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獨立組網5G核心網實現優化:軟件定義帶來更高靈活性

2018-10-29

        在2018年6月14日,3GPP全會批準了第五代移動通信技術標準(5G NR,5G New Radio,5G新空口)獨立組網功能凍結,加上上一年12月完成的非獨立組網標準,5G移動通信技術已經完成了第一個階段的全功能標準化工作,5G距離商用已經越來越近。

 

  獨立組網與非獨立組網是指在5G網絡建設過程中,是采用4G與5G聯合組網(Non-standalone,NSA,也就是非獨立組網)還是采用5G獨立組網(Standalone,SA)的區分,這是運營商首要解決的問題。非獨立組網在過渡上會比較平滑,而5G獨立組網可以真正體現出5G的技術優勢。在國內,中國移動更為重視獨立組網,近日英特爾與中國移動聯合公布《獨立組網的5G核心網實現優化》白皮書,展示了中國移動在5G核心網獨立組網方面已經進行了相當多的工作,已經為5G商用做好了準備。

 

5G-SA

 

6月28日,中國移動攜手英特爾等廠商共同發起“5G SA起航行動”

 

  基于服務的架構(SBA)是5G核心網統一的基礎架構

 

  在5G獨立組網時,5G網絡采用端到端的架構,從終端、無線新空口到核心網都采用5G相關標準,從而完全實現5G的各類接口和功能,并完全提供基于5G的服務。新的架構也帶來了新的挑戰,通信業界需要設計構建全新的網絡架構與之相對。由中國移動牽頭聯合全球26家運營商及網絡設備商提出了SBA(Service Based Architecture,基于服務的網絡架構)就滿足了新架構的要求,并在2017年被3GPP正式確認為5G核心網統一基礎架構。

 

  SBA架構面向原生云(Native Cloud),是一種借鑒了互聯網領域中面向服務的架構(Service-Oriented Architecture,SOA)和微服務架構等成熟理念的架構,它以軟件服務的概念重構5G核心網,對5G核心網控制面各網絡功能實施服務化定義,提供一系列的基于服務的接口(Service Based Interface,SBI),具備靈活化、開放化以及智能化的特點,可以根據需要進行靈活部署和擴展。

 

  在整體功能上,SBA架構可以分為兩大類組件,一類為接口組件,提供了包括HTTP服務器、收發HTTP請求/響應,以及解析API端點中內置HTTP請求的功能;另一類為邏輯組件,可以處理來自5G核心網應用以及特定網絡功能(如SMF,UDM,AMF)的請求。邏輯上這些組件的架構形式可以分為兩種類型:

 

  集成式實現:接口和邏輯組件可以整體集成到應用中,并駐留在同一物理服務器中,且是同一虛擬機或容器的一部分。

 

  分布式實現:接口和邏輯組件分布在各自獨立的物理服務器中,并通過專用接口相互連接。

 

  此外,分布式實現還有一種具備容器間內存映射接口的分布式容器部署方案。在該方案中,HTTP服務器容器和承載5G核心網控制面功能的容器使用內存映射接口進行直接通信,從而減少了數據包緩沖區的拷貝數量,從而提高消息請求處理的性能,并獲得更低的延遲。

 

  集成式實現在通信上具有優勢,在某些情況下,接口間的消息可以通過共享內存傳遞,理論上會更具有性能優勢,而分布式實現各個組件之間進行了分離,可以獨立地升級以及更新換代,更具有靈活性。

 

  中國移動在SBA架構上的分析研究

 

  具體使用什么樣的方式實現還需要經過實踐的證明,中國移動研究了兩種實現方式,并搭建了幾種部署方案以及測試環境進行了測試,并將測試目標聚焦在事務吞吐率和處理器負載兩個關鍵指標上。

 

  測試方案采用兩臺獨立的基于英特爾至強E5處理器并通過25GbE以太網交換機互連的物理服務器。測試服務器1作為待測設備(DUT),運行SBA架構的接口組件和邏輯組件,并可進一步配置為前文所述各類部署方案的場景。

 

  最終測試了兩種測試方案,測試方案一將測試服務器1的一個處理器核心被配置為執行接口組件,另一個處理器內核被配置為執行邏輯組件。同時測試方案一包含了集成式容器和分布式容器兩個場景,它們均基于虛擬機部署方案,并在接口組件和邏輯組件之間建立了基于Socket套接字的通信進程,區別是集中式運行于同一進程空間,分布式則運行于獨立的虛擬機/容器。

 

  測試方案二則在測試服務器1的一個處理器核心同時執行接口組件和邏輯組件,這是一種接口和邏輯組件緊密集成的系統實現方案,它可以通過多核心處理實現可擴展性。

 

  在最終的測試結果中,同處理器核心的緊密集成實現方案二具有著超高的性能,同時具有更小的總體處理器負載。

 

  瞄準長期演進的靈活性

 

  白皮書中的測試結果表明,集成式SBA架構以其高事務吞吐率和低延遲的特性,相比其他方案有著更優秀的性能表現;同時,該方案還可帶來更為全面的互操作性。

 

  但是,集成式實現限制了靈活性,。作為帶來一個新時代的技術,5G將會是一個長期演進的標準,用長遠考慮,維持分布式實現的靈活性,可以降低開發、運營和維護的難度,并通過一些優化措施來提高性能。

 

  開放的英特爾架構是實現靈活性的關鍵,英特爾的x86平臺為基于NFV架構的虛擬機或容器應用提供了最好的虛擬化加速能力,同時,基于至強可擴展處理器平臺的強大處理能力也為各種軟件負載提供了充足的計算性能。不僅僅是核心網,各種邊緣、基站都可以通過英特爾架構實現完全軟件定義的架構,從而降低長期演進的總體擁有成本。

 

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