重塑5G时代的端到端移动网络.pdf

2019 思科和/或其附属公司。版权所有。白皮书思科公开信息构建新网络模型的必要性目前，用于构建移动网络的典型模型已经过时。运营商深受传统供应商架构的限制，他们的移动网络使用这些架构已达 25 年以上，基本上一成不变。虽然这些架构在前几代移动网络中非常有用，但却已不适合当今更加动态化的应用驱动型环境。运营商迫切需要一种新的模型，确保他们能够更快地交付新服务以保持竞争力，同时还能降低资本支出和运营支出。重塑 5G 时代的端到端移动网络颠覆性的思维和行动帮助乐天 发现成功白皮书思科公开信息目录采用以软件为中心的新方法新型端到端移动架构分离与 解耦云 RAN分布式通信云和自动化乐天移动网络概述软件驱动的转型了解详情 2019 思科和/或其附属公司。版权所有。采用以软件为中心的新方法软件定义架构包括云虚拟化和自动化，可帮助运营商满足这些新型应用和运营需求。他们将受益于真正的多供应商网络，能够在所有目标市场中实现统一的通用功能集。随着新型软件定义架构的出现，移动网络基础设施部署供应链发生了根本性的变化。这种架构支持前所未有的通用性，使运营商能够组合使用多个供应商提供的同类最佳功能。运营商还可以根据需要改进服务，以满足竞争环境的需求。新架构采用以软件为中心的方法，因此可提高自动化程度和服务通用性。面向企业和 垂直行业 市场的 5G 使用案例就是最好的例子。这些服务应由旨在管理端到端网络中资源的 API 提供支持，如果没有网络自动化，这些服务就无法正常运行。此外，许多软件定义的功能将在网络边缘或网络边缘附近的虚拟化环境中实施，因而可以支持边缘计算或多接入边缘计算 (MEC) 中定义的新型低延迟服务。1本白皮书首先介绍对于构建 5G 就绪型移动网络，当前模型所存在的局限性，然后重点介绍新战略及其技术基础。作为实际例证，我们介绍乐天移动网络公司 (RMN) 所采用的方法。RMN 正在以创新方式应用云技术和自动化技术，构建全新的业务模式。新型端到端移动架构现今部署的任何新型端到端移动网络都必须采用基本的 5G 系统架构原则，即便使用 LTE 接入也是如此。 运营商应积极采用该主要原则，作为 5G 系统架构的基础。为何目前的移动供应链已经过时？我们用基站收发台 (BTS) 这种统一功能实施来举例说明。在这种实施中，运营商必须每个市场选择一个供应商，并将整个供应商市场统一为通用性达到最低标准的功能集。其结果是，运营商可以向客户提供的应用集非常有限。在某些情况下，当实施专有功能时，供应商依赖关系和独家限制可能会延伸到其他域。例如，移动管理实体 (MME) 通常由 RAN 供应商实施，而微蜂窝通常通过 HetNet 等功能与宏 RAN 相结合。白皮书思科公开信息无线信号处理栈 解耦解耦 将处理栈中的功能映射如下：1. 服务交付适配协议（即 SDAP，仅适用于 NR）、分组数据汇聚协议 (PDCP) 和无线资源控制（控制功能）映射到集中单元 (CU)。这些处理栈功能负责处理对时间不敏感且可在虚拟化环境中轻松实施的数据包级别操作（报头压缩和无线加密）。中传8链路将 CU 连接到下文定义的 DU。在 解耦 的分组核心网架构中，CU 的位置非常适合部署用户平面功能 (UPF)。 解耦 的分组核心网在 3GPP R14 中称为 CUPS，在 3GPP R15 中称为 5GC。10,112. 无线链路控制 (RLC)、介质访问控制 (MAC) 和物理 (PHY) 层映射到分布单元 (DU)。 DU 为射频层执行大量准备工作，包括速率自适应、信道编码、调制和调度。对于 MAC 层而言，DU 的功能具有时间敏感性，因为要生成持续时间为传输时间间隔（LTE 中为 1 毫秒）的传输块，供 PHY 层使用。到下游实体的 DU 链路称为前向链路，在时域或频域中传输数字化 RF 采样 。3. 基带无线电功能、向上与向下转换，以及放大和任何模拟波束赋形 映射到蜂窝站点部署的拉远单元 (RU)，即射频拉远头 (RRH)。在某些情况下，LO-PHY 也可以集成到 RRH 中。到 DU 和 RU 的接口通常使用 CPRI 或 eCPRI 等常见接口标准来实施。9 除解决其他问题外，新型云 RAN 架构还解决了构建多供应商网络并将其统一为通用功能集的挑战。其中一个基本特征是，使用标准化拆分将无线信号处理栈进行 解耦 （见图 1）。2,3 5GNR 和 LTE 中的无线信号处理栈是一个依序处理功能的功能 “服务链” 。这些功能由来自分组核心网的信令进行控制，具体包括演进分组核心网 (EPC) 中的 MME，以及 5GC 中的接入和移动管理功能 (AMF)。（如果您不熟悉此处理栈中的功能及其顺序，请参阅 “无线信号处理栈 解耦 ” 补充说明。）图 1. 无线信号处理栈白皮书思科公开信息这种功能的 解耦 和隔离以及功能之间明确定义的接口使得运营商可以将软件与硬件分离。运营商借此可以获得在另一家供应商的硬件中才能执行的软件功能。对于集中单元 (CU) 来说，这种分离理所当然而且相对简单，因为那些功能可以轻松实现虚拟化。由于 MAC 和 PHY 层的实时处理要求，分布单元 (DU) 的分离更具挑战性。业内许多人都怀疑，是否有可能实现 DU 虚拟化的优势。思科和 Altiostar 已在传输容量可用的情况下实现 DU 完全虚拟化。如果无法实现虚拟化解决方案，白盒型的 DU 设计仍能提供所需的功能。5G 的 解耦 与分离可帮助实现网络架构向边缘基础设施的重大转变，将 解耦 的用户管理与接入功能结合在一起。随着 5GC 有线网络日益广泛采用，有线网络也将发生这种转变（见图 2） 。图 2. 边缘基础设施随着 RAN 与核心网的 解耦 ，顺理成章应该建立一个中间位置。此位置将整合 CU 工作负载和移动核心网的用户平面功能 (UPF)（见图 2 中的边缘云）。这些分布式 UPF 有助于分流负载，从而实现本地虚拟化服务或者城域级别更高效的对接。这种统一平台方法支持基础设施工作负载和各种面向服务的工作负载。这些工作负载可以支持企业到企业 (B2B) 服务（例如向其他企业提供的租用服务）和企业到消费者 (B2C) 服务（用以支持运营商的消费者业务）。以上所述的架构拆分会形成两个额外的传输域，即前传域和中传域。在进行射频拉远头 (RRH)/DU 拆分或 CU/DU 拆分时，就会实施这些域。在某些情况下，可以通过 裸光纤 实施前传，这基本上用于在 DU 与 RU/RRH 之间传输时域或频域基带采样。在其他情况下则必须使用依赖于以太网、IP 或 WDM 的传输技术。中传基本上是在 CU 与 DU 之间传输 GTP-u 数据包及关联的控制平面数据。这种类型的传输可以通过 IP 轻松实现。白皮书思科公开信息“作为日本最年轻的移动网络运营商 (MNO)，乐天移动网络公司与思科合作，从头设计和打造创新的 5G 系统架构。显而易见，这是全球首个从 RAN 到核心网都完全虚拟化的云原生网络，不管是网络还是服务，都达到前所未有的自动化程度。这种颠覆性架构将使乐天能够提供种类广泛的服务，包括消费者移动服务、窄带物联网 (NB-IOT)、固定无线、万物互联、富媒体服务，以及低延迟服务（例如 AR 和 VR）等。所有这些服务都将受益于独特的移动边缘计算基础设施，尽可能实现最佳的用户体验。” - Tareq Amin，乐天移动网络公司首席技术官现在是行业变革以前的多协议标签交换 (MPLS) 及其衍生模式（例如统一 MPLS）的最佳时期。虽然 MPLS 技术迄今为止都很成功，但该技术具有多控制平面的多样性特点，随着网络的不断发展，多控制平面显得过于复杂。缩小至一个经过验证的控制平面（即 IP 控制平面）并使用 IPv6 的增强功能要简单得多。我们建议在单控制平面上部署传输基础设施，通过 Segment Routing 来支持流量工程。Segment Routing 的一个优势就是，它可以将构建虚拟化服务所用的服务链和广域网传输所需的流量工程整合到一个简单的无缝传输框架中。在控制平面协议与 IP 所提供的功能相重复的位置，我们建议的传输方法可以消除控制平面协议，例如标签分发协议 (LDP) 和资源预留协议-流量工程 (RSVP-TE)。这种方法从网络中移除数据流状态，并且仍然提供多个控制平面实施选项，包括从完全分布式实施到路由器和软件定义网络 (SDN) 控制器划分各自功能的混合方法。基于 Segment Routing 的传输基础设施可以通过关联的基于 IP 的服务级别协议 (SLA) 部署在广泛的服务技术基础之上，包括基于 BGP 的虚拟专用网络 (VPN) 技术（例如 EVPN 和 VPNv4/v6）和新兴的软件定义广域网 (SD-WAN) VPN 技术。4自动化架构与此处介绍的新方法相关。模型驱动的自动化已成为现代网络配置管理的主要模式。在模型驱动的方法中，YANG 等定义语言可为网络元素 (NE) 以及可在这些网络元素上部署的服务建模。5 灵活且可编程的网络配置引擎（例如思科网络服务编排器）会解析模型，并创建一个框架，以便使用 NETCONF 或其他接口在网络元素中配置网络。服务的配置使用 RESTful API 甚至 CLI 命令直接完成。6,7模型驱动的配置管理在 5G 环境中会变得无处不在，并应用于所有的 5G 域，包括 RAN、传输、核心和服务。运营支出 (OpEx) 由于非接触自动化而降低。除 OpEx 优势外，全自动化网络还是支持 API 的先决条件，而 API 对轻松使用其他供应商的 5G 网络至关重要。白皮书思科公开信息 2019 思科和/或其附属公司。版权所有。API 是任何 5G 战略的核心。在 B2B 关系日益占据主导的经济结构中，经过精雕细琢且为人熟知的 API 集是促进收入增长的有力工具。使企业能够使用 5G 服务（例如网络即服务 NaaS）的 API 集有助于构建迈向行业垂直领域的重要渠道。网络切片是 API 支持的关键领域，API 发挥着关键作用。在网络切片中，运营商的基础设施分为多个租户，租户间相互隔离，每个租户专用于特定的服务。分离与 解耦对网络中的各种组件和功能以及整个网络架构进行分离、虚拟化和 解耦 的理念为运营商带来了许多焕然一新、令人期待的可能性。在演进的新型端到端移动架构中，分离和解耦 的理念通过多种方式得以应用，具有许多优势。硬件与软件的分离和一体式设备云和虚拟化技术使运营商能够将软件与底层硬件分离。这种模型可提供以下优势： 提高灵活性，缩短增加新功能、特性或服务的上市时间。 拓宽并且进一步开放供应商生态系统，加快创新，降低成本。 加快硬件和软件的创新，使其能够各自独立扩展。 提高利用通用硬件的潜力，实现通用硬件的重新使用和扩展，以支持多种应用。 提高硬件 SKU 整合的能力，将 SKU 从数百个或数千个减至不到 10 个 。通过明确定义的接口和拆分实现功能 解耦功能 解耦 可实现比硬件和软件分离更大的灵活性。演进分组核心网控制平面和用户平面的 解耦 是其中的一个例子，前文所述的将无线功能 解耦 为 RRH/RU、DU 和 CU 则是另一个例子。 解耦 可实现以下功能： 将 解耦 的功能置于最佳的位置类型中。例如，在演进分组核心网的控制平面保持集中化的同时，可以将用户平面置于更加靠近用户的位置。此功能是 MEC 等新型架构的基本推动因素。 独立扩展各个功能，包括 EPC 的 CP 或 UP，或者无线接入网的 DU 和 CU。 在保持控制功能更加集中化的同时，推动用户平面功能更靠近边缘，通过协调实现新功能，并取得更好的成本优化效果。 打造更开放的多供应商生态系统，加快创新，降低成本。云 RAN 为帮助运营商从多供应商方法中获益，有必要将 RAN 功能的软件实施与硬件进行 解耦 。在批量生产的 Intel x86 服务器上可将云 RAN 部署的 CU 功能实例化。各种功能在运营商级网络功能虚拟化 (NFV) 软件框架上进行虚拟化。根据传输类型的可用性，DU 功能可以在类似的 NFV 平台上进行虚拟化，也可以在靠近蜂窝站点的 Intel x86 服务器上作为网络功能实施 。射频拉远单元 (RRU) 集群可汇聚成一个 DU 。多个 DU 也可以汇聚成一个 CU。此解决方案架构使得运营商能够随着蜂窝数量、MIMO 层、频率和用户容量的增加而扩展其网白皮书思科公开信息 2019 思科和/或其附属公司。版权所有。将基带硬件与软件分离可提高灵活性。不管是 RRU、基带硬件还是软件，运营商都可选择部署同类最佳的解决方案。构建云 RAN 架构具有众多优势，因为它可以从根本上改变网络部署、构建和运营的方式。其中一些优势如下： 仅靠软件就完成服务调配、调试和管理，提高运营效率，降低亲临蜂窝站点的必要性 。 提高灵活性、加快创新速度和增加服务盈利，同时降低每用户成本和每性能单位的成本 。 通过软件定义网络、边缘计算、服务功能链和服务编排等技术对网络功能和资源进行高效划分，支持各种 5G 使用案例，例如增强的移动宽带、超可靠低延迟 (URLLC) 和物联网 (IoT)。 不需要为实现站点的最大容量而在云 RAN 网络中预调配基带资源。通过细分池化增益，针对整个网络的流量量变曲线调配基带资源。在高峰使用时段或发生大流量事件的情况下，这些流量量变曲线可以纵向扩展或收缩 。 提高可扩展性，以具有成本效益的方式快速适应各种网络拓扑和使用案例。络。在 DU 和 CU 功能均虚拟化的情况下，扩展必然会导致在 NFV 平台上将更多的虚拟化 CU (vCU) 或虚拟化 DU (vDU) 功能实例化为虚拟网络功能 (VNF)，换句话说必然会导致现有 VNF 处理能力的提高 。图 3. 云 RAN 网络可扩展性白皮书思科公开信息 2019 思科和/或其附属公司。版权所有。 增强 NFV 技术（例如 OpenStack、虚拟基础设施管理器和服务编排器）中已具备的网络可用性和可靠性。 使用商业现成的高处理密度硬件和开放式接口，将硬件与软件分离。 实现协作多点和站点间载波聚合等高级算法。分布式通信云和自动化完全自动化的分布式通信云平台可以帮助当今的通信运营商发展成为未来的全数字化运营商。分布式通信云本质上是使用数据中心、云和虚拟化技术构建的虚拟通信基础设施；从集中式通信数据中心一直到更靠近消费者的数百至数千个边缘位置，跨度非常大。它们使用具有通用策略和端到端自动化功能的可编程广域网进行互联， 该广域网提供丰富的北向 API。这种方法能够在云范围内提供一整套服务，而且操作灵活，使用简单。图 4. 架构框架图 4 显示具有松耦合模块化架构的分布式通信云平台的架构框架，其中层间的集成使用开放式 API 和数据模型进行驱动。此架构的模块化程度可以满足任何分离要求。层间的松耦合可确保隔离性、可 解耦 性、灵活性和开放性。此架构的每一层都能支持多供应商部署模型。高度可扩展的架构涵盖各类部署，包括中央和区域通信数据中心以及新出现的边缘位置。边缘通常呈现高度分布式特征，面向中心局、汇聚局或移动交换局以及 C-RAN 中心等类型的位置，或用于预汇聚。可编程传输网络在分布式云平台站点之间提供最佳的安全连接。传输网络的可编程性通过基于思科 IOS XR 和 IOS XE 的路由组合实现，确保虚拟化平台和上层自动化和编排系统可以与其进行动态交互。传输网络创建最佳的控制和转发平面结构，执行资源管理，并实现网络资源（例如流量工程路径和网络切片）的动态分配。白皮书思科公开信息 2019 思科和/或其附属公司。版权所有。虚拟化平台（在图 4 中显示为 NFVI 或微云）是此框架的基础。它是计算、存储和网络等硬件和虚拟化软件的组合，软硬件共同集成在经过验证的堆栈中，用于创建能够托管各种工作负载的通用虚拟基础设施。工作负载可以是网络功能 (NF)、边缘计算应用或者最终的 IT 应用。虚拟化模型可以通过微服务架构使用虚拟机或者容器。此基础中的 NFVI 或微云可通过由思科虚拟基础设施管理器 (CVIM) 支持的思科网络功能虚拟化基础设施 (NFVI) 解决方案来实现。CVIM 通过大量的操作工具提供丰富的云编排和生命周期管理功能，可为此框架带来深度可视性和 OAM 功能。思科 VIM 可在基于标准的架构之上构建运营商级 NFVI 解决方案，其中包含 OpenStack、 KVM、 Linux、 Docker、Kubernetes、 OVS、 DPDK 和 fd. io 等各种开源组件。思科 NFVI 旨在根据位置类型、资源可用性、物理限制和应用要求，实现各种最佳部署。它可以支持各种各样的站点，从大型站点（例如中央数据中心）一直到较小的站点（例如中央局或预汇聚/ 云 RAN 中心）。服务器数量可以从最大部署的 100 多台到最小部署的 3 台不等。所有部署都具有相同的可用性、性能、弹性、安全性和运营功能 。这些高度分散的 NFVI 或微云会带来巨大的管理和运营挑战。虽然各个 NFVI 或微云的运行完全自主，但故障和性能管理以及生命周期管理等特定功能需要统一。该架构在分布式 NFVI 或微云上面增加一层，为整个平台和所有位置类型提供一组通用的管理和运营功能，包括通用的安全和策略、全面的生命周期管理、应用感知型资源管理、DevOps 与 OAM 工具，以及基础设施保障，所有这些均通过多站点单一平台管理功能实现。图 4 顶部所示的服务编排通过执行多域和多供应商服务编排，提供意图驱动的网络功能。用户表达意图，编排器将其翻译成底层组件可以理解的语言。此层将提供分布式资源管理、多域容量管理、服务级别分析、网络保障，以及与门户或运营支持系统 (OSS) 等其他网络元素对接等功能，实现端到端架构。白皮书思科公开信息 2019 思科和/或其附属公司。版权所有。服务编排层的实现使用思科弹性服务控制器 (ESC) 作为通用 VNF 管理器，使用思科网络服务编排器 (NSO) 作为 NFV 编排器，再加上服务保障解决方案。思科 ESC 是一款支持多 VIM 和多云的 VNFM，可为思科和第三方的 VNF 提供丰富的 VNF 生命周期管理。对于单个较大的站点，它可以部署在高可用性对中；对于众多较小的站点，它可以采用 解耦 的形式，在每个较小站点进行 VNF 监控，从而提高可靠性和规模。思科 NSO 由模型驱动，支持多供应商和多设备，支持物理和虚拟功能，可为 NFV 以及其他域（例如可编程的传输网络/广域网和数据中心）提供丰富的编排功能。在分布式通信云架构中，建议采用多层 NSO 部署，确保模块化和运行分界。在此配置中，下层执行单独的域编排（广域网、数据中心、微云），而上层 NSO 控制各种下层编排器，提供端到端跨域编排。上层向 OSS 、业务支撑系统 (BSS) 和第三方合作伙伴提供丰富的北向 API，确保轻松使用分布式通信云平台 。乐天移动网络概述乐天公司总部位于日本，是一家互联网服务公司以及电子商务和金融技术领域的全球领导者。乐天提供各类媒体服务，例如 OTT 视频、电视直播、音乐、电子书和社交媒体消息。乐天移动网络 (RMN) 作为乐天公司的全资子公司，是日本最年轻的移动网络运营商。他们计划在 2019 年 10 月推出商业服务，其采用的创新架构将颠覆全球电信行业的格局。他们的网络从一开始就采用 5G 系统架构，将是全球首个从 RAN 到核心网都实现完全虚拟化的云化网络，网络和服务均支持端到端自动化。无线接入最初将使用 4G LTE（宏蜂窝和微蜂窝）和 Wi-Fi，并计划在 2020 年年初夏季奥运会之前使用 5G 无线技术。这种颠覆性架构将使 RMN 能够提供种类广泛的服务，包括 移动消费者 、窄带物联网、富媒体和低延迟服务（例如 AR 和 VR）等。所有服务都将受益于创新的 MEC 架构，提供差异化的用户体验。