移動通信與人們的工作和生活密切相關，而人們對於更高性能的移動通信網絡的需求也在不斷提升，5G將能夠提供可媲美光纖的數據傳輸速率。並且業界希望在端到端時延上5G能夠達到「無感知」的程度。為了實現這樣的性能要求，業界需要在網絡重構的背景下，考慮5G網絡架構的演進趨勢和策略。
基於SDN（Soft Defined Network，軟體定義網絡）和NFV（Network Function Virtualization，網絡功能虛擬化）等前沿技術構築的5G網絡雲化架構在提升網絡靈活性、降低部署成本以及提升效率方面具有得天獨厚的優勢，使得SDN及NFV成為5G的關鍵技術之一。本文將基於5G典型業務場景，提出基於SDN及NFV技術的5G網絡雲化架構體系及演進策略。
典型應用場景驅動5G網絡架構雲化演進
5G是發展科技創新及數字經濟的戰略性基礎設施資源，其核心聚焦在移動網際網路及移動物聯網，解決的重點問題從人與人之間的互聯延伸到人與物以及物與物的連接。從需求的角度看，5G需要滿足快速的移動數據流量增長，並具備海量的設備連接能力，同時需要靈活適應多樣化的場景需求，有效實現業務內容及用戶行為的智能感知與優化，從而為各類用戶提供高品質的業務體驗，最終真正實現「萬物互聯」。
5G典型的應用場景主要分為三大類：eMBB(增強移動寬帶)、uRLLC(低時延高可靠)、mMTC(海量大連接)。
eMBB場景是指在現有移動寬帶業務場景的基礎上，為用戶提供極致的通信體驗，主要滿足超高清視頻、下一代社交網絡、沉浸式遊戲、全息視頻等移動網際網路業務需求，隨時隨地（包括在小區邊緣、高速移動等惡劣環境和局部熱點地區）為用戶提供無縫的高速業務。
uRLLC場景包括各類對延遲/時延高度敏感的業務應用，包括自動或輔助駕駛、AR（增強現實）、VR（虛擬實境）、觸覺網際網路、工業控制等。如果網絡時延較高，uRLLC類業務的正常運行就會受到影響，並會出現（工業）控制方面的誤差。
mMTC場景主要面向智慧城市、環境監測、智慧農業、森林防火等以傳感和數據採集為目標的應用場景，具有小數據包、低功耗、海量連接等特點。
豐富的業務場景使得5G網絡在帶寬、時延以及連接數量等方面為用戶提供了全新的體驗，同時也因為承載的業務種類繁多、業務特徵不盡相同、對網絡要求差異化明顯等特點，必然導致傳統網絡面臨巨大變革和挑戰，包括網絡功能、架構、資源、路由等多方面的定製化設計挑戰。
目前業界達成的普遍共識是5G網絡將基於SDN/NFV技術、雲計算技術來實現網絡虛擬化、雲化部署，5G網絡雲化部署將面臨用戶面轉發性能待提升、安全隔離技術待完善等方面的挑戰。
5G網絡基於服務化架構設計，通過網絡功能模塊化、控制和轉發分離等技術，實現網絡按照不同業務需求快速部署、動態的擴縮容和網絡切片的全生命周期管理，包括端到端網絡切片的靈活構建、業務路由的靈活調度、網絡資源的靈活分配以及跨域、跨平臺、跨廠家乃至跨運營商（漫遊）的端到端業務提供等，這些都給5G網絡運營和管理帶來新的挑戰。
網絡重構為5G網絡架構演進指明方向
面對5G網絡的種種挑戰，如何充分考慮網絡現狀並結合各種新興技術的特點來設計5G網絡架構的演進策略是極其重要的環節，運營商的網絡重構戰略將作為重要的參考依據。以中國電信CTNet2025網絡重構戰略為例，其核心是基於SDN、NFV、雲計算等關鍵技術推動網絡架構重構，構建簡潔、敏捷、集約、開放的網絡新架構。CTNet2025目標架構是包含固網、移動網演進的統一架構。5G網絡作為行動網路的演進，是CTNet2025網絡重構的重要組成部分，也是CTNet2025目標網絡架構全面落地的最佳機遇。CTNet2025關於目標網絡架構應具備的新特徵給予了明確闡述。
一是簡潔，網絡的層級、種類、類型、數量和接口應儘量減少，降低運營和維護的複雜性和成本；二是敏捷，網絡提供軟體編程能力，資源具備彈性的可伸縮的能力，便於網絡和業務的快速部署和保障；三是開放，網絡能夠形成豐富、便捷的開放能力，主動適應網際網路應用所需；四是集約，網絡資源應能夠統一規劃、部署和端到端運營，改變分散、分域情況下高成本、低效率的狀況。
CTNet2025目標網絡架構如圖1所示，自下而上主要分為3個層面：網絡基礎設施層、網絡功能層和協同編排層。該網絡架構的主要特點包括：基礎設施資源實現歸一化和標準化、網絡功能實現軟體化和虛擬化，以及IT能力的業務化和平臺化。
圖1 CTNet2025目標網絡架構
結合網絡重構明確的目標網絡特徵、體系架構，以及5G所提供的差異化體驗的需求，可以預見雲化的網絡架構是5G的必然趨勢。面向服務的5G雲化網絡架構涉及無線網、核心網、承載網、邊緣計算等多個層面，其中5G核心網的雲化是最為關鍵一環。
圖2為基於服務化架構（service-based architecture，SBA）的5G基礎體系結構，主要特點為：一是將核心網的傳統網元按照網絡功能劃分為多個可被靈活調用的「微服務」模塊，增加了網絡功能配置的靈活性及開放能力；二是實現了控制面與轉發麵分離，控制面可以集中部署、轉發麵可靈活按需下沉，滿足分布式部署要求，當轉發麵下沉到靠近用戶的邊緣時，可實現本地分流功能，為用戶提供超低時延的業務體驗。
此外，網絡切片是5G網絡的關鍵技術，為了滿足多樣化的業務需求，需要在統一的基礎設施資源基礎之上按需切分出多個滿足不同服務等級的虛擬化網絡實例，各個虛擬網絡間實現資源共享以及安全隔離，並且3GPP中定義的網絡切片管理功能包括通信業務管理、網絡切片管理及網絡切片子網管理，這些都依賴編排器及控制器等核心網絡管理單元來實現網絡資源的共享調度、網絡實例的管理和配置的自動化下發等功能。
由此可見，5G網絡架構的雲化演進與網絡重構的技術體系是一脈相承、不可分割的，5G網絡需要實現底層資源的統一共享，網絡功能的模塊化要基於不同場景需求進行靈活的功能模塊組合，實現資源靈活調度，提升網絡彈性，NFV技術的引入是優選方案。同時，在CU分離以及用戶面的控制方面，SDN技術滿足相關的技術需要。同時，SDN/NFV也是網絡重構體系中重要的技術手段，能夠實現網絡功能的按需定製、靈活開放，滿足網絡智能化需求。
圖2 基於服務化的5G體系結構
SDN/NFV對5G網絡架構雲化演進的價值體現
SDN是一種控制與轉發分離並直接可編程的網絡架構，其核心是將傳統網絡設備緊耦合的結構進行控制與轉發分離，控制層面實現集中化部署，並通過靈活開放的可編程接口增加網絡的「軟化」能力。
SDN架構可以與上層業務緊密結合，快速響應網絡和應用的創新，另外控制集中化，能夠實現網絡資源的智能調度，簡化運維，提高資源利用率。同時，通過標準化接口提供網絡自動化開通和配置下發功能，大幅縮短業務開通時間。
5G網絡中引入SDN技術，能夠快速實現控制與轉發的分離、控制面的集中部署和轉發資源的全局調度，通過可編程接口為後續5G網絡的智慧化運維提供技術手段。SDN的典型架構分為應用層、控制層、數據轉發層（轉發層）3個層面，如圖3所示。
圖3 SDN典型體系架構
NFV的本質是實現軟硬體資源的解耦及軟體功能的抽象，依託於標準化的伺服器、存儲及網絡設備等通用基礎設施資源，利用虛擬化技術實現各種網絡功能，來替代通信網絡中的專用、封閉的網元，實現統一的開放邏輯架構。
如圖4所示為ETSI標準組織定義的NFV體系架構，其中的MANO網絡管理和編排子系統是NFV體系的核心，根據業務需求通過對網絡資源的自動編排，實現虛擬網元的自動部署、彈性伸縮、故障隔離等功能。NFV體系通過分層解耦的模式將5G網絡中服務化模型的各個網元功能以APP的模式在統一的雲化基礎設施上運行，藉助MANO還可以快速實現5G網絡切片的功能，通過與傳統網管的融合，提供集約運維和智能管理手段。
圖4 ETSI定義的NFV體系架構
SDN與NFV兩種技術在5G網絡中的應用，相互之間不是競爭而是優勢互補的關係，SDN側重於網絡架構的重新定義，並將控制平面與數據平面解耦；而NFV則側重於對網元設備結構的重新定義，可以將網絡服務從特定的硬體緊耦合關係中分離開來，為5G網絡架構提供重要技術基礎。兩者將共同提升5G網絡彈性，實現CT與IT的融合。同時，也應關注兩種技術在技術成熟度、業務發展模式、相應的人才體系建設和體制流程等方面所面臨的挑戰，因地制宜，按需引入和推廣。
基於SDN/NFV的5G網絡雲化架構
2018年6月，中國電信對外發布5G技術白皮書，提出了5G目標網絡邏輯架構簡稱「三朵雲」網絡架構，「三朵雲」架構滿足未來的5G網絡靈活、智能、融合和開放的特點，同時也構建於SDN/NFV及網絡雲化的技術基礎之上，「三朵雲」包括接入雲、控制雲和轉發雲3個邏輯域，其結構如圖5所示。
圖5 中國電信「三朵雲」5G網絡總體架構
基於SDN/NFV的5G網絡架構由3個平面構成「三朵雲」，主要包括智能開放的控制雲、靈活的接入雲和高效低成本的轉發雲。此架構充分體現了SDN/NFV的控制與轉發分離、控制平面集中化、轉發功能分布下沉、軟硬體解耦、軟體功能虛擬化等特點。「三朵雲」之間彼此配合，密不可分。
控制雲完成集中的策略控制、會話管理、移動性管理、策略管理、信息管理等流程，以及對於轉發資源的全局調度，並支持面向業務的網絡能力開放和按需的網絡編排管理功能，實現全部或部分的會話控制、移動性管理和QoS保證定製網絡與服務，並提供面向業務場景的網絡能力開放接口，滿足業務差異化需求，提供了在雲化場景下的5G網絡可管、可控、可運營的服務能力，提高業務部署效率。控制雲以網絡虛擬化技術為基礎，通過模塊化技術重新優化了網絡功能之間的關係，實現了控制與轉發分離、網絡切片和網絡功能虛擬化等，整個架構可以根據業務場景進行定製化裁剪和靈活部署。
接入雲具備多拓撲形態、多層次類型、動態變化的特點，可針對各種業務場景選擇集中式、分布式和分層式部署，通過靈活的無線接入技術，實現高速率接入和無縫切換，提供極致的用戶體驗。接入雲功能需求包括新型無線接入技術、靈活資源協同管理、跨制式系統深度融合、無線網絡虛擬化、邊緣計算與無線能力開放等。接入雲將支持用戶在多種應用場景和業務需求下的多種無線制式接入，並實現多種無線接入技術的高效融合，無線組網可基於集中式和分布式兩種無線組網機制要求，適應各種類型的回傳鏈路，並提供邊緣計算能力。接入雲能夠實現更靈活的組網部署和更高效的無線資源管理。
轉發雲聚焦於數據流量的高速轉發與處理。邏輯上，轉發雲包括了單純高速轉發單元以及各種業務使能單元。在5G網絡的轉發雲中，業務使能單元與轉發單元呈網狀部署，一同接受控制雲的路徑管理控制，根據控制雲的集中控制，基於用戶業務需求，軟體定義業務流轉發路徑，實現轉發網元與業務使能網元的靈活選擇。轉發雲配合控制雲和接入雲，實現業務匯聚轉發功能，基於不同新業務的帶寬和時延等需求，轉發雲在控制雲的路徑管理與資源調度下，實現增強移動寬帶、海量連接、高可靠低時延等不同業務數據流的高效轉發與傳輸，保證業務端到端質量要求。從實現角度，轉發雲基於通用的基礎資源硬體平臺，可按需實現用戶面下沉，並根據控制雲下發的緩存策略實現熱點內容的緩存，從而減少業務時延、減少移動網往外出口流量和改善用戶體驗。轉發雲在控制平面集中控制下，進行海量業務數據流的靈活路由轉發，實現轉發麵高可靠、低時延、均負載的高效數據處理。
未來5G「三朵雲」的部署基礎是承載各類網元的DC資源池，可根據網絡不同時期集中式或分布式部署要求，按需將5G相關網絡單元部署在區域DC+核心DC+邊緣DC+接入局所的DC資源池內，如圖6所示。
區域DC放置各專業目標期省級/全國骨幹網絡設備，可與現樞紐樓局點基本對應。一般可將現放置IP骨幹網、大型骨幹波分系統及核心網設備的樞紐局點定位為目標區域DC。
核心DC放置各專業目標期本地網核心層的網絡設備，可與現核心機樓局點基本對應。一般可將現放置城域網CR、IPRAN ER等設備，及本地大中型OTN/DWDM波分系統設備的核心機樓局點定位為目標核心DC。
邊緣DC放置各專業目標期本地網匯聚層的網絡設備，可與現一般機樓局點基本對應。一般可將現放置城域網MSE/BRAS、IPRAN B等設備，且中繼光纜資源豐富局點定位為目標邊緣DC。
接入局所放置各專業目標期接入層的網絡設備與本地網現接入局所保持一致。一般可將現設備間、遠端模塊、移動基站等末端接入局點，以及OLT/BBU/IPRAN A/匯聚交換機/匯聚傳輸設備等接入匯聚局點，統一定位為接入局所。
圖6 「三朵雲」DC資源池分布視圖
5G網絡具有全新的網絡架構，並以網絡重構為基礎，對於電信運營商而言，SDN/NFV技術的引入對於5G網絡架構的雲化演進是必然選擇，隨著5G雲化相關關鍵技術不斷成熟和產業界需求不斷豐富，這為運營商提供了歷史性機遇和發展前景。
同時，隨著SDN/NFV的引入，運營商會更多關注新技術的發展對網絡生產方式和組織架構的影響，通過5G與新技術的結合，推動5G產業的不斷成熟，打造5G時代的網絡新篇章。（本文作者來自中國電信股份有限公司北京研究院）
來源：《通信世界》雜誌2019年5月5日刊