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集成网络功能虚拟化与SDR和SDN为4G/ 5G网络
摘要
快速多元化的市场需求已经提交给了巨大的挑战常规的移动宽带网络架构。一方面，所述限制机房空间和电力供应不足使得不可能容纳成倍增长的运营商网络设备的数量。在另一方面，造成无线接入不同规格的网异质性设备会导致相关的管理和优化昂贵的麻烦。 本文，相应地，提出了涉及不同技术的整体解决方案，即，网络功能的虚拟化（NFV），软件定义的无线电（SDR），和软件定义的网络（SDN）。特别是，我们研究现有标准并为4G/ 5G移动网络可能的扩展，其次是未来研究的一些悬而未决的问题。
移动无线通信经历了爆炸式的增长，在过去的十年中，移动设备的应用广阔很大程度上推动。由于应用场景从传统的实时语音通信到社交网络，娱乐和电子商务扩展，设备和数据传输速率的不断数量呈几何级数增长。然而，达成广泛共识预计，4G移动网络不会接近满足该网络将在2020年由于无线链路效率已接近基本限制所面临的需求，在无线通信系统的容量未来的改进，可以通过交替实现创新和组网方案和基础设施的优化。
在4G / 5G无线网络的特点是异质由于高度多元化接入技术的混合利用。因此，网络运营商提出设备商具体的要求，成本效益和节能的解决方案。我们引入一些新的范式来解决上述问题，包括网络功能虚拟化（NFV），软件定义无线电（SDR）和软件定义网络（SDN）。
首先，NFV使用标准的IT虚拟化技术
整合多个网络设备类型的行业上标准高容量服务器，交换机和存储设备。
以这种方式，操作人员可以构建网络朝向部署网络服务到标准的设备[1]。 NFV可以在不安装硬件提供网络功能设备为每一个新的服务，使人们有可能投资少
在网络设备（CAPEX）和更少的支出网络管理和运营（OPEX）。它使得
标准的网络设备从一个硬件可以迁移平台到另一个。
其次，SDR的目的是通过简单地实现多模式重新配置具有不同软件无线电，正如其名称暗示。该软件可以被预加载在设备中或通过固定数据链路或过度的空中（OTA）下载。SDR已经在军事通信被成功地用于系统和最近推出的消费类电子产品市场[2]。它在军事应用中的重要作用频道切换和调制不断变化的需求。时下，可编程SDR解决方案已经成为因为它吸引人支持无线标准迅速发展和短上市时间。
三，SDN允许电信软件开发人员控制在同样简单的方式与普通的计算网络资源
资源[3]。为了支持的可编程网络外部的应用程序，SDN解决了从公开数据平面控制平面分离集中控制器和数据包转发之间的接口设备。一方面，基于软件的控制器用作控制平面和在逻辑上视为网络智能的核心;另一方面，该网络设备变得简单代表分组转发设备数据平面。
我们研究与SDR / SDN整合NFV的可能性为4G / 5G移动网络。我们的工作目标是减少设备成本和功耗，以及提升开放和多租户。我们首先回顾NFV的概念，SDR和SDN。我们专注于智能化，成本低，网络的高性能，并讨论整合对未来网络的关键技术。然后介绍NFV，SDR和SDN及其发展的标准化。我们认为开放性，可移植性和资源管理，然后作出改进建议和扩展。最后，我们讨论的若干关键技术和挑战，未来5G网络，如毫米波，大规模MIMO，异构网络，C-RAN，并整合NFV，SDR和SDN网络。
本文的其余部分安排如下。介绍NFV，SDR和SDN的预赛，然后提出一个集成的设计，未来的4G / 5G网络。我们呈现NFV和SDR /启用SDN-网络的细节还有必要4G / 5G的扩展。我们阐述了一些开放式的问题在我们的计划的实施，随后在文章的结论。
NFV，SDR，SDN和原始设计集成4G/ 5G网络架构，以及NFV，SDR和SDN的预设
图1示出NFV，SDR的混合结构，和SDN。随着NFV技术，运营商可以构建一个端到端与标准的IT虚拟化的网络基础设施技术。这可以通过实现网络来实现通过软件功能。这是比较容易引入或测试一个新的通过安装或升级软件包的网络功能通过服务器上运行。软件定义无线电，也称为软件无线电（SR）是指的无线通信，其中发射机调制产生或由计算机来定义。接收器可以使用计算机智能恢复信号。SDR克服了硬件的不足，并帮助分裂的控制功能和服务功能。 SDR设备NFV架构提供设备和功能的支持，而NFV提供SDN的基础设施支持。图1示出NFV，SDR的混合结构，和SDN。随着NFV技术，运营商可以构建一个端到端与标准的IT虚拟化的网络基础设施技术。这可以通过实现网络来实现通过软件功能。这是比较容易引入或测试一个新的通过安装或升级软件包的网络功能通过服务器上运行。软件定义无线电，也称为软件无线电（SDR）是指的无线通信，其中发射机调制产生或由计算机来定义。接收器可以使用计算机智能恢复信号。SDR克服了硬件的不足，并帮助分裂的控制功能和服务功能。 SDR设备NFV架构提供设备和功能的支持，而NFV提供SDN的基础设施支持。
NFV：NFV地址通过标准的虚拟化IT这些问题技术整合许多网络设备类型到行业标准的大容量服务器，交换机，和位于数据中心，网络节点的存储设备，和最终用户的场所。网络功能实现一个软件包中虚拟运行机器。 NFV能够成立新的机制来部署和运营网络和基础设施服务。它可以快速配置和发布最小的努力[4，5]。图1显示了NFV的分层架构，包括虚拟网络功能，和虚拟和物理基础设施。这些块标准化的潜在目标。该开放标准API是当前可用部署，但可能需要延长处理网络功能虚拟化。在图中所示的体系结构框架。1侧重于必要的功能用于虚拟化和随之而来的运营商的网络的操作。
SDR：SDR是一个无线通信系统其中，组件通常实现硬件是代替通过软件来实现个人计算机或嵌入上系统。 SDR技术带来的灵活性和必要的成本效益驱动通讯向前发展。理想的SDR有多个频段及模式与开放建筑。无线功能通过加载软件产品实现一个各种无线通信服务。基本的SDR平台，包括天线，多频带的射频（RF）模块，宽带A / D（D / A）转换器，DSP处理器和其他扩展。 SDR移动A / D和D / A接近RF，从基座到中频或甚至RF，并取代通过专用的可编程数字电路DSP或FPGA器件[6]。通过分离系统硬件结构和功能，SDR可实现多种功能通过软件基于相对通用硬件平台。它可以编程工作频率，系统带宽，调制，和信源编码[7]。此外，该系统可以通过改变处理模块很容易地更新。SDN：在SDR网络控制从转发脱钩和直接可编程，从而使底层基础设施被抽象为应用程序和网络服务和治疗网络作为一个逻辑或虚拟实体[8]。SDN结构示于图的左侧部分。 1.网络智力是基于软件的SDN控制器的集中。借助SDN，企业和运营商获得独立于供应商在从一个单一的逻辑点整个网络控制，因为他们不再需要理解和处理数千个协议标准，而只是接受指导从SDN控制器。随着向南开放的API在SDN控制和基础设施层之间，它可以让网络的转发平面的直接操纵设备都物理和虚拟。此外，北行在SDN控制器和应用程序之间的开放API层，业务应用程序可以在一个抽象操作网络，利用网络服务和功能而不局限于其实施的细节[9]。SDN使得网络没有那么多的应用感知作为应用定制和应用程序没有这么多网络 - 意识到作为网络能力感知。其结果是，计算，存储和网络资源可以被优化。
在图中所示的体系结构。 1，NFV可以增加在网络服务部署和集成的灵活性
运营商的网络。 NFV的目标可以通过使用来实现SDN的机制，在增强性能，简化条款与现有的部署，并推动兼容性操作和维护程序[10]。作为回报，NFV能够通过提供基础设施来支持SDN在该SDN软件可以运行。 NFV紧密对齐通过使用商用服务器和交换机SDN的目标。此外，SDR还提供了功能虚拟化支持移动网络。
4G / 5G NFV，SDR和SDN的要求
在图2宽带无线接入技术的进化（RAT）与关键特性，如细胞一起示出大小，频率资源，和业务承载要求。在5G的时代中，无线通信网络需要能够满足用户的多样化服务的巨额不同的数据速率的要求。作为一种解决方案，这个概念（HetNets）提出了一个智能异构网络层次化的网络资源利用方案剥削两个蜂窝和WLAN技术。在自然界HetNets需要NFV，SDN和SDR技术的支持不同的等级。异构节点的接口，设备，SDR可应用于处理物理层的信号并提取数据分组上层。在年底的水平，最终包运输，SDN采用灵活构建端至端拥塞弹性的传输信道通过用不同的网络协议。 在下面的章节中，计划结合NFV，SDR和SDN为未来的通信系统提出了有效地提高了网络的功能和灵活性同时降低了CAPEX和OPEX。
现有的标准和必要的扩展对于NFV和SDR / SDN网络启用
为了确保兼容性和互操作性，国际标准上的总体框架，技术要求，并规格是NFVSDR至关重要，并启用SDN设备和系统。在过去的几年中，各大国际电信标准化机构，包括WINNF，ONF，ETSI，ITU-T，IEEE等，都取得了很大的进步建立技术框架，并发布详细从不同的分别规格为三种技术观点。然而，对于具体的实施方案如4G / 5G，仍有许多工作要做。在这个部分，为NFV，SDN和SDR的现有标准进行了简要总结然后必要的扩展提出了建议。
对当前标准化研究进展NFV，SDN和SDR
按时间顺序，SDR的概念，SDN是基于上世纪90年代引入了两个对应用的需求和他们成为热点研究课题，在新世纪。相比与前两种技术，NFV提出通过互联网一个比较新的思路服务供应商能够容纳的趋势基础设施的虚拟化。
SDR技术由无线促进创新论坛（WINNF），这是以前称为SDR论坛[11]。该论坛与其他协同工作标准组织，如ITU，IEEE，ETSI，等等，和监管机构，如FCC和NTIA，敲定报告，建议，和技术规范的SDR和相关的技术，例如软件通信架构（SCA），认知无线电（CR），和动态频谱接入（DSA）。开放网络论坛（ONF），互联网形成企业和服务提供商[12]，定义架构SDN的，维护的OpenFlow标准，并组织SDN的一致性测试功能的设备。在架构SDN的，网络设备是由应用程序的简化，控制和基础设施层。的下部的功两两层被称为的OpenFlow控制器和开路流量开关，对应于控制平面和数据传统的IP / MPLS网络交换机和路由器的平面。
ETSI的由NFV所选标准化机构行业规范组（ISG）。该项目NFV现在在它的两个白皮书和一些基本的第二阶段规格公布。该白皮书总结要求运营商，图片的场景应用，定义基本术语，证明了可行性该框架的[14，15]。作为参考，表1总结并列出了正式这三种技术的公布的标准。
必要标准扩展为未来的4G / 5G网络
如前面提到的，未来的4G / 5G无线网络是特点是异质性和将采用更先进的技术的频谱利用率，多接入，信号处理，安全性等，以支持的互连更加多样化的用户设备和装置。该NFV，SDN和SDR的开发利用将很大程度上降低新一代网络的复杂性，降低网络的费用建设，并促进未来的网络演进。然而，当前的标准化机构没有采取在4G / 5G网络的考虑，我们将呈现必要的扩展在本节目前的标准。
从针对网络操作点，三个技术涉及的网络的不同的层。至具体而言，SDR负责物理层问题如调制，信号处理，信道编码;和数据封装。 SDN集中于网络的时间表元件以确保端到端运输，如和切换与数据包路由有保证服务质量。 NFV编排和组合功能网络的实体，以便服务和设备可以进行快速部署。基于这样的认识，关键不同的层的技术可以并入三种方案。
SDR：4G / 5G的高数据吞吐量和移动性都取得主要是由于MIMO技术的应用和动态频谱利用率，这些改进需要嵌入在SDR。在效果上，高级IMT，ITU-T的技术要求4G系统的，有计划扩大从带宽20MHz至40MHz的，并增加了天线数为3，4，甚至更多。对于超出4G或5G，异质网络结构将强调要求，即设备必须被编程，以适应底层网络方案中，如WiFi或蜂窝，充分利用频谱无论是资源许可与否。实现的功能以上，更有效的架构和高效的算法需要定义和引入到SDR框架。
SDN：SDN已经找到了最佳做法校园网和数据中心。对于未来的移动通信网络，在具有挑战性的应用将在移动管理的谎言，ISP间切换，以及控制平面的安全性。由于控制平面被从数据平面，开关耦异构网络之间多归属的用户设备，如Wi-Fi和蜂窝，可以轻松管理在纯粹的无连接的突然丧失或更高水平服务中断。实现的不同的网络之间的无缝切换服务提供者，一个被呼叫的移动IP（MIP）的方法是IETF提出的允许漫游设备从一个移动网络到另一个网络附加一个永久的IP地址。这种溶液可以通过SDN以更有效的方式来支持。安全是需要强调的另一个重要问题在未来SDN标准。特别是，我们需要付出注意一些具体问题，例如保护用户的隐私和机制，是强大到网络和恶意软件攻击，当会话私人延伸网络到一个ISP的公共网络。
NFV：的NFV标准富集应根据网络运营商的角度来看。首先，NFV的演变必须符合的无线网络发展的趋势;第二，移民问题和目前的共存传统网络并启用网络NFV需要考虑彻底;第三，NFV的一个健康的生态系统需要支持可持续发展。便携性和虚拟设备互操作性网络设备将有利于建立的NFV的一个健康的生态系统。可移植性会带来自由优化服务和网络部署。互操作性解耦从物理的虚拟设备由不同厂商提供的设备。这些都需要NFV ISG定义统一类似OpenFlow的接口和协议以便解耦从抽象函数底层硬件。表2总结并列出了建议的额外的三个标准技术。
对于未来的开放性问题研究
除了4G，5G一个系统将是游戏换，其中包括非常高的载波频率海量带宽，极端基站和设备的密度，前所未有的数量的天线。至实现这一目标，该核心网络应还必须达到前所未有的水平灵活性和智能性，同时，这一趋势可能最终扩大向着无线电接入网络。图3示出与一群关键技术，示范性网络，可能成为未来研究的开放性问题。
毫米波
毫米波技术是一种很有前途的技术未来5G蜂窝系统。未来的5G蜂窝系统可以
实现了从毫米波超宽带宽，其频
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