［鄒瑩］

基于SDR、SDN技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)

［鄒瑩］

快速多元化的市場需求給常規(guī)的移動寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出了巨大的挑戰(zhàn)。一方面，有限的機(jī)房空間以及電力供應(yīng)不足等問題使得運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)量無法成倍增長。另一方面，不同規(guī)格無線設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入異質(zhì)性導(dǎo)致管理和優(yōu)化方面費(fèi)用非常高昂。文章提出了涉及不同技術(shù)的整體解決方案，即網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV），軟件定義的無線電（SDR）和軟件定義的網(wǎng)絡(luò)（SDN）。同時，提出了4G/ 5G移動網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展方向及幾個技術(shù)方向難題。

NFV SDR SDN 5G 4G

鄒瑩

碩士，畢業(yè)于廣東工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任廣州杰賽科技股份有限公司市場分析師，研究方向為通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，通信市場變化及發(fā)展趨勢。

1　引言

過去十年中，移動無線流量經(jīng)歷了爆炸性的增長，很大程度上帶動了移動設(shè)備的更廣泛的應(yīng)用。移動設(shè)備的應(yīng)用場景從傳統(tǒng)的實時語音通信向社交網(wǎng)絡(luò)、娛樂和電子商務(wù)等方向拓展。移動設(shè)備的數(shù)量及數(shù)據(jù)流量不斷呈指數(shù)級增長。

到2020年，4G移動網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)功能將難以滿足移動數(shù)據(jù)的需求，這已經(jīng)成為全球廣泛的共識。由于無線鏈路效率即將達(dá)到最大限制，因此未來系統(tǒng)要提升無線通信容量需要從改革和優(yōu)化組網(wǎng)方案和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面入手。

由于高度多元化的接入技術(shù)，4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)就是異構(gòu)性，因此通信運(yùn)營商要求設(shè)備商提供高效節(jié)能的解決方案?；谝陨系膯栴}，本文介紹一個解決方案，包含網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV），軟件定義的無線電（SDR）和軟件定義的網(wǎng)絡(luò)（SDN）。

2　技術(shù)介紹

首先，NFV使用標(biāo)準(zhǔn)的IT虛擬化技術(shù)將多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型整合為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高容量服務(wù)器、交換機(jī)和存儲設(shè)備。通過NFV技術(shù)，運(yùn)營商可以將網(wǎng)絡(luò)上的現(xiàn)有設(shè)備轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行管理［1］。不再需要為每一個新服務(wù)安裝硬件設(shè)備，只需要通過NFV技術(shù)將相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)功能分配給新服務(wù)需求，這將降低資本支出（CAPEX）及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營管理支出（OPEX）。標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可以從硬件平臺遷移至另一平臺。

其次，SDR通過不同的軟件重新配置無線電實現(xiàn)多種模式。軟件可以被預(yù)加載在設(shè)備中，或者通過固定數(shù)據(jù)鏈路或空中下載。SDR技術(shù)已經(jīng)被成功運(yùn)用在軍事通信，最近也逐漸被民用電子產(chǎn)品市場引用［2］?？删幊痰腟DR解決方案可適應(yīng)無線標(biāo)準(zhǔn)快速發(fā)展，支持無線標(biāo)準(zhǔn)在短時間內(nèi)面向市場。

第三，SDN允許電信軟件開發(fā)人員可以像控制計算資源一樣控制網(wǎng)絡(luò)資源［3］。為了通過外部應(yīng)用支持網(wǎng)絡(luò)可編程性，SDN通過接口設(shè)備解決了從控制平面到數(shù)據(jù)平面的分離，該接口位于集中控制器和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)中間。

一方面，軟件定義控制器功能作為控制面，該控制器邏輯上相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)智能的核心。另一方面。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備變成了簡單的分組轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備成為了數(shù)據(jù)平面。

本文研究在4G/5G移動網(wǎng)絡(luò)中將SDR、SDN和NFV整合的可能性。目標(biāo)是減少設(shè)備成本和功耗，以及提升開放型和多用戶支撐。通過整合未來網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)專注于智能化、低成本高性能的網(wǎng)絡(luò)。最后討論未來5G網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)和挑戰(zhàn)，如毫米波，大規(guī)模MIMO，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

3　基于NFV，SDR，SDN技術(shù)的4G/5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

圖1　網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖1為NFV，SDR和SDN的整合結(jié)構(gòu)圖。有了NFV技術(shù)，運(yùn)營商可以通過標(biāo)準(zhǔn)的IT虛擬化技術(shù)來構(gòu)建一個端到端的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；通過軟件來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能；通過在服務(wù)器安裝或者更新軟件包來新增或測試新網(wǎng)絡(luò)功能。網(wǎng)絡(luò)定義無線網(wǎng)（SDR）指的是發(fā)射端調(diào)制器由計算機(jī)生成或定義的無線通信。接收端可由計算機(jī)智能解調(diào)信號。SDR克服了硬件的缺陷，將控制功能和服務(wù)功能分離開。SDR技術(shù)提供設(shè)備和功能支持NFV架構(gòu)，NFV則為SDN提供架構(gòu)支撐。

NFV：NFV通過標(biāo)準(zhǔn)IT虛擬化技術(shù)將眾多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備整合成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的大容量服務(wù)器、交換機(jī)、存儲設(shè)備，這些設(shè)備為局房數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、終端用戶等應(yīng)用環(huán)境服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)功能通過在虛擬設(shè)備中運(yùn)營的軟件包來實現(xiàn)［4］。NFV可以指定新的機(jī)制來部署和運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)服務(wù)，用最小的成本達(dá)到快速配置和發(fā)布新功能的目的［5］。由圖1中可見NFV的分層架構(gòu)，包含虛擬網(wǎng)絡(luò)功能，虛擬和物理基礎(chǔ)設(shè)施。這些模塊是標(biāo)準(zhǔn)化的未來目標(biāo)。在圖中所示的體系結(jié)構(gòu)框架重點(diǎn)展示網(wǎng)絡(luò)虛擬化及相關(guān)管理的必要功能。

SDR：無線通信系統(tǒng)中的組件一般通過硬件來實現(xiàn)，SDR可通過個人計算機(jī)或內(nèi)置軟件系統(tǒng)來新增實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的組件。

SDR技術(shù)的靈活性和低廉的費(fèi)用是通信進(jìn)步的強(qiáng)勁驅(qū)動力。理想的SDR技術(shù)具有多個頻段、多模式以及開放架構(gòu)。通過加載軟件獲得的功能可以提供各種無線通信服務(wù)?；镜腟DR平臺包括天線、多頻射頻（RF）模塊、寬帶A / D（D / A）轉(zhuǎn)換器、DSP處理器和其他外設(shè)。SDR將A/D和D/A置于RF附近，并用可編程的DSP或FPGA設(shè)備替換專用數(shù)字電路［6］。基于相對通用的硬件平臺，SDR可以通過軟件來實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)功能，從而達(dá)到將系統(tǒng)的硬件架構(gòu)和系統(tǒng)功能的分離的目標(biāo)［7］。該系統(tǒng)可以通過改變軟件處理模塊從而直接升級。

SDN：在SDR中的網(wǎng)絡(luò)控制功能與編程軟件無關(guān)，因此底層基礎(chǔ)設(shè)施可以抽象理解為應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)視為邏輯或者虛擬存在的［8］。圖1左側(cè)部分即為SDN的架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)智能功能整合在SDN控制器中。企業(yè)和運(yùn)營商只需要接受SDN控制器的指令就可獲得整個網(wǎng)絡(luò)的自主控制權(quán)，而不再需要通過上千個協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的接口進(jìn)行控制。隨著SDN控制器與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之間的API協(xié)議的開放，商業(yè)應(yīng)用可以不用再受限于其具體配置細(xì)則，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)性能就可以運(yùn)營了［9］。現(xiàn)如今是應(yīng)用定制化時期，SDN技術(shù)使得網(wǎng)絡(luò)不再受限于應(yīng)用需求，而應(yīng)用開發(fā)也不用再受限于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)性能。因此，計算能力、存儲能力及網(wǎng)絡(luò)資源可進(jìn)一步優(yōu)化。

在圖1的體系結(jié)構(gòu)中，NFV可以增加運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的部署和集成的靈活性。NFV的目標(biāo)可以通過SDN機(jī)制來達(dá)到，達(dá)成增強(qiáng)性能、簡化網(wǎng)絡(luò)部署兼容、降低運(yùn)行維護(hù)成本等目標(biāo)［10］。同時，NFV則提供基礎(chǔ)架構(gòu)支撐SDN軟件運(yùn)行。另外，SDR為移動網(wǎng)絡(luò)提供功能虛擬化功能。

4　未來的技術(shù)挑戰(zhàn)

4G/5G網(wǎng)絡(luò)將包含超高載頻、多種類型帶寬、巨量基站和設(shè)備以及天量的天線，核心網(wǎng)絡(luò)需要達(dá)到前所未有的靈活性和智能化。未來，以下關(guān)鍵技術(shù)可能將成為未來研究的重點(diǎn)方向。

（1） 毫米波

毫米波技術(shù)是適用于未來5G蜂窩系統(tǒng)的很有前途的技術(shù)。未來5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)超高帶寬，從26.5到300GHz。此外，相比微波，毫米波的天線波束尺寸小得多，可以更精確的瞄準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射信號。毫米波對NFV提出了更高精度的設(shè)備需求。

（2） 大規(guī)模MIMO

未來的MIMO天線陣列將在現(xiàn)有MIMO天線的基礎(chǔ)上提升以下的功能：

① 增加10倍以上的容量，同時大幅提升輻射能耗性能。

② 低成本，低功耗的組件；

③ 大幅降低空中接口的延遲；

④ 魯棒性：減少人為或其他干擾；

⑤ 減少線性度和精度限制；

（3） 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是公認(rèn)的應(yīng)對LET-Advanced（LTE-A）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量爆炸問題最可行的解決方案。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，不同的節(jié)點(diǎn)具有不同的傳輸功率，可以構(gòu)成不同范圍的小區(qū)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以將不同網(wǎng)絡(luò)層充分利用。

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中使用NFV、SDR和SNR技術(shù)時，不同網(wǎng)絡(luò)層之間的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)和各種技術(shù)要求引發(fā)了一系列的問題和挑戰(zhàn)。技術(shù)需求主要體現(xiàn)在頻譜資源，網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，業(yè)務(wù)需求，終端移動性和運(yùn)營管理。特別是用戶可以通過SDR技術(shù)頻繁切換頻率，滿足高速率數(shù)據(jù)的需求，這將造成巨大的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和管理壓力。

5　總結(jié)

本文在網(wǎng)絡(luò)介紹了一種適用于4G/5G網(wǎng)絡(luò)的NFV、SDR和SDN集成架構(gòu)，并進(jìn)一步闡述了未來4G/5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究中的重點(diǎn)技術(shù)研究方向，包括毫米波，大規(guī)模MIMO，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。綜上，在未來移動網(wǎng)絡(luò)升級中，NFV，SDR和SDN將發(fā)揮重要的作用。

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