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独立组网5G核心网实现优化:软件定义带来更高灵活性

2018-10-29

        在2018年6月14日,3GPP全会批准了第五代移动通信技术标准(5G NR,5G New Radio,5G新空口)独立组网功能冻结,加上上一年12月完成的非独立组网标准,5G移动通信技术已经完成了第一个阶段的全功能标准化工作,5G距离商用已经越来越近。

 

  独立组网与非独立组网是指在5G网络建设过程中,是采用4G与5G联合组网(Non-standalone,NSA,也就是非独立组网)还是采用5G独立组网(Standalone,SA)的区分,这是运营商首要解决的问题。非独立组网在过渡上会比较平滑,而5G独立组网可以真正体现出5G的技术优势。在国内,中国移动更为重视独立组网,近日英特尔与中国移动联合公布《独立组网的5G核心网实现优化》白皮书,展示了中国移动在5G核心网独立组网方面已经进行了相当多的工作,已经为5G商用做好了准备。

 

5G-SA

 

6月28日,中国移动携手英特尔等厂商共同发起“5G SA起航行动”

 

  基于服务的架构(SBA)是5G核心网统一的基础架构

 

  在5G独立组网时,5G网络采用端到端的架构,从终端、无线新空口到核心网都采用5G相关标准,从而完全实现5G的各类接口和功能,并完全提供基于5G的服务。新的架构也带来了新的挑战,通信业界需要设计构建全新的网络架构与之相对。由中国移动牵头联合全球26家运营商及网络设备商提出了SBA(Service Based Architecture,基于服务的网络架构)就满足了新架构的要求,并在2017年被3GPP正式确认为5G核心网统一基础架构。

 

  SBA架构面向原生云(Native Cloud),是一种借鉴了互联网领域中面向服务的架构(Service-Oriented Architecture,SOA)和微服务架构等成熟理念的架构,它以软件服务的概念重构5G核心网,对5G核心网控制面各网络功能实施服务化定义,提供一系列的基于服务的接口(Service Based Interface,SBI),具备灵活化、开放化以及智能化的特点,可以根据需要进行灵活部署和扩展。

 

  在整体功能上,SBA架构可以分为两大类组件,一类为接口组件,提供了包括HTTP服务器、收发HTTP请求/响应,以及解析API端点中内置HTTP请求的功能;另一类为逻辑组件,可以处理来自5G核心网应用以及特定网络功能(如SMF,UDM,AMF)的请求。逻辑上这些组件的架构形式可以分为两种类型:

 

  集成式实现:接口和逻辑组件可以整体集成到应用中,并驻留在同一物理服务器中,且是同一虚拟机或容器的一部分。

 

  分布式实现:接口和逻辑组件分布在各自独立的物理服务器中,并通过专用接口相互连接。

 

  此外,分布式实现还有一种具备容器间内存映射接口的分布式容器部署方案。在该方案中,HTTP服务器容器和承载5G核心网控制面功能的容器使用内存映射接口进行直接通信,从而减少了数据包缓冲区的拷贝数量,从而提高消息请求处理的性能,并获得更低的延迟。

 

  集成式实现在通信上具有优势,在某些情况下,接口间的消息可以通过共享内存传递,理论上会更具有性能优势,而分布式实现各个组件之间进行了分离,可以独立地升级以及更新换代,更具有灵活性。

 

  中国移动在SBA架构上的分析研究

 

  具体使用什么样的方式实现还需要经过实践的证明,中国移动研究了两种实现方式,并搭建了几种部署方案以及测试环境进行了测试,并将测试目标聚焦在事务吞吐率和处理器负载两个关键指标上。

 

  测试方案采用两台独立的基于英特尔至强E5处理器并通过25GbE以太网交换机互连的物理服务器。测试服务器1作为待测设备(DUT),运行SBA架构的接口组件和逻辑组件,并可进一步配置为前文所述各类部署方案的场景。

 

  最终测试了两种测试方案,测试方案一将测试服务器1的一个处理器核心被配置为执行接口组件,另一个处理器内核被配置为执行逻辑组件。同时测试方案一包含了集成式容器和分布式容器两个场景,它们均基于虚拟机部署方案,并在接口组件和逻辑组件之间建立了基于Socket套接字的通信进程,区别是集中式运行于同一进程空间,分布式则运行于独立的虚拟机/容器。

 

  测试方案二则在测试服务器1的一个处理器核心同时执行接口组件和逻辑组件,这是一种接口和逻辑组件紧密集成的系统实现方案,它可以通过多核心处理实现可扩展性。

 

  在最终的测试结果中,同处理器核心的紧密集成实现方案二具有着超高的性能,同时具有更小的总体处理器负载。

 

  瞄准长期演进的灵活性

 

  白皮书中的测试结果表明,集成式SBA架构以其高事务吞吐率和低延迟的特性,相比其他方案有着更优秀的性能表现;同时,该方案还可带来更为全面的互操作性。

 

  但是,集成式实现限制了灵活性,。作为带来一个新时代的技术,5G将会是一个长期演进的标准,用长远考虑,维持分布式实现的灵活性,可以降低开发、运营和维护的难度,并通过一些优化措施来提高性能。

 

  开放的英特尔架构是实现灵活性的关键,英特尔的x86平台为基于NFV架构的虚拟机或容器应用提供了最好的虚拟化加速能力,同时,基于至强可扩展处理器平台的强大处理能力也为各种软件负载提供了充足的计算性能。不仅仅是核心网,各种边缘、基站都可以通过英特尔架构实现完全软件定义的架构,从而降低长期演进的总体拥有成本。

 

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