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5G網絡架構與無線網虛擬化

2019-05-10 08:54 郵電設計技術

導讀:5G引入虛擬化技術實現無線網靈活可控、開放可定制目標,也契合運營商網絡轉型方向。

5G引入虛擬化技術實現無線網靈活可控、開放可定制目標,也契合運營商網絡轉型方向。通過分析5G無線網架構,研究虛擬化技術在無線網中的應用,并介紹了運營商典型的無線網虛擬化方案,為組建面向業務、高度智能的5G網絡提供借鑒。

1 概述

未來5G網絡因為頻段和業務的需求,將呈現出密集、復雜的網絡結構,基站數量和部署密度將遠超現有4G網絡。隨著SDN/NFV(Software Defined Network/Network Function Virtualization, 軟件定義網絡/網絡功能虛擬化)技術的不斷發展,移動網絡核心側設備的虛擬化技術已經逐漸成熟,隨著軟硬件技術和能力的不斷增強,各大廠商和運營商也開始研究無線側虛擬化。為了提供一個能夠面向應用、開放靈活、低成本和易維護的網絡,無線接入側網絡虛擬化研究成為了業界研究的熱點。

2 未來無線網絡架構

2.1 5G無線網架構

3GPP的5G NR(New Radio, 新無線接入技術)架構如圖1所示[1](核心網架構和網元詳見文獻[3]), gNB基站為終端提供NG的用戶面(UP, U-plane)和控制面(CP, C-plane),eLTE eNB(升級后的LTE基站)基站為終端提供E-UTRA(Evolved Universal Terrestrial Radio Access, 演進的全球陸地無線接入)的用戶面和控制面,在標準規范里會同時提供NR和E-UTRA的用戶面和控制面。gNB(5G基站, 3GPP只命名未給出定義)之間、eLTE eNB之間、NR與eLTE eNB之間通過Xn接口互連?;九c核心側網關(NG-CP/UPGW)通過NG接口實現多對對連接。

圖1 5G NR架構

5G建網初期,為了節省投資和快速組網,采用3GPP的option3/3A的可能性會較大,通過eLTE eNB接入LTE核心網EPC,實現5G高速率業務,之后隨著網絡演進,逐步過渡到option7/7A和option5架構(純5G架構)。

2.3 CU/DU切分

5G將無線基站切分(split)成兩個邏輯功能實體:CU(Centralized Unit, 集中單元)與DU(Distributed Unit, 分布單元),架構如圖2所示[2]。

gNB由一個gNB-CU 和一個或者多個gNB-DU組成,gNB-DU根據分離功能的設置,實現gNB的功能,其功能實現由gNB-CU進行控制。gNB-CU與gNB-DU之間通過F1接口連接。CU側重于無線網功能中非實時性的部分(主要是無線高層協議,并承接部分核心側的功能),便于實現云化和虛擬化;DU負責除CU功能之外的所有的無線側功能,側重于物理層功能和實時性需求,目前尚不適用于功能的虛擬化,可采用專用硬件實現。

3GPP TR定義了8種[1]CU/DU切分方案(option1-option8),邏輯位置分別在RRC、PDCP、RLC(分兩層)、MAC(分兩層)、PHY(分兩層)之后,其中option2為高層切分方案,是標準化重點,DU的部分物理層的功能可以上移至RRU完成。CU可與MEC(Mobile Edge Computing, 移動邊緣計算)共同部署與相應的DC機房,實現業務快速創新和快速上線,也節省了DU至RRU(Remote Radio Unit, 遠端射頻單元)的傳輸資源。

圖2 NG-RAN 架構圖

CU/DU分離的好處是:

(1)有效降低前傳的帶寬需求(DC本地流量卸載/分流);

(2)提升協作能力、優化性能;

(3)靈活的硬件部署降低成本,支持端到端的網絡切片(slice);

(4)部分核心側功能下移;

(5)降低系統時延。

2.2 UP-CP分離

5G需求對時延的要求非常高,需要將相關的網元下沉(對應于運營商網絡重構中的邊緣DC和邊緣DC),網元數量劇增,勢必會造成網絡的復雜度(由類似“樹”型結構變成MESH結構),導致運營商投入巨大,信令的迂回也是很大問題。因此,5G網絡將控制面與用戶面的分離以適應SDN架構的需求,支持網絡可編程、可定制,將控制邏輯集中到控制面:

(1)降低分散式部署帶來的成本,解決信令迂回和接口壓力的問題;

(2)提升網絡架構的靈活性,支撐網絡切片;

(3)便于控制與轉發分離(LTE實現控制與轉發分離,但是不是完全的UP-CP分離[14]),方便網絡演進和升級;

(4)支持多廠商設備的互操作[1]。結合了UP-CP分離和CU/DU分離的5G RAN網絡架構如圖3所示,CU/DU切分采用option2方案。

圖3 5G RAN邏輯功能

從以上分析可以看出,5G無線網架構為運營商未來網絡重構做好了準備,CU/DU切分和UP/CP分離,可以為無線網絡虛擬化及MEC提供較為完善的網絡結構。

3 無線網虛擬化技術

無線網的虛擬化從兩個方面分析,即網絡資源虛擬化和網絡功能虛擬化。網絡資源虛擬化是對移動網無線側的頻譜資源、功率資源、空口(容量)資源進行虛擬化,網絡資源虛擬化的結果作為網絡功能虛擬化的基礎;網絡功能虛擬化是對無線接入網的數據單元和控制單元以及部分核心側的功能虛擬化。通過這兩個方面的虛擬化,實現對無線網資源的有效調度和利用,從而提升資源使用效率并很好地支撐5G網絡切片。無線網絡虛擬化與承載/核心網絡虛擬化相比,結構和特性更加復雜,不僅要考慮無線環境的不確定性、系統內外的干擾、信令調度開銷以及高速移動性等問題,還要考慮前傳、中傳和回傳網絡的容量和時延限制問題。

3.1 無線資源虛擬化

無線資源包括頻域資源、時域資源、空域資源和功率資源等,以及傳輸帶寬等資源。對無線資源的虛擬化,是通過SDN/NFV技術,將這些資源池化,通過映射等手段,使得對無線網資源的調度和配置與具體的網絡資源無關,即調度和配置時對無線網絡資源進行屏蔽,從而達到對無線網資源的最大化利用的目的[4]。

圖4 網絡資源虛擬化

如上圖(圖4)所示,虛擬網絡控制器負責網絡虛擬化,根據業務需求自動生成網絡拓撲,并向虛擬資源控制器申請網絡資源。節點鏈路控制器是根據網絡可分配資源和不同業務申請所需資源的情況,進行底層網絡資源與網絡需求的合理分配[9]。

3.2 網絡功能虛擬化

網絡功能的虛擬化是通過NFV技術結合SDN[7]技術的使用來實現,NFV技術(上層業務云化,底層硬件標準化)將網絡功能轉移到邊緣云中的VMs(Virtual Machines, 虛擬機)中,采用的是成熟商用的服務器(COTS, Commercial Off-The-Shell, 商用現成產品),這些VMs通過SDN技術實現與核心云VMs的互聯互通。虛擬機可以較為容易地實現資源的分配與隔離,即軟件功能與硬件能力的解耦,從而支撐5G網絡的切片。為了滿足不同的業務對時延等的不同需求,可以選擇將網絡功能設置在邊緣VMs還是核心VMs。

NFV分層視圖如圖5所示,MANO(MANagement and Orchestration)包括三個層次/部分:(1)網絡服務(NF)管理和編排,面向業務場景的網絡服務與編排,網絡服務的生命周期管理。(2)虛擬網元(VNF)管理與編排,虛擬網元的生命周期管理,虛擬網元相關的虛擬資源管理,虛擬網元的配置管理。(3)虛擬資源管理和編排,NFV基礎設施虛擬資源管理(計算能力、存儲容量、網絡功能)。

圖5 NFV分層視圖

無線側網絡功能虛擬化,實現網絡能力(承載)與覆蓋需求的分離,使得網絡節點能力的配置不受物理位置的限制,從而更好地為5G切片服務。

4 無線網虛擬化實例

4.1 中國移動C-RAN架構

C-RAN概念是中國移動2009年提出的,并根據網絡發展和演進逐步在不斷地完善。C-RAN(Centralized, Cooperative, Cloud and clean RAN)是集中處理(降低基礎設施投入)、協作(提高網絡資源的使用效率)、云化(實現資源共享)和綠色(解決高能耗問題)的無線接入網。C-RAN是相對于傳統的D-RAN(分散式RAN)來說的,也可稱之為SD-RAN(軟件定義RAN)[12]或者vRAN(虛擬RAN)[5],通過BBU(Base Band Unit, 基帶處理單元)的集中化處理實現無線網的虛擬化。中國移動基于CU/DU切分的C-RAN架構如圖6所示。在物理部署上,根據基站前傳條件,分為DU集中堆疊和DU分布式部分兩種[6]方式,DU的放置位置的高低,將決定其提供服務的范圍,位置越高可以實現更多資源的統一調度,對DU的能力要求也相應更高。

圖6 中國移動提出的CU/DU切分的C-RAN架構

RAN的網絡功能虛擬化主要是指CU的虛擬化,CU可以采用通用化的設備來實現支持無線網的功能以及部分下沉的核心網功能,并可以結合MEC實現邊緣應用能力[10]。DU可以采用專用設備或者通用設備實現,引入NFV框架之后,通過網絡的統一編排和管理,在SDN架構下實現對CU/DU的資源虛擬化管理。C-RAN技術不僅僅是針對5G網絡的,還可以針對現有制式基站進行虛擬化[8]。

4.2 中國電信網絡目標架構

中國電信技術創新中心提出的5G無線網解決方案S-RAN(Smart RAN, 智能無線接入網),無線網虛擬技術是S-RAN的關鍵技術[13]。中國電信CTNet2025目標網絡架構特征是簡潔、敏捷、開放、集約,為用戶提供網絡可視、資源隨選、用戶自服務的網絡能力[11]。目標網絡分為三層,即基礎設施層、網絡功能層和協同編排層,無線網功能分為功能抽象層和專用設施兩部分,配合CTNet2015目標架構的DC化改造方案將移動網絡描述成“三朵云”,“接入云”將無線網分成兩部分:vBBU(指Cloud-RAN-CU)和專用硬件DU、RRU兩部分。另外,MECC(Mobile Edge Computing and Content, 移動邊緣內容與計算)也與“接入云”融合,以滿足超低時延業務、大容量業務的本地緩存需求。中國電信網絡重構移動網目標架構如圖7所示。

圖7 中國電信CTNet2025移動網目標架構

無線網虛擬化技術的研究比承載網要滯后,因此中國電信對無線網虛擬化的考慮尚無明確的計劃表,另外受限于投資等因素,中國電信無線網虛擬化的推進將是一個循序漸進的過程。

5 結論與展望

通過SDN/NFV技術對無線側進行虛擬化,提升了網絡的靈活性和資源使用效率,但是無線側的虛擬化需要牽涉到百萬級的基站,其中很大一部分要在基站側進行通用服務器的部署,因此無線側的虛擬化是個漫長的過程。另外,無線網虛擬化如何與MEC融合、如何支撐5G網絡切片等問題,也是需要不斷的推進和融合的過程。ETSI自動化工作組已經開始了相關的工作議題,以實現所有操作流程和任務(如交付、部署、配置、保證和優化)的自動執行[15],5G時代將是進行無線網虛擬化的一個契機。

參考文獻

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