基于NFV技术的移动通信网络发展趋势

中国移动通信集团广东有限公司 王 华

1 引言

网络功能虚拟化（NFV：Network Function Virtualization）已成为近年来新一代移动通信网络发展的热点，从多方面影响着整个通信网络产业的发展方向和进程。NFV被认为是下一代移动通信网络变革的关键技术之一，已纳入移动通信网络的发展大纲。随着移动通信网络的发展，尤其在4G网络的部署和商用，整个移动通信网络已经向扁平化、IP化演进。传统的软件和硬件结合组建网络的方式，造成资源不易共享，业务无法交叉融合，升级改造难，使得网络运营成本负担太重。为了打破这种垂直封闭的一体化架构，NFV

技术应运而生。

2 NFV技术简介

NFV简单的理解就是把网络通信设备从目前专用平台迁移到标准化、高性能、大容量的服务器上。在行业标准服务器硬件上运行软件实现网络功能，并且可以根据需要迁移到网络中的各个位置，而不需要安装新设备。当前移动通信网络使用的各种网络设备，均是在私有平台部署的，各种网元都是封闭的机框，各种机框间硬件资源无法共享，网络设备扩容必须增加相应的硬件资源，缩容后硬件资源又将闲置，耗时长，弹性差，成本高。而NFV就是使各种网元变成了独立的应用，灵活部署在基于标准的服务器，存储，交换机构建的统一平台上，每个应用可以快速增加减少虚拟资源来达到快速缩扩容的目的，大大提升网络的弹性[1]。基于上述目标，NFV技术以云计算和虚拟化技术为基础，将通用的COTS计算/存储/网络硬件设备通过虚拟化技术可以分解成多种虚拟资源，供上层各种应用使用，同时通过虚拟化技术，使得软件应用与硬件解耦，使得资源的供给速度大大提高。图1为NFV的标准架构。

图1 NFV标准架构

3 移动通信网络架构现状

移动通信网络从2G、3G逐步演进到LTE，已是包含多种接入技术的网络。不仅包括GSM、TD_SCDMA、WCDMA、TDDLTE、FDDLTE等3GPP接入技术，而且包括CDMA2000、WLAN等非3GPP接入技术[2]。传统的移动通信网络协同能力有限，融合交互能力不强，无法实现高效的资源协同调度、移动性管理和网络安全管理等功能。在下一代移动通信的研究中，运营商越来越认识到网络容量提升的重要性和迫切性。

传统移动通信网络都是基于专有网络硬件平台实现的，随着网络流量的迅速增长和新型互联网业务需求的不断涌现，仅仅通过增加新网元和新接口来扩容和增添新功能，将导致升级困难、扩展性查、资源利用率低、运维困难、能耗高、成本大等问题。在传统的移动通信网络架构中都是采用集中式一体化的锚定网关模式，而这种架构中，网络业务收敛模式过于单一，将使得网络对业务感知适配能力差，不同业务的控制和承载管理不够动态。这样一来，导致缺乏网元功能的可编程能力和网络的可编排能力，都无法灵活的构建功能配置和业务升级部署。如今移动通信网络越来越复杂，设备种类繁多、架构臃肿，性能提升缓慢，导致运营商的维保成本巨大。现有的接入侧不能实现无缝切换，核心侧控制面过于分散，数据面过于集中，使得成本和收益形成剪刀差。现行这种垂直一体化的封闭网络体系和耦合私有的网元架构，注定了很多网络行为的不确定性，难以满足可控、可管的Qos标准[3]。为此，亟需要进行网络架构的变革，一方面去降低网络扩容、升级改造的难度，另一方面去降低运营商网络建设运维的成本。

4 NFV技术对移动通信网络的影响

NFV技术利用软硬件解耦及功能抽象，以虚拟化技术降低昂贵的设备成本费，根据业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离等步骤，让运营商将承载各种网络功能的通用硬件与云计算虚拟化技术相结合，实现网元虚拟化和虚拟网络可编程，简化网络升级的步骤和降低购买新专用网络硬件的成本，把网络技术重点放到部署新的网络软件上。从而将IT产业的标准化的硬件平台和云计算平台的优势引入电信领域，构建了一个更加开放、灵活、高效的网络架构。NFV对运营商网络中各类功能网元的在网形态有了明显的改变，即基于统一云平台的NFV虚拟功能网元取代了传统软硬一体化网元，虚拟的接口/链路代替了原来的实体接口/链路，但每个功能网元在逻辑上与传统网元的功能及地位完全相同。同时，NFV架构还考虑了站点内虚拟机、云资源中硬件资源的内部可靠性，即网元间组池，异地容灾备份等网络级的安全性要求[4]。

目前，移动通信网络的接入网、核心网和 IMS 网络是 NFV 的重点目标网络。我们以移动通信网络的核心网为例，将移动通信网络的核心网网元的控制与转发完全分离，剥离网元的控制功能，由控制面负责移动性管理和会话管理，转发面不再参与控制管理[5]。在NFV方案中，将MME、PGW、SGW、SGSN、GGSN、PCRF、CG等核心网网元均作为虚拟网络功能（VNF），以虚拟机的形态部署在NFVI虚拟化平台上。这样核心网网元功能能通过资源虚拟化技术，使用NFVI提供的计算、转发、存储等资源。这样一来，功能的升级和新功能的引入对硬件平台的依赖性小，网络改造效率高。不需要改变网络拓扑，就可以增加计算、存储、连接等网络扩容资源。动态的共享平台实现了网络功能资源互补性或峰谷互补性，达到了资源的节省和节能减排的作用。在核心网的NFV部署场景中，网络逻辑架构没有发生改变，而将云平台中的虚拟化网元实现高效的部署与有效的管理，而移动网络管理架构与虚拟化平台实现深度融合[6]。此外，不同网元功能的实体已经不在具有原有的硬件形态，而是虚拟软件形态集中统一部署在云计算数据中心，将网络实体功能的子模块进行更深层次的解耦和重分配，实现移动网络架构的重新定义。图2为vEPC系统的NFV部署图。

图2 vEPC系统的NFV部署图

5 结束语

综上所述，随着移动通信网络的发展，下一代网络必将引进更多的IT技术，这也促使CT与IT两个领域的技术不断融合，在业务模式上日渐趋同。移动端互联网应用是未来移动通信网络的主流业务，为了应对这种移动互联网的浪潮，NFV的研究已经深入到电信领域的诸多方面，成为了运营商关注的重点。NFV所提出的软硬件解耦，虚拟化等技术，将改变现有移动通信网络的架构和设备形态，进而对下一代移动通信网络的部署、运营管理方式和电信领域的商业模式带来深刻的影响。

[1]刘慧,李侠宇,朱浩．未来移动通信网络架构演进及其关键技术研究[J]．电信网技术,2015(12)∶30-34．

[2]夏旭,毛聪杰,史凡,孙震强,王波．基于SDN/NFV的演进移动核心网研究[J]．互联网天地,2015(04)∶18-22．

[3]孙金霞,孙红芳,韦芳．关于NFV与SDN的基本概念及应用思考[J]．电信工程技术与标准化,2014,27(08)∶1-5．

[4]倪慧,谭仕勇,胡伟华．基于SDN与NFV的移动核心网演进[J]．电信网技术,2014(08)∶16-19．

[5]Khaled Almustafa,Mamdouh Alenezi．Cost Analysis of SDN/NFV Architecture over 4G Infrastructure[J]．Procedia Computer Science,2017,113．

[6]Rogerio C．Turchetti,Elias P．Duarte Jr．．NFV‐FD∶ Implementation of a failure detector using network virtualization technology[J]． International Journal of Network Management,2017,27(6)．