表结构和匹配方式。

（4）操作模块。以流表模块输出的操作地址信息进行操作，进行原始数据的字段修改、丢弃、转发等。

（5）发送模块。主要是将操作模块修改的数据包发送至对应的端口。

“所谓混合式学习就是要把传统学习方式的优势和网络化学习的优势结合起来，也就是说，既要发挥教师引导、启发、监控教学过程的主导作用，又要充分体现学生作为学习过程主体的主动性、积极性与创造性”（何克抗教授）。李克东教授进一步指出，混合式学习形式上是在线学习与面对面学习的混合。但其更深层次是包括了基于建构主义、行为主义、认知主义等不同教学理论的教学模式混合。教师主导活动和学生主体参与活动的混合，课堂教学与在线学习不同学习环境的混合，不同教学媒体和教学资源的混合，自主学习和协作学习不同学习方式的混合，课堂讲授和虚拟教室的混合。

（6）PCIe数据分发模块。该模块主要实现回复命令和数据的区分，并通过PCIe接口进行数据信息的上发，能够对数据进行优先级选择，使之进入到PCIe通道的队列之中，进行数据信息的传输。

基于硬件OVS的虚拟机数据转发主要采用两个关键技术，即：Vxlan多字段侦测技术和优化软硬件交互模式，其中：Vxlan数据帧是在普通以太网帧包头中添加4个字节的Tag字段，通过一次性获取Vxlan帧的外层以太网、IP、UDP包头及Vxlan内部帧包头，进行多字段的同时快速验证和侦测，获取内部数据。优化软硬件交互模式则在当发送方累积到一定数量的数据包之后，进行DMA传输，规避数据累积时延与中断时延的矛盾。

2.2.3 硬件OVS在5G移动网络中的应用

为了解决覆盖多应用场景、多业务需求，可以采用硬件OVS降低数据包在虚拟机之间的转发时延，实现硬件转发层面的流表控制、流表缓存和驱动管理，可以将硬件OVS嵌入到5G移动网络的DU处，实现5G前传网络接入流量在切片内多个虚拟机的疏导和传送。也可以将硬件OVS嵌入到5G移动网络的CU处，合理区分不同类型的业务，实现不同业务的定制化处理，有效提升CU中虚拟机之间数据的转发效率。

2.3 5G移动网络边缘存储技术

缓存策略是5G移动网络中的关键技术，主要涵盖以下内容：

2.3.1 CDN缓存

该缓存技术将分发任务卸载到副本服务器，降低源服务器载荷，并将内容部署在临近用户的位置，减少用户访问时延，提升内容的可用性，有效缓解网络的拥堵现象。

2.3.2 基站缓存

可以在现有的宏基站（MBSs）和微基站（SBSs）进行缓存部署，替代原有的网络回程链路，使之成为没有回程链接的微基站，进行用户内容的灵活高效分发服务和部署，有效缓解5G移动网络中回程链路的拥堵问题，提升5G移动网络的能效。

2.3.3 终端设备缓存

可以根据既有的信息进行用户内容的推送，也可以依据用户偏好信息，进行基站主动下载用户内容并传送给用户，有效改善移动网络中用户的体验质量。

2.3.4 缓存策略

可以采用最近最久未使用算法（LRU）、最近最少使用算法（LFU）和缓存最流行算法（MPC），有效提高蜂窝网络的带宽，降低网络端到端的延迟。

4 结语

综上所述，5G移动网络核心网络架构和关键技术不断成熟和发展，面对日益复杂多元化的网络业务需求，要不断优化5G移动网络核心网络架构和关键技术，提出集中控制与分布控制相结合的移动性网络管理体系，使其部署更加合理、灵活和高效。还要合理采用各种移动网络关键技术，如：网络功能虚拟化技术、5G切片中的高速通信技术、移动网络边缘存储技术等，较好地改善用户的网络通信体验质量，拓宽网络通信范围，提升网络通信设备传输效率。