田利華 張陽 郭亦辰 向偉 宋琪

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本文研究核心網(wǎng)網(wǎng)元虛擬化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小型化核心網(wǎng)功能，并通過5G 小型輕量化專網(wǎng)設(shè)備升空，完成核心網(wǎng)設(shè)備本地化部署，實(shí)現(xiàn)靈活、機(jī)動、快速部署5G 通信專網(wǎng)，解決傳統(tǒng)應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)帶寬小、時延大、網(wǎng)絡(luò)部署機(jī)動性不足的問題，滿足高清視頻回傳、數(shù)據(jù)實(shí)時交互的網(wǎng)絡(luò)需求，為搶險救災(zāi)，應(yīng)急通信等提供安全可靠的通信保障。

1 行業(yè)現(xiàn)狀

衛(wèi)星通信是當(dāng)前應(yīng)急通信中最主要的通信手段[1]。但衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)容量小、帶寬有限，當(dāng)前采用4G 技術(shù)與衛(wèi)通回傳，時延秒級，業(yè)務(wù)速率低于10Mbps，無法滿足在線視頻監(jiān)控、機(jī)器巡邏等實(shí)時畫面回傳要求；而5G 通信技術(shù)可滿足大帶寬業(yè)務(wù)的需求[2]，但公網(wǎng)基站靈活機(jī)動性差，在部分應(yīng)急場景下無法快速地部署。同時已有的無人機(jī)應(yīng)急通信針對公網(wǎng)用戶，需要配套衛(wèi)通設(shè)備，因帶寬限制無法滿足大業(yè)務(wù)場景應(yīng)用。

當(dāng)前搶險救災(zāi)和應(yīng)急場景下專網(wǎng)保障手段有應(yīng)急通信車與無人機(jī)回傳通信，應(yīng)急車輛機(jī)動性不足，山地場景無法到達(dá)，無人機(jī)回傳受限衛(wèi)通帶寬，只可滿足語音通信。針對實(shí)時高清視頻回傳進(jìn)行現(xiàn)場指揮的通信要求，目前手段無法滿足。無人機(jī)應(yīng)急通信采用4G 技術(shù)與衛(wèi)通回傳，時延秒級，業(yè)務(wù)速率低于10Mbps，只可滿足基本語音通信。

傳統(tǒng)核心網(wǎng)采用都是根據(jù)核心網(wǎng)功能模塊采用專用的硬件[3]，設(shè)備體型大，費(fèi)用高，功耗大，需要5‐7 臺服務(wù)器完成功能部署，安裝不方便，不滿足機(jī)動靈活部署要求，因此需要對小型化核心網(wǎng)進(jìn)行研究和論證，滿足靈活機(jī)動的部署需求。

2 靈活機(jī)動小型輕量化專用網(wǎng)絡(luò)部署方案

針對應(yīng)急救援現(xiàn)場VR，AR 等大帶寬應(yīng)用場景，通過本地小型化核心網(wǎng)部署，完成數(shù)據(jù)分流，可為搶險救災(zāi)，應(yīng)急通信等專網(wǎng)客戶提供安全可靠的通信保障。專網(wǎng)輕量化設(shè)備部署在無人機(jī)或應(yīng)急通信車上，在復(fù)雜地形下實(shí)現(xiàn)10 分鐘內(nèi)為專網(wǎng)用戶提供靈活快速的網(wǎng)絡(luò)通信，滿足下行800Mbps 的網(wǎng)絡(luò)容量，時延低于50ms。

3 技術(shù)分析

3.1 核心網(wǎng)網(wǎng)元極簡虛擬化部署

5G 核心網(wǎng)的網(wǎng)元，其實(shí)就是一個又一個的功能個體。每個個體，單獨(dú)提供服務(wù)[3]。這種架構(gòu)，被稱為SBA 架構(gòu)（Service Based Architecture，即基于服務(wù)的架構(gòu)），簡而言之，5G 核心網(wǎng)就是模塊化、軟件化[4]。輕量化核心網(wǎng)采用NFV、SDN 技術(shù)和SBA 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在通用服務(wù)器上，通過主流先進(jìn)的虛擬化部署技術(shù)，使用通用服務(wù)器部署核心網(wǎng)的相關(guān)功能，專用硬件和軟件解耦，實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)相關(guān)功能的極簡快速部署，實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)的輕量化，小型化。硬件上，直接采用HP、IBM 等Openstack 這樣的開源平臺，開發(fā)虛擬化平臺，把傳統(tǒng)的核心網(wǎng)網(wǎng)元部署在通用服務(wù)器上，可滿足2000 用戶的網(wǎng)絡(luò)容量。

3.2 SDN

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software‐defined Networking， 簡稱SDN）技術(shù)是一種網(wǎng)絡(luò)管理方法，它支持動態(tài)可編程的網(wǎng)絡(luò)配置，提高了網(wǎng)絡(luò)性能和管理效率，使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能夠像云計算一樣提供靈活的定制能力。SDN 將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)面與控制面解耦，并進(jìn)行邏輯集中控制，抽象數(shù)據(jù)平面網(wǎng)絡(luò)資源，通過控制器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的編排和業(yè)務(wù)流量的調(diào)度，支持通過統(tǒng)一開放的接口對網(wǎng)絡(luò)直接進(jìn)行集中編程控制。SDN 具有成本低、集中管理、靈活調(diào)度等特點(diǎn)，對實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化部署至關(guān)重要。在數(shù)據(jù)面通過對網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)行為的邏輯抽象，實(shí)現(xiàn)利用高級語言對多種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平臺的轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和轉(zhuǎn)發(fā)流程的定制，從而實(shí)現(xiàn)面向上層應(yīng)用和性能要求的資源最優(yōu)配置[5]。在無線接入網(wǎng)中，SDN 的全局集中式管理能夠?qū)崿F(xiàn)基站間的協(xié)同工作，提高資源利用率。在核心網(wǎng)中，SDN 能夠提供網(wǎng)絡(luò)虛擬化功能，實(shí)現(xiàn)更加智能的網(wǎng)元管理和控制，簡化網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和操作[1]。

3.3 NFV

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV），是一種對于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的概念，利用虛擬化技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)階層的功能，分割成幾個功能區(qū)塊，在通用服務(wù)器的硬件基礎(chǔ)上，安裝不同的操作系統(tǒng)以及軟件后實(shí)現(xiàn)各種各樣的軟件功能。NFV 通過軟硬件解耦和功能抽象，將傳統(tǒng)專用硬件實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能以軟件的形式運(yùn)行在虛擬機(jī)或容器中，這些軟件實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能即VNF。在5G 網(wǎng)絡(luò)中，NFV框架支持服務(wù)鏈、VNF 嵌入以及VNF 的管理。NFV 通過采用虛擬網(wǎng)絡(luò)功能轉(zhuǎn)發(fā)圖的動態(tài)建立方式，引入了一種靈活的方式來編排VNF，提供對網(wǎng)絡(luò)功能的有效控制[6]。

3.4 硬件部署多樣化

在基于X86、ARM 架構(gòu)的通用服務(wù)器上，不同硬件的編譯語言，采用不同編譯平臺開發(fā)，滿足專網(wǎng)核心網(wǎng)多樣化運(yùn)行環(huán)境的需求。同時滿足物理機(jī)部署、主流虛擬化技術(shù)的虛擬機(jī)部署以及輕量靈活的Docker 部署方式，實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)相關(guān)功能的快速部署，滿足專網(wǎng)多樣化運(yùn)行環(huán)境的部署需求。如圖1 所示。

圖1：虛擬化架構(gòu)圖

4 測試結(jié)果分析

為驗(yàn)證輕量化小型核心網(wǎng)的功能，對AMF、SMF、UPF、AUSF、UDM、NRF 等網(wǎng)元的功能進(jìn)行驗(yàn)證，并對輕量化核心網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)性測試。

4.1 控制面功能測試

小型化核心網(wǎng)控制面網(wǎng)元包括AMF、AUSF、UDM、SMF、NRF、NSSF 等網(wǎng)元，實(shí)現(xiàn)用戶的接入移動性管理、鑒權(quán)服務(wù)、數(shù)據(jù)管理、會話管理、策略控制和切片管理等功能。本文主要展示用戶的接入的測試結(jié)果，具體如圖2 所示。

圖2：用戶初始注冊

4.2 用戶面功能測試

小型化核心網(wǎng)用戶面網(wǎng)元UPF 的功能測試主要包括PDU 會話、切片管理、接口管理、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等，本文主要展示PDU 會話的建立和釋放的測試結(jié)果，具體如圖3 和圖4 所示。

圖3：UE 請求的PDU 會話建立

圖4：UE 請求的PDU 會話釋放

5 應(yīng)用場景

5.1 應(yīng)急通信車機(jī)動組網(wǎng)

軍事演練、突發(fā)事件、自然災(zāi)害等發(fā)生時，需要快速構(gòu)建特定區(qū)域的5G 通信專用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場高清圖片和視頻的傳輸，滿足應(yīng)急搶險、區(qū)域作戰(zhàn)的通信需求。通過應(yīng)急通信車輛搭載BBU 和小型輕量核心網(wǎng)，AAU 在車上抱桿安裝，快速完成輕量化專網(wǎng)設(shè)備快速本地化部署，實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域內(nèi)的5G 網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋，建立即時可靠的通信連接，滿足機(jī)動快速的網(wǎng)絡(luò)需求。如圖5 所示。

圖5：靈活機(jī)動的通信車組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

5.2 無人機(jī)機(jī)動組網(wǎng)

在偏遠(yuǎn)山區(qū)、復(fù)雜地形等區(qū)域，交通路線受阻時，對于軍事應(yīng)用和應(yīng)急場景下，通過無人機(jī)攜帶專網(wǎng)設(shè)備形成靈活快速的一體化的網(wǎng)絡(luò)體系，無人機(jī)與輕量化專網(wǎng)設(shè)備快速本地化部署，建立即時可靠的通信連接，形成多維、多網(wǎng)系、多手段、寬頻帶、多模式的綜合通信保障，進(jìn)行信息交互和傳遞，提升信息共享能力。

針對機(jī)動快速部署的網(wǎng)絡(luò)要求，通過研究將天線、5G基站設(shè)備、輕量化5G 綜合接入設(shè)備以及應(yīng)用服務(wù)器部署在無人機(jī)上實(shí)現(xiàn)區(qū)域5G 信號的連續(xù)覆蓋，或利用小型系留無人機(jī)搭載輕量專網(wǎng)設(shè)備，并通過專線方式與指揮中心相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時動態(tài)監(jiān)控，構(gòu)建靈活機(jī)動的5G 網(wǎng)絡(luò)，為各項(xiàng)軍事任務(wù)和應(yīng)急通信提供可靠的通信保障。如圖6 所示。

圖6：靈活機(jī)動的無人機(jī)地立體組網(wǎng)架構(gòu)示意圖

6 結(jié)束語

通過對靈活機(jī)動專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案研究，可形成成熟可落地的靈活機(jī)動專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案，可10 分鐘內(nèi)完成專網(wǎng)部署，滿足下行800Mbps 的網(wǎng)絡(luò)容量，時延低于50ms，具備2000 用戶容量，為大帶寬低時延的各類業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)通信保障。

形成靈活機(jī)動專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案在不同場景下的業(yè)務(wù)能力和覆蓋能力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為搶險救災(zāi)、應(yīng)急救援方案的快速部署落地提供數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支撐。