李宇涵

摘 要：第五代移動通信系統(tǒng)5G對移動互聯(lián)網和物聯(lián)網的功能和業(yè)務需求提出了許多新的挑戰(zhàn)。軟件定義網絡SDN基于控制和轉發(fā)相分離的思路，實現了網絡和業(yè)務的可編程，給網絡帶來了極大的靈活性，使資源利用率低、網絡傳輸轉發(fā)性能受限、傳統(tǒng)網絡結構封閉僵化等問題得以有效地解決。將SDN引入5G網絡構架已成為研究熱點。該文介紹了兩種基于SDN的5G網絡架構，分別闡述了它們的結構構成，每個部分的主要功能及相關技術。最后在所提架構的基礎上對未來研究方向進行了展望。

關鍵詞：5G網絡體系架構 軟件定義網絡SDN 三朵云

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（a）-0067-04

1 簡介

隨著4G進入規(guī)模商用階段，面向2020年及未來的第五代通信（5G）已成為全球研發(fā)熱點。根據中國IMT-2020 5G推進組頒發(fā)的《5G網絡技術架構白皮書》，5G將主要解決業(yè)務方面和網絡性能這兩個方面的問題。業(yè)務方面，主要解決多樣化業(yè)務場景下差異化性能指標帶來的挑戰(zhàn)，其中用戶體驗速率、流量密度、時延、能效和連接數都可能成為不同場景的挑戰(zhàn)性指標。網絡性能，從移動互聯(lián)網和物聯(lián)網主要應用場景、業(yè)務需求及挑戰(zhàn)出發(fā)，可歸納出連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和高可靠4個5G主要技術場景。不同技術場景面臨不同的挑戰(zhàn)。連續(xù)廣域覆蓋場景的主要挑戰(zhàn)是隨時隨地（包括小區(qū)邊緣、高速移動等惡略環(huán)境）為用戶提供100 Mbps以上的用戶體驗速率；熱點高容量場景的主要挑戰(zhàn)是1Gbps用戶體驗速率、數十Gbps峰值速率和數十Tbps/的流量需求密度；低功耗大連接場景的挑戰(zhàn)不僅要求網絡滿足100萬/km2連接數密度指標要求，而且還要保證終端的超低功耗和超低成本；低時延高可靠場景需要為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業(yè)務可靠性保證[1]。綜上可以總結出，5G網絡系統(tǒng)功能的需求和用戶體驗隨著用戶場景的不同也大不相同。因此，5G的網絡架構因該具有靈活性、可調能力、可編程能力以適應各種場景。同時5G網絡架構的部署還用滿足ITU-R描述的5G場景的3個基本要求：提高移動帶寬，超可靠低時延通信，多種設備類型通信。因此，5G網絡架構要求和設計原則總結如下。

（1）控制平面和用戶平面要進一步地分開，而且能夠被獨立部署。

（2）網絡結構設計應該更注重網絡功能的實現而不是物理實體，網絡功能應該模塊化，網絡架構應該支持按需調整。

（3）網絡架構支持根據服務要求動態(tài)、靈活地分配網絡資源。

（4）網絡架構擁有向后兼容的能力以支持多網絡/多RAT協(xié)調。

（5）具有更廣泛更深入的網絡功能[2]。

現有的無線網絡架構中，基站、服務網、分組網關除完成數據平面的功能外，還需要參與一些控制平面的功能，形成分布式的控制功能，網絡沒有中心式的控制，使得與無線相關的優(yōu)化難以完成。同時各廠商的網絡設備往往配備制造商自己定義的配置接口，不僅需要通過復雜的控制協(xié)議來完成其配置功能，而且其配置參數也很多，配置、優(yōu)化和網絡管理都很復雜[3]。這種控制方式，使得運營商對自己部署的網絡難以做到智能控制，業(yè)務創(chuàng)新方面能力受到限制。因此，SDN的概念被引入網絡，軟件定義無線網絡將成為無線網絡發(fā)展的重要方向。

SDN是斯坦福大學于2009年正式提出的，它是為解決傳統(tǒng)網絡架構及操作模式暴露出的問題所提出來的一個計算機網絡范例。目前開放式網絡基金會（ONF）提出的SDN架構圖已得到學術界和產業(yè)界的廣泛認可，該結構主要由3層構成，自上而下分別為應用層、控制層和設施層，如圖1所示。

SDN架構中，最上層是應用層，包含了各種不同的業(yè)務和應用。中間是控制層包含各類SDN控制器，主要負責處理平面資源的編排，維護網絡拓撲、狀態(tài)信息等。在整個體系中，信息都集中在基于軟件的SDN控制器，該控制器擁有網絡整體視角，能夠以一種獨立于供應商的方式控制網絡終端[4]。網絡設備不再需要應用和理解不同網絡協(xié)議標準，網絡行為可以通過對集中控制器編程而實現，而不需再使用分散在網絡中不同設備的自定義配置，這省去了許多時間和資源。最下層是基礎設施層，該層的主要功能是數據處理、轉發(fā)和狀態(tài)收集，通過開放的標準接口為控制層提供服務。除了上述3個層次之外，控制層與基礎設施層、應用層之間的接口也是SDN架構中兩個重要組成部分[5]?？刂茖优c基礎設施層之間的接口稱為南向接口，控制器通過南向接口與基礎設施設備進行交互，獲取設備狀態(tài)信息，產生全局網絡拓撲視圖，并向基礎設施層設備發(fā)送控制信息，執(zhí)行策略制定，從而實現同一控制功能[6]。ONF已經在南向接口上定義了開放的OpenFlow標準?？刂茖优c應用層間的接口稱為北向接口，控制層通過北向應用程序編程接口（API）將抽象的底層網絡設備資源信息供給上層應用。

SDN有以下4個特點：第一，控制層和數據層完全分離；第二，有一個集中控制器以及網絡全局觀，網絡管理員可以以更集中的方式編寫流量和網絡的行為，而不需要獨立訪問和配置每一個網絡硬件設備；第三，開放接口，實現應用和網絡的無縫集成，使得應用能告知網絡如何運行才能更好地滿足應用的需求；第四，通過額外應用程序實現網絡可編程化。將SDN應用于5G網絡架構中，在實現保留網絡硬件轉發(fā)功能的同時，上層可以進行集中控制，網絡應用和功能可編程化，使移動網絡功能更加合理和高效，能夠滿足日后不斷增加的接入速率和用戶的上網需求[7]。

2 基于SDN的5G網絡架構

如圖2（a）所示，在傳統(tǒng)的網絡中，控制平面和數據平面結合在一個網絡節(jié)點中。控制平面負責網絡節(jié)點的配置和編寫轉發(fā)數據流的路徑。一旦控制平面確定了轉發(fā)路徑，路徑被下推給數據平面。硬件層中的數據轉發(fā)都是基于控制信息。已經確定的轉發(fā)規(guī)則只能通過改變終端配置進行調整。這種架構限制了網絡運營商不能根據流量需求變化、移動終端使用量增加和“大數據”的影響而調整網絡。

如圖2（b）所示，基于SDN的網絡架構中控制平面從單獨的網絡節(jié)點移除，移動到獨立集中的控制器中。SDN交換機由網絡操作系統(tǒng)控制。這個網絡操作系統(tǒng)通過API收集信息，操縱轉發(fā)平面，并為SDN控制器組織應用提供一個網絡拓撲的抽象模型?？刂破骺梢岳谜莆盏娜W信息優(yōu)化流量安排，并支持用戶服務需求的可變性和靈活性。

在現有的文獻中，已經出現了若干種方法定義以SDN為基礎的5G網絡架構，該文主要介紹分析文獻[9，10]中提出的“彈性的5G網絡架構”，和文獻[11]中的基于SDN的“三朵云”5G網絡架構。

2.1 基于SDN的彈性的5G網絡架構

這個架構的特點是控制功能既不屬于任何特定的邏輯元件，也沒有預先建立任何物理基礎設施，但與3GPP通信系統(tǒng)完全兼容，通過細化邏輯架構、功能、接口和程序使控制平面和數據平面滿足服務功能和需求。該架構的控制平面是統(tǒng)一控制的，由3個邏輯控制器構成：設備控制器、邊緣控制器和協(xié)調控制器，包括了接入層/非接入層（AS/NAS）控制平面和管理平面功能，如圖3所示。

設備控制器位于終端設備中，它的主要功能是承擔起物理層和5G網絡的連接。由于5G網絡要求終端設備具有無線多元化和有線接入功能，因此，設備控制器相應具有訪問層功能，比如：訪問選擇功能和網絡選擇功能。

邊緣控制器實現了5G網絡控制平面的功能，該功能包括網絡訪問控制、包路由和發(fā)送、移動性和連接管理、安全性和無線資源管理功能。換句話說，邊緣控制器繼承了4G網絡中由eNodeB和MME實現的AS/NAS功能。

邊緣控制器分布在云基礎設施上，通過一組相互關聯(lián)的控制應用程序（C-Apps）來實現。每個控制應用程序負責網絡控制功能的一個子集。關鍵的控制應用程序有連接（會話）管理（CM）、移動性管理（MM）、安全（SEC）、授權和認證（AA）、接納控制（AC）、流程管理（FM）和無線接入（RA）應用。其中，為了實現無線鏈路上控制層和數據層的完全分離，無線接入應用程序近一步劃分成RAC應用程序和RAD應用程序，對于一個連接終端，RAC應用程序在管理控制平面的同時還可能實現多個不同接入點，而應用程序主要負責數據平面的管理。

為了實現5G關鍵應用場景之一—— 關鍵任務機通信，移動設備應支持AS/NAS功能，因此，邊緣控制器分為邊緣控制器I和邊緣控制器II，邊緣控制器I在云基礎設施的邊緣并且由控制應用程序組成，邊緣控制器II則暫時或者永久地在移動設備上應用。

協(xié)調控制器的功能是協(xié)調各種云資源的利用，云資源包括計算、存儲、內存和網絡。協(xié)調控制器是嵌入在數據中心的虛擬網絡功能實體，這些功能實體使控制平面具有靈活性和適應性。根據不斷變化的網絡工程要求和服務性能要求，網絡管理員可以動態(tài)配置網絡。

協(xié)調控制器是由資源協(xié)調模塊（RO）和拓撲管理模塊（TM）組成的。資源協(xié)調模塊定義了如何分配物理資源以實現邊緣控制器應用程序。換句話說，資源協(xié)調模塊為虛擬控制和數據平面在云基礎設施上的實現確定了嵌入方案。拓撲管理模塊直接管理物理資源，由拓撲管理應用程序（TM-A）模塊和拓撲管理鏈接（TM-L）模塊組成的。這兩個模塊分別控制虛擬機和虛擬鏈接，需要實現并連接邊緣控制器的控制應用程序。

資源業(yè)務管理模塊是一個集中的模塊，擁有整個云基礎建設可視性，實現的是嵌入在數據中心的虛擬網絡功能。而拓撲管理應用程序（TM-A）模塊和拓撲管理鏈接（TM-L）模塊是分散的模塊，通過與SDN平臺交互實現數據流轉發(fā)，通過與云管理平臺實現控制應用程序的實現。

數據平面在該文提出的架構中，通過SDN技術對5G數據平面采用了一種全新的設計方法。該架構中，既沒有專門的數據平面網絡（比如：4G中的SGW和PGW），也沒有為整個連接設備群定義專門的邏輯元素（比如說網關或者移動錨點）。當設備要進行網絡連接時，必須要分配一個地址和一個與之相對應的最后一跳路由節(jié)點（LHRE），最后一跳路由節(jié)點將設備的無線接入點和回程基礎設施相連接。此外，當移動設備連接到網絡時，流程管理應用程序必須為設備建立一條轉發(fā)路徑，該轉發(fā)路徑要允許設備產生的數據包轉發(fā)到網絡接入點（或者到設備的最后一跳路由元件）。網絡入口點（NEP）為業(yè)務管理控制器控制的物理基礎設施標清邊界，不同的連接設備可能有不同的網絡接入點。建立一條轉發(fā)路徑需要流程管理應用程序（FM-App）選擇一條可用鏈路，該鏈路可以作為嵌入在LHRE和NEP之間的虛擬鏈路，同時也需要SDN控制器為交換機設置轉發(fā)路由表項。

2.2 基于SDN的“三朵云”5G網絡架構

在“三朵云”的5G網絡架構中，整個5G網絡被分為3個部分：控制云、接入云和轉發(fā)云。在這個架構中，控制云提供了邏輯集中的網絡控制功能，用戶數據只經過接入云和轉發(fā)云，實現了控制平面和用戶平面的分離。接入云支持多種無線技術和網絡形式。轉發(fā)云基于通用的硬件平臺，在控制云高效的網絡控制和資源調度下，實現業(yè)務數據流的高可靠、低時延、均負載的高效傳輸，并提高用戶體驗。網絡功能實現模塊化，各功能間通過軟件接口連接?！叭湓啤蓖ㄟ^虛擬化技術實現，并且利用網絡管理和協(xié)調模塊實現動態(tài)分配網絡資源。

控制云是5G網絡中集中控制功能的核心，由多個虛擬網絡控制功能模塊組成。在實際的部署中，網絡控制功能會被分布到一個或者多個的云計算數據中心，而且與無線接口有關的控制功能會被分布到接入網或者接入點。網絡控制功能模塊通過軟件應用程序實現，該功能模塊符合ETSI定義的NFV框架。因此，除了分屬于不同供應商的兩個模塊間的接口，其余的不同功能間的接口都不需要標準化。不同網絡控制功能的組合可以應用在不同的場景中。

接入云也被稱為5G智能接入網絡（S-RAN）。從宏觀來看，智能無線接入網是一朵“云”，但從微觀來看，智能無線接入網是由許多“小水滴”組成的。這些“小水滴”是覆蓋區(qū)域，覆蓋區(qū)域根據特殊使用場景要求靈活地采用不同組網方式。5G接入云使用了基于集群的集中控制，這主要反映在以下3個方面。

第一，協(xié)同資源管理?；诩薪尤肟刂颇K，5G能在基站之間建立更快、更靈活、更有效的合作機制，從而實現了小區(qū)之間資源調度和管理，提高了網絡資源的使用率以及用戶體驗?？傊薪尤肟刂颇軓囊韵聨讉€方面提高接入網功能，干擾管理、網絡能源效率、多RAT協(xié)調和基站緩存。

第二，接入網虛擬化。網絡虛擬化能用來實現不同虛擬用戶、服務和運營商的多樣需求。在智能無線接入網中，無線資源是虛擬化的，可以被切片以實現資源靈活分配及管理，這同樣可以實現未來網絡功能開發(fā)和可編程化的要求。

第三，以用戶為中心的虛擬小區(qū)。對于多層次的移動網絡來說，控制平面與用戶平面的完全解耦減少了不必要的切換和信令，集中了無線接入承載資源。同時，基于服務、終端、用戶類型和接入點的靈活選擇可以用來建立以用戶為中心的虛擬小區(qū)。提升用戶體驗。

轉發(fā)云著重于數據流高速率的轉發(fā)和處理。邏輯上，轉發(fā)云包括高速率轉發(fā)單元以及各種服務因子。5G架構的轉發(fā)云中，在控制云的控制下，服務因子連同轉發(fā)單元被部署在一個網絡拓撲中?？刂圃聘鶕脩粝?、服務消息及運營商政策為特定服務流選擇路徑（轉發(fā)單元和服務因子）。此外，轉發(fā)云可以根據控制云中的緩存策略緩存常用內容，以此降低時延，減少網絡額外流量，提高用戶體驗。轉發(fā)云可以在控制云的控制下根據場景和用戶環(huán)境被靈活部署。在一些特殊的場景中，該地網關和該地緩存被部署在接入網中以實現本地向云端卸載業(yè)務量。

3 研究展望

通過以上描述的5G網絡架構的開發(fā)與部署，已經實現了低時延和超高可靠性，并且能夠根據服務要求動態(tài)、靈活地分配網絡資源，這些都是5G網絡架構的要求，但是在5G架構中融合SDN還需要考慮網絡技術兼容性、接口開放及標準化以及網絡可擴展性等問題。

首先，是網絡兼容性，SDN方法如何被集成到5G網絡中。由于SDN是相對新型的技術，部分標準還在研究中，已經研究出的標準和應用也尚不成熟，另一方面，5G移動通信系統(tǒng)所要求的復雜網絡、終端、業(yè)務特性也對與SDN技術融合提出挑戰(zhàn)[11]。因此，如何在5G網絡架構設計中，充分考慮5G現有新型接入技術與5G間的兼容和標準化問題將是重要的研究課題。

其次，是接口的開放與標準化。標準對于解決傳統(tǒng)網絡不同供應商設備之間的交互性是很必要的。在5G網絡中，網絡功能是模塊化和虛擬化的。因此，采購和網絡模型也會改變，從橫向的多廠商設備到縱向的多廠商軟件和硬件。網絡功能之間軟件接口是否需要標準化，哪一個接口需要標準化，都有待進一步研究。

最后，可擴展性，研究基于SDN的5G網絡架構問題亟需解決SDN的可擴展性問題。SDN可擴展性問題可以被分成控制器可擴展性和網絡節(jié)點可擴展性。關鍵是控制器的可擴展性，關于控制器的可擴展性還有3個問題需要研究：第一，多個節(jié)點和單個網絡交換網絡信息時產生的時延；第二，SDN控制器如何通過東行和西行的API與別的控制器進行通信；第三，控制器后臺數據庫的大小和運算。

4 結語

5G移動通信系統(tǒng)融合進SDN已成為業(yè)界和學術界的共識。該文首先介紹了5G的多場景技術要求和5G網絡架構設計要求，然后對SDN的系統(tǒng)架構及其應用于5G的好處進行闡述。接著本文介紹了基于SDN的彈性的5G網絡架構和基于SDN的“三朵云”5G網絡架構。最后對現有研究進行了進一步的展望，基于SDN的5G網絡還應在網絡技術兼容性、接口開放及標準化和網絡可擴展性做進一步研究。

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