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华为5G网络架构白皮书小结【zoues.com】 – zoues

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华为5G网络架构白皮书小结【zoues.com】
五月 16, 2017|ITPaaSSDN

华为5G网络架构白皮书小结【zoues.com】

华为5G网络架构白皮书小结【zoues.com】

作者简介:李子姝,北京邮电大学未来网络理论与应用实验室 研一 CCN、NDN方向

在网上查阅资料时看到华为产品总裁杨超斌讲到的这样一句话:“华为正在致力于利用5G构建云化的全联接世界”,这句酷酷的话着实让我激动不已!正巧最近比较关注5G核心网部分的研究进展,于是仔细研读了华为最新提出的网络架构白皮书,在此做一简要总结,供感兴趣的朋友参考,不当之处欢迎批评指正。
华为5G网络架构白皮书小结
白皮书中提出了一个云本地架构(Cloud-Native architecture),即网络架构要基于数据中心(DC),所有的功能和服务应用都运行于云DC上。接下来,本文首先简要介绍架构转变背后的驱动力,然后详细介绍该架构。

一. 网络架构转变背后的驱动力

  • 复杂网络包含多种服务、标准和站点类型:未来5G将需要提供具有不同KPIs的多样的服务、需要支持多种标准(5G、LTE、WIFI)的共存接入、需要协调不同的站点类型(宏基站、微基站、微微基站)
  • 协调多种连接技术:多连接性必须根据流量协调用户设备的移动性要求,来提供足够的传输吞吐量和移动连续性。
  • 按需部署服务锚:5G网络架构基于接入站点和三层DCs设计,基于不同的服务需求、光缆可用性和网络资源分配,RAN实时和非实时资源可以被部署在站点或接入云侧。
  • 灵活的网络功能编排:eMBB要求大吞吐量、uRLLC要求超低时延和高信赖度,网络必须考虑这些服务特性来灵活编排网络功能。
  • 更短的服务部署周期:快速部署服务需要改善包括网络设计、服务部署、管理和编排等在内的生命周期管理进程。

二. 服务驱动的云本地5G架构

服务驱动的5G架构旨在灵活高效的满足多种移动服务的要求,在SDN和NFV技术的助力之下,5G的接入、传输、核心网都向云化的方向发展。云化为各种各样的5G服务带来更好的支持,使E2E网络切片技术、按需部署服务锚、网络功能组件化成为可能。

如图1所示,从层次角度来看,该服务驱动的云本地5G架构主要包含CloudRAN、传输网、核心网、切片服务层。CloudRAN包含站点和移动云引擎(MCE),RAN实时部分协调了不同的接入标准和不同的站点,RAN非实时部分主要实现多连接。策略控制数据和统一用户数据数据主要存在于核心网侧。基于组件的控制平面和可编程的数据平面使得网络可以按照不同的服务需求选择对应的控制平面和用户平面功能。传输网络包含SDN控制器和当前的转发节点。SDN控制器基于当前的拓扑和服务需求生成特定的数据转发路径。网络结构的最高层实现E2E自动化切片和网络资源管理。
华为5G网络架构白皮书小结
白皮书主要从四个部分来介绍其5G核心网解决方案:

  • 基于数据中心(DCs)来构建物理网络,同时引进E2E网络切片来满足各种服务;
  • 基于移动云引擎(Mobile Cloud Engine,MCE)构建CloudRAN;
  • 基于用户/控制平面分离实现5G核心网,实现基于组件的控制面和可编程的用户平面,并辅以统一的数据库管理;
  • 以服务为导向的网络自创建(Service Oriented Network Auto Creation,SONAC),利用软件定义拓扑(software-defined topology,SDT)、软件定义协议(software-defined protocol,SDP)和软件定义资源分配(software-defined resource allocation,SDRA)等技术来保证服务部署、资源调度和错误恢复的自动化实现。

接下来对这四个方面进行详细介绍。

A.基于DCs的物理基础架构

华为5G网络架构白皮书小结
如图2,基于NFV和SDN,未来网络架构的物理基础设施将会包括站点和三层DCs。站点会以宏基站、微基站、微微基站的形式支持5G、LTE和WIFI等多种模式,这些功能对计算能力和时间性能要求很高,构成RAN的实时功能,需要专用的硬件设备加以支持。三层云DC包含计算和存储资源,底层名为central office DC,距离基站侧有相当近的距离;第二层为local DC,最上层为regional DC。

服务需求类型不同,部署缓存的位置也不同。eMBB切片对带宽具有很高要求,因此倾向于在local DC的移动云引擎中部署缓存,以此来提供高速服务,从而减少对骨干网的带宽要求。无人驾驶、远程管理等uRLLC切片对时延有严格要求,因此RAN实时和非实时处理功能单元必须部署在尽量靠近基站侧,V2X服务器和服务网关部署在central office DC的移动云引擎中,控制平面功能部署在local DC和regional DC中。mMTC切片不需要大量和高频的数据交互,因此可以部署在local DC的移动云引擎,其他额外功能和应用服务器可以部署在regional DC。

B.基于MCE的CloudRAN

RAN侧使用CloudRAN架构来实现RAN实时功能、非实时功能的按需部署、功能组件化、灵活的协调和RAN切片。移动云引擎MCE基于不同服务需求和传输资源配置来实现各种RAN功能的灵活编排。
华为5G网络架构白皮书小结
RAN实时功能的部署需要具有高加速处理特性的专用硬件,并且部署在距离用户尽可能近的位置。这些功能包括:

  • 接入网络调度(access network scheduling)
  • 链路自适应(link adaptation)
  • 功率控制(power control)
  • 干扰协调(interference coordination)
  • 重传(retransmission)
  • 调制(modulation)
  • 编码(coding)

RAN非实时功能由于对实时性能要求不高而适合集中部署,在MCE中或站点中使用一般常见的处理器部署即可。这些功能包括:

  • 蜂窝内切换(inter-cell handover)
  • 蜂窝选择和重选(cell selection and reselection)
  • 用户平面加密(user-plane encryption)
  • 多连接聚合(multiple connection convergence)

MCE是CloudRAN下用于中央控制和管理的逻辑实体,包含以下功能:

  • RAN非实时功能(RAN non-real time functions)
  • WIFI AC
  • 分布式网关(distributed gateway)
  • 服务相关应用分布实体(service-related application distribution entity)
  • 缓存(cache)

同时,MCE担任数据连接锚的角色。在传统架构下,LTE、5G和WIFI数据被汇集到一个特定标准下的非实时处理模块中,然后被转发到每个接入点,而在CloudRAN架构下,针对不同模式,接入点的非实时处理功能模块被整合进MCE,数据流通过MCE被发送到每个接入点。

C.Cloud-Native新核心网架构

(1)控制和用户平面分离以简化核心网络。
我们知道,当前的网关的用户平面和控制平面是耦合在一起的,在未来5G,为了满足各种服务的低时延要求,需要在local DCs或central office DCs部署相对于当前20~30倍数量的网关。如果继续使用当前的网关结构,复杂的网关配置将会带来极大的成本,同时也会产生大量的重复信令,从而导致严重的接口链路负载和信令交付成本。

网关控制/用户平面分离将复杂的控制逻辑功能切分出来,组成控制平面,从而减少分布式网关部署的成本、接口负载和可选信令路由的数量。另一方面,这增加了网络的灵活性,为网络切片技术的部署提供了前提。同时,转发平面与控制平面分离,避免了由于控制平面演进而带来的转发面的频繁升级。

控制/用户平面分离之后,接口之间通过增强GTP协议来实现链路通信。基于用户接入类型和订阅数据,控制平面对服务对象和动作进行编排,然后通过增强GTP接口向转发平面发送请求,然后转发平面基于服务事件通知向控制平面回复接收确认信息。

(2)灵活的网络组件以满足多样的服务需求。
5G时代,eMBB、uRLLC 、mMTC对控制平面的功能具有不同的需求,当前的移动网络并不能为特定服务类型提供定制控制功能,严重耦合的控制功能和复杂的接口为服务部署和网络编排管理增加了困难,因此,5G中控制平面必须向定制组件化的方向发展演进。

如图4,在以服务为导向的5G架构中,逻辑控制功能被抽象成一系列独立的功能组件,以便根据不同的服务类型进行组合。同时,多种耦合的接口被汇聚成一个统一的网络接口。这一转变通过灵活的编排和即插即用的灵活部署简化了新类型服务的部署,同样助力了网络切片的实现。
华为5G网络架构白皮书小结
(3)统一的数据库管理
网络状态数据可以被集中到一个统一的数据库中,所有网络功能可以通过标准接口接入元数据模型,并在本地动态存储用户数据。利用分布式数据库同步技术将网络状态信息在不同数据中心中间实现实时的备份。统一数据库简化了网络状态信息的检索功能,从而降低了信令开销。
华为5G网络架构白皮书小结

D.自服务灵活操作

从服务水平来看,5G网络应该拥有自服务灵活服务能力,网络切片应该能基于服务需求自动生成、维护和终止。

基于服务特征和数据中心的部署,运营商决定逻辑网络功能的部署节点,定义其中的相互连接关系,称之为软件定义拓扑(software-defined topology,SDT)。网络切片定义拓扑定义好之后,需要定义E2E协议,称之为软件定义协议(software-defined protocol,SDP)。基于服务需求,还要根据逻辑拓扑中的逻辑连接分配网络资源,称之为软件定义资源分配(software-defined resource allocation,SDRA)。SDT、SDP、SDRA构成了以服务为导向的网络自创建(service oriented network auto creation,SONAC)的一系列关键功能。

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