《5G移动通信技术》课件 项目六-任务三-学习5G核心网的关键技术

《5G移动通信技术》《5G移动通信技术》项目六讨论5G核心网任务三学习5G核心网的关键技术回顾知识点1上节学习了5G核心网架构。回顾任务三引入5G核心网构架主要包含四大关键技术：网络功能虚拟化（NFV）、软件定义网络（SDN）和网络切片及多接入边缘计算(MEC)，这是最终实现化整为零、由硬变软的彻底演进。任务描述:本任务主要介绍5G核心网关键技术等。任务教学目标：1、学习5G核心网的关键技术任务概要教学内容NFV和SDNSBACPSU网络切片多接入边缘计算（MEC）一二三四五NFV和SDN知识点一（一）NFV和SDN5G核心网构架主要包含四大关键技术：网络功能虚拟化（NFV）、软件定义网络（SDN）和网络切片及多接入边缘计算(MEC)，这是最终实现化整为零、由硬变软的彻底演进。

网络虚拟化可以给运营商带来巨大的好处，最大限度地提高网络资源配置、开发最优的管理系统以及降低运营成本等。因此，相信在未来的5G网络中，将会出现基于实时任务虚拟化技术的云架构集中式基带池，大大提高资源利用率。目前主要采取了两种虚拟化技术：网络覆盖虚拟化和数据中心的服务器虚拟化。

NFV和SDN（一）NFV和SDN网络覆盖虚拟化：此时不再固定地属哪个RRU，对于用户不再关心使用的是哪家接入技术（2G、3G、LTE、WiFi等），即是小区虚拟化。RRU上传数据分组后，本地云平台基带池立即启用调度算法，分配到合适的BBU处理。服务器虚拟化:后台服务器组成专用虚拟物联网、虚拟OTT网、虚拟运营商等，虚拟专用网最大的优势是根据业务对时延、差错率的敏感度不同充分利用网络资源。服务器虚拟化在全球已经开展了广泛的研究。NFV和SDN（一）NFV和SDN（一）NFV和SDNNFV和SDN

网络虚拟化网络覆盖虚拟化服务器虚拟化虚拟化技术此时不再固定地属哪个RRU，对于用户不再关心使用的是哪家接入技术（2G、LTE、WiFi等），即是小区虚拟化。RRU上传数据分组后，本地云平台基带池立即启用调度算法，分配到合适的BBU处理。后台服务器组成专用虚拟物联网、虚拟OTT、虚拟运营商等，虚拟专用网最大的优势是根据业务对时延、差错率的敏感度不同充分利用网络资源。服务器虚拟化在全球已经开展了广泛的研究。目前主要有两种解决方案实现虚拟化功能SDN(SoftwareDefinedNetwork，软件定义网络)和NFV(NetworkFumetion

Vitualization，网络功能虚拟化)。那我们先来了解一下SDN。SDN的控制层和转发层相分离，并提供一个可编程的控制层。SDN网络架构主要包括转发层、控制层和应用层SDN（一）NFV和SDNSDN的基本原理是将控制面和数据面分拆（也称为基础设施层和用户面），网络智能的逻辑集中化，以及将物理网络通过标准接口从应用和服务中抽象出来。不仅如此，网络控制集中到控制层（控制面），而网络设备（例如处理数据的交换机和路由器）则分布在基础设施层的拓扑结构中SDN的基本原理（一）NFV和SDN（一）NFV和SDNNFV和SDN

SDN相对于传统网络：网络设备只负责单纯的数据转发，可以采用通用的硬件;控制平面与转发平面之间的开放接口。SDN为控制平面提供开放可编程接口。逻辑上的集中控制。逻辑上集中的控制平面可以控制多个转发面设备，甚至是控制整个物理网络，因而可以获得全局的网络状态视图，并根据该全局网络状态视图实现对网络的优化控制。SDN（一）NFV和SDN控制层北向接口通过标准化的应用编程接口（API)与应用和服务互动，南向接口通过标准化的OpenFlow指令集与物理网络互操作。API实现路由、安全性和带宽管理等服务。OpenFlow是链接SDN控制层和和转发层的协议，为网络控制层操作转发层的路由器、交换机等设备提供链路通道。SDN（一）NFV和SDNAPI实现路由器、安全性和带宽管理等服务。OpenFlow允许直接接入网络设备面，例如多厂商交换机和路由器。基于每一个线程的网络可编程能力，提供了极端颗粒控制，能够响应不断变化的应用层实时需求，从而避免缓慢复杂的人工网元配置。从拓扑结构的角度，属于控制和基础设施层的NF可以被集中化部署，也可以根据需要进行分布式部署。SDN（一）NFV和SDN（一）NFV和SDNNFV框架

NFV的目标是将不同网络设备整合到工业标准的大量服务器上。这些服务器可以位于不同的网络节点，也可以部署在用户办公地点。这里的NFV依赖于传统的服务器虚拟化,但又不同于传统的服务器虚拟化。其不同之处在于虚拟网络功能（VNF)可能由一个或者多个虚拟机组成，为了取代定制的硬件设备，虚拟机需要运行不同的软件和进程NFV架构（一）NFV和SDN

NFV最为重要的优势是在降低资产和运营开销的同时，缩短功能发布时间。但是，获得这些优势的前提条件是不同厂商的VNF是可移植的，并且可以在网络硬件平台共存。简单总结来说：虚拟化，就是网元功能虚拟化（Network

Function

Virtualization，NFV）。NFV（一）NFV和SDN简单来讲，硬件上，直接采用HP、IBM等IT厂家的x86平台通用服务器（目前以刀片服务器为主，节约空间，也够用）。

软件上，设备商基于openstack这样的开源平台，开发自己的虚拟化平台，把以前的核心网网元，“种植”在这个平台之上。NFV（一）NFV和SDN3、虚拟局域网络(VLAN)2、自动可编程网络(APN)4、叠加网络1、虚报专用网络(VPN)5、基于SDN的网络虚拟化

这里插入主标题（一）NFV和SDN网络虚拟化技术APN技术是希望将物理网络的资源通过网络可编程接口的形式暴露出来，使得用户可以自定义指定报文的处理方式。

叠加网络是一种在现有网络物理拓扑结构之上构建的虚拟拓扑结构，从而实现基于已经存在的网络设施去经济地实现新的网络服务。（一）NFV和SDNSDN与NFV的关系

NFV与SDN来源于相同的技术基础，即通用服务器、云计算以及虚拟拟化技术等。同时NFV与SDN又是互补关系，二者相互独立，没有依赖关系，SDN不是NFV的前提。

SDN的目的是生成网络的抽象，从而快速地进行网络创新，重点在集中控制、开放、协同、网络可编程。

SDN与NFV的关系（一）NFV和SDN

NFV是运营商为了减少网络设备成本，以及场地占用、电力消耗等运维成本，而建立的快速创新和开放的系统，重在高性能转发硬件和虚拟化网络]软件。

SDN与NFV共同被认为是未来网络创新的重要推动力量。SDN与NFV的关系（一）NFV和SDN（一）NFV和SDNSDN与NFV的关系SDN位于OSI网络模型中的2-3层，主要是优化像以太网交换机，路由器和无线接入点等网络基础架构。NFV位于OSI网络模型中的4-7层，主要是优化网络功能的部署，例如：负载平衡器，防火墙，WAN优化控制器，深度包检测等。SDN与NFV的关系（一）NFV和SDN（一）NFV和SDNSDN与NFV的关系SBA知识点二为了满足5G万物互联的需求，通信人致力于对贯穿于5G网络的基站、核心网、编排管理、传输等各部分的实现。对于核心网而言，基于传统CT（通信技术）思维的设计模式显然已经不足以面向未来。因此，5G核心网有了更方便更灵活引入垂直行业的架构，即基于服务化的架构，简称SBA。SBA

（二）SBA（1）服务的提供通过生产者（Producer）与消费者（Consumer）之间的消息交互来达成。交互模式简化为两种：Request-Response、Subscribe-Notify，从而支持NF之间按照服务化接口交互。（2）实现了服务的自动化注册和发现。（3）采用统一服务化接口协议。目前5G核心网采用服务化架构的接口协议栈与传统移动核心网的协议相比，变得更加复杂。SBA

（二）SBA两种交互模式（二）SBA（二）SBASBA（ServiceBasedArchitecture），即基于服务的架构。它基于云原生构架设计，借鉴了IT领域的“微服务”理念。为此，业界提出了基于CloudNative的设计原则。CloudNative的使命是改变世界如何构建软件，其主要由微服务架构、DevOps和以容器为代表的敏捷基础架构几部分组成，目标是实现交付的弹性、可重复性和可靠性。（二）SBA微服务就是指将Monolithic（本文翻译成单体式应用程序）拆分为多个粒度更小的微服务，微服务之间通过API交互，且每个微服务独立于其他服务进行部署、升级、扩展，可在不影响客户使用的情况下频繁更新正在使用的应用。微服务架构单体式架构

正是基于这样的设计理念，传统网元先是转换为网络功能（NF），然后NF再被分解为多个“网络功能服务”。

SBA=网络功能服务+基于服务的接口。网络功能可由多个模块化的“网络功能服务”组成，并通过“基于服务的接口”来展现其功能，因此“网络功能服务”可以被授权的NF灵活使用。（二）SBA（二）SBASBA架构的优势扩展性消费升级开放性敏捷性不需要引入新的接口设计可以实现网络功能的组合，满足网络切片的灵活性满足新形势的第三方业务调用5G核心网的服务实现了网络部署升级快速、便利CUPS知识点三

CUPS（ControlandUserPlaneSeparation）即控制与用户面分离。目的是让网络的用户面功能摆脱“中心化”的囚禁，使其既可灵活部署于核心网（中心数据中心），也可部署于接入网（边缘数据中心），最终实现可分布式部署。CUPS（三）CUPS事实上，核心网一直沿着控制面和用户面分离的方向演进。比如，从R7开始，通过DirectTunnel技术将控制面和用户面分离，在3GRNC和GGSN之间建立了直连用户面隧道，用户面数据流量直接绕过SGSN在RNC和GGSN之间传输。到了R8，出现了MME这样的纯信令节点。CUPS（三）CUPS（三）CUPSCUPS只是到了4.5G和5G时代，这一分离的趋势更加彻底，也更加必要。（三）CUPS控制承载分离(CUPS)-5G核心网（三）CUPSCUPS其中一大原因就是，为了满足5G网络毫秒级时延的KPI。网络切片知识点四网络切片就是将一个物理切割成多个虚拟的端到端的网络，每一个都可获得逻辑独立的网络资源，且各切片之间可相互绝缘。因此，当某一个切片中产生错误或故障时，并不会影响其他切片。网络切片是一个完整的逻辑网络，可以独立承担部分或者全部的网络功能。网络切片（四）网络切片网络切片的优势在于其能让网络运营商自己选择每个切片所需的特性，例如低延迟、高吞吐量、连接密度、频谱效率、流量容量和网络效率，这些有助于提高创建产品和服务方面的效率，提升客户体验。网络切片（四）网络切片实际上，从2G到4G网络只是实现了单一的电话或上网需求，却无法满足随着海量数据而来的新业务需求，而且传统网络改造起来非常麻烦；而5G可以说是为了应用而生，需要面向多连接与多样化业务，需要部署更灵活，还要分类管理，而网络切片正是这样一种按需组网的方式。为何5G需要网络切片？（四）网络切片（四）网络切片为何5G需要网络切片？运营商在同一的基础设施上“切”出多个虚拟网络，每个网络切片从无线接入网到承载网再到核心网，都是逻辑上隔离，且每个网络切片至少包括无线子切片、承载子切片和核心网子切片，以适配各类业务与应用。可以说，网络切片做到了端到端的按需定制并保证隔离性。切片的资源隔离特性增强了整体网络。为何5G需要网络切片？（四）网络切片（四）网络切片无线子切片：切片资源划分和隔离，切片感知，切片选择，移动性管理，每个切片的QoS保障。（四）网络切片承载子切片：基于SDN的统一管理，承载也可以被抽象成资源池来进行灵活分配，从而切割成网络切片。（四）网络切片核心网子切片：基于SBA以前所有的网元都被打散，重构为一个个实现基本功能集合的微服务，再由这些微服务像搭积木一样按需拼装成网络切片。

NFV是先决条件。比如核心网，NFV先从传统网络设备中分离软硬件，硬件由通用服务器统一管理，软件则由不同的NF承担，以实现灵活满足业务需求。这样看来，“切”这个动作实际上就是在进行资源重组。如何实现端到端的网络切片（四）网络切片

SLA（服务等级协议）为指定的通信服务类型，选择它需要的虚拟物理资源。这里，SLA包括了用户数，QoS，带宽等多项参数，且不同的SLA将定义不同的通信服务类型。重组的依据（四）网络切片（四）网络切片重组的依据是什么呢？切片并不是说我们需要为每一个服务都建一个专用网络，因为网络切片技术在一个独立的物理网络上，可以切分出多个逻辑网络，所以说它真的非常节省成本！因此，我们说在一个网络中，切片越多加载的应用越多，意味着其网络价值越大，性价比也就越高。

网络切片（四）网络切片目前，5G几个主流的应用场景，包括eMBB、uRLLC、mMTC三个通信服务类型，当然还有公认的5G未来杀手级应用之一的VR、AR，自动驾驶，无人机，智能电网，无线医疗，5G将提供适配不同领域需求的网络连接特性，推动各行业的能力提升与转型。网络切片（四）网络切片（四）网络切片网络切片的总体架构网络切片管理架构包括通信业务管理、网络切片管理、网络切片子网管理。通信业务管理功能（CSMF）实现业务需求到网络切片需求的映射；网络切片管理功能（NSMF）实现切片的编排管理，并将整个网络切片的SLA分解为不同切片子网（如核心网切片子网、无线网切片子网和承载网切片子网）的SLA；网络切片的总体架构（四）网络切片网络切片有三种典型部署方式：

(1)方式1:多个网络切片在逻辑上完全隔离，只在物理资源上共享，每个切片包含完整的控制面和用户面功能。终端可以连接多个独立的网络切片，终端在每个核心网切片可能有独立的网络签约。

网络切片的总体架构（四）网络切片

(2)方式2:多个网络切片共享部分控制面功能，一般而言，考虑到终端实现的复杂度，可对移动性管理等终端粒度的控制面功能进行共享(如MM）而业务粒度的控制和转发功能则为各切片的独立功能(如SM、UP),实现切片特定的服务。

(3)方式3:多个网络切片之间共享所有的控制面功能，用户面功能是切片专有的。网络切片的总体架构（四）网络切片未来，从人们直接相关的虚拟现实、增强现实，到自动驾驶，智能交通及无人机，再到物流仓储，工业自动化，作为信息化的基础设置，5G将提供适配不同领域需求的网络连接特性，推动各行业的能力提升及转型。

5G网络所提供端到端的网络切片能力，可以将所需的网络资源灵活动态地在全网中面向不同的需求进行分配及能力释放，并进一步动态优化网络连接，降低成本，提升效益。

网络切片的应用（四）网络切片网络切片不是一个单独的技术，它是基于云计算、虚拟化、软件定义网络、分布式云架构等几大技术群而实现的，通过上层统一的编排让网络具备管理、协同的能力。从而实现基于一个通用的物理网络基础架构平台，能够同时支持多个逻辑网络的功能。网络切片的应用（四）网络切片相较于2/3/4G网络，5G网络的CP/UP分离，使得网络部署更加集约、灵活，控制面的重构让会话管理和移动管理功能可以按需独立部署，不再是仅满足于面向人类、车辆移动状态的通信，也可以满足用水、电抄表等静止类业务的机器类会话；移动边缘计算更是把网络能力向靠近用户的分布式云数据中心推进。网络切片的应用（四）网络切片多接入边缘计算（MEC）知识点五移动边缘计算（MobileEdgeComputing,MEC）概念最初于2013年出现。欧洲电信标准协会(ETSI)于2014年成立移动边缘计算规范工作组(MobileEdgeComputingIndustrySpecificationGroup)正式宣布推动移动边缘计算标准化。2016年，ETSI把MEC的概念扩展为多接入边缘计算（Multi-AccessEdgeComputing），将边缘计算从电信蜂窝网络进一步延伸至其他无线接入网络（如WiFi）。

移动边缘计算的起源（五）多接入边缘计算（MEC）其基本思想是把云计算平台从移动核心网络内部迁移到移动接入网边缘，实现计算及存储资源的弹性利用。移动边缘计算基本思想（五）多接入边缘计算（MEC）多接入边缘计算（MEC），就是位于网络边缘的、基于云的IT计算和存储环境。它使数据存储和计算能力部署于更靠近用户的边缘，从而降低了网络时延，可更好的提供低时延、高宽带应用。

多接入边缘计算（MEC）（五）多接入边缘计算（MEC）

MEC可通过开放生态系统引入新应用，从而帮助运营商提供更丰富的增值服务，比如数据分析、定位服务、AR和数据缓存等。

MEC是一种使能网络边缘业务的技术，具备超低时延、超高带宽、实时性强等特性，是IT与CT业务结合的理想载体平台。多接入边缘计算（MEC）（五）多接入边缘计算（MEC）（五）多接入边缘计算（MEC）多接入边缘计算（MEC）边缘计算就是将运营商和第三方业务部署在靠近UE接入点的地方，这样可以减少端到端的传输时延和降低传输网络的负载，从而实现高效的业务传输。在运营商眼里，网络其实就分为三个部分：无线接入网、移动核心网、应用网络。运营商基本上只掌管无线接入网和移动核心网两部分，应用网络通常在OTT手里，这三种网路在用户终端和应用服务器之间交替传递数据，完成用户的各种上网需求。多接入边缘计算（MEC）（五）多接入边缘计算（MEC）随着各种新服务类型的出现（AR/VR，connectedcars等），这种传统的网络结构逐渐不堪重负，因此催生了MEC的出现，即将网络业务“下沉”到更接近用户的无线接入网侧。MEC的优势：1.用户感受到的传输时延减小；2.网络拥塞被显著控制；3.更多的网络信息和网络拥塞控制功能可以开放给开发多接入边缘计算（MEC）（五）多接入边缘计算（MEC）（五）多接入边缘计算（MEC）

MEC所以MEC可以简单理解为边缘式的大数据处理平台，即把传统的数据中心切割成各种小型数据中心后放置到网络的边缘，以期更靠近用户，为用户提供更快的服务和达到更好的网络性能。（五）多接入边缘计算（MEC）几种应用案例及其所具有的MEC典型特征

MEC典型应用场景的技术指标特征是高带宽和低时延，同时在本地具有了一定的计算能力；商业模式特征主要包括通过业务和用户识别使能的第三方业务区别化(对不同的第三方业务差异化地提供网络资源、开放网络能力)、用户个性化(对不同用户差异化的前向或后向收费)，以及与具体的部署、服务位置有关的本地情境化。几种应用案例及其所具有的MEC典型特征（五）多接入边缘计算（MEC）

MEC技术通过对传统无线网络增加MEC平台功能，使其具备提供业务本地化及近距离部署的能力。然而，MEC功能/平台的部署方式与具体应用场景相关，主要包括室外宏基站场景及室内微基站场景。MEC部署方式及场景（五）多接入边缘计算（MEC）宏基站场景宏基站本身具备一定的计算和存储能力，故MEC在宏基站场景的部署主要为将MEC平台直接嵌入到宏基站的方式。拥有MEC功能的宏基站能够降低网络时延、获取业务的上下文信息并且能很好的支持室外的大区域范围的各类垂直行业应用，车联网、智慧城市等等。

MEC部署方式及场景（五）多接入边缘计算（MEC）小小区基站场景考虑到小小区基站的覆盖范围较小，服务用户数较少，且小小区基站的硬件大小也有限制的情况，MEC平台的部署主要以本地汇聚网关的方式出现。多个小小区基站共同连接到同一个MEC平台，通过在MEC平台上布置多个业务应用实现特定区域内的运营支撑，如企业、学校内部高效资源访问，商场等室内场所的物联网网关汇聚和数据分析等。MEC部署方式及场景（五）多接入边缘计算