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5G网络架构与无线网虚拟化

2019-05-10 08:54 邮电设计技术

导读:5G引入虚拟化技术实现无线网灵活可控、开放可定制目标,也契合运营商网络转型方向。

5G引入虚拟化技术实现无线网灵活可控、开放可定制目标,也契合运营商网络转型方向。通过分析5G无线网架构,研究虚拟化技术在无线网中的应用,并介绍了运营商典型的无线网虚拟化方案,为组建面向业务、高度智能的5G网络提供借鉴。

1 概述

未来5G网络因为频段和业务的需求,将呈现出密集、复杂的网络结构,基站数量和部署密度将远超现有4G网络。随着SDN/NFV(Software Defined Network/Network Function Virtualization, 软件定义网络/网络功能虚拟化)技术的不断发展,移动网络核心侧设备的虚拟化技术已经逐渐成熟,随着软硬件技术和能力的不断增强,各大厂商和运营商也开始研究无线侧虚拟化。为了提供一个能够面向应用、开放灵活、低成本和易维护的网络,无线接入侧网络虚拟化研究成为了业界研究的热点。

2 未来无线网络架构

2.1 5G无线网架构

3GPP的5G NR(New Radio, 新无线接入技术)架构如图1所示[1](核心网架构和网元详见文献[3]), gNB基站为终端提供NG的用户面(UP, U-plane)和控制面(CP, C-plane),eLTE eNB(升级后的LTE基站)基站为终端提供E-UTRA(Evolved Universal Terrestrial Radio Access, 演进的全球陆地无线接入)的用户面和控制面,在标准规范里会同时提供NR和E-UTRA的用户面和控制面。gNB(5G基站, 3GPP只命名未给出定义)之间、eLTE eNB之间、NR与eLTE eNB之间通过Xn接口互连。基站与核心侧网关(NG-CP/UPGW)通过NG接口实现多对对连接。

图1 5G NR架构

5G建网初期,为了节省投资和快速组网,采用3GPP的option3/3A的可能性会较大,通过eLTE eNB接入LTE核心网EPC,实现5G高速率业务,之后随着网络演进,逐步过渡到option7/7A和option5架构(纯5G架构)。

2.3 CU/DU切分

5G将无线基站切分(split)成两个逻辑功能实体:CU(Centralized Unit, 集中单元)与DU(Distributed Unit, 分布单元),架构如图2所示[2]。

gNB由一个gNB-CU 和一个或者多个gNB-DU组成,gNB-DU根据分离功能的设置,实现gNB的功能,其功能实现由gNB-CU进行控制。gNB-CU与gNB-DU之间通过F1接口连接。CU侧重于无线网功能中非实时性的部分(主要是无线高层协议,并承接部分核心侧的功能),便于实现云化和虚拟化;DU负责除CU功能之外的所有的无线侧功能,侧重于物理层功能和实时性需求,目前尚不适用于功能的虚拟化,可采用专用硬件实现。

3GPP TR定义了8种[1]CU/DU切分方案(option1-option8),逻辑位置分别在RRC、PDCP、RLC(分两层)、MAC(分两层)、PHY(分两层)之后,其中option2为高层切分方案,是标准化重点,DU的部分物理层的功能可以上移至RRU完成。CU可与MEC(Mobile Edge Computing, 移动边缘计算)共同部署与相应的DC机房,实现业务快速创新和快速上线,也节省了DU至RRU(Remote Radio Unit, 远端射频单元)的传输资源。

图2 NG-RAN 架构图

CU/DU分离的好处是:

(1)有效降低前传的带宽需求(DC本地流量卸载/分流);

(2)提升协作能力、优化性能;

(3)灵活的硬件部署降低成本,支持端到端的网络切片(slice);

(4)部分核心侧功能下移;

(5)降低系统时延。

2.2 UP-CP分离

5G需求对时延的要求非常高,需要将相关的网元下沉(对应于运营商网络重构中的边缘DC和边缘DC),网元数量剧增,势必会造成网络的复杂度(由类似“树”型结构变成MESH结构),导致运营商投入巨大,信令的迂回也是很大问题。因此,5G网络将控制面与用户面的分离以适应SDN架构的需求,支持网络可编程、可定制,将控制逻辑集中到控制面:

(1)降低分散式部署带来的成本,解决信令迂回和接口压力的问题;

(2)提升网络架构的灵活性,支撑网络切片;

(3)便于控制与转发分离(LTE实现控制与转发分离,但是不是完全的UP-CP分离[14]),方便网络演进和升级;

(4)支持多厂商设备的互操作[1]。结合了UP-CP分离和CU/DU分离的5G RAN网络架构如图3所示,CU/DU切分采用option2方案。

图3 5G RAN逻辑功能

从以上分析可以看出,5G无线网架构为运营商未来网络重构做好了准备,CU/DU切分和UP/CP分离,可以为无线网络虚拟化及MEC提供较为完善的网络结构。

3 无线网虚拟化技术

无线网的虚拟化从两个方面分析,即网络资源虚拟化和网络功能虚拟化。网络资源虚拟化是对移动网无线侧的频谱资源、功率资源、空口(容量)资源进行虚拟化,网络资源虚拟化的结果作为网络功能虚拟化的基础;网络功能虚拟化是对无线接入网的数据单元和控制单元以及部分核心侧的功能虚拟化。通过这两个方面的虚拟化,实现对无线网资源的有效调度和利用,从而提升资源使用效率并很好地支撑5G网络切片。无线网络虚拟化与承载/核心网络虚拟化相比,结构和特性更加复杂,不仅要考虑无线环境的不确定性、系统内外的干扰、信令调度开销以及高速移动性等问题,还要考虑前传、中传和回传网络的容量和时延限制问题。

3.1 无线资源虚拟化

无线资源包括频域资源、时域资源、空域资源和功率资源等,以及传输带宽等资源。对无线资源的虚拟化,是通过SDN/NFV技术,将这些资源池化,通过映射等手段,使得对无线网资源的调度和配置与具体的网络资源无关,即调度和配置时对无线网络资源进行屏蔽,从而达到对无线网资源的最大化利用的目的[4]。

图4 网络资源虚拟化

如上图(图4)所示,虚拟网络控制器负责网络虚拟化,根据业务需求自动生成网络拓扑,并向虚拟资源控制器申请网络资源。节点链路控制器是根据网络可分配资源和不同业务申请所需资源的情况,进行底层网络资源与网络需求的合理分配[9]。

3.2 网络功能虚拟化

网络功能的虚拟化是通过NFV技术结合SDN[7]技术的使用来实现,NFV技术(上层业务云化,底层硬件标准化)将网络功能转移到边缘云中的VMs(Virtual Machines, 虚拟机)中,采用的是成熟商用的服务器(COTS, Commercial Off-The-Shell, 商用现成产品),这些VMs通过SDN技术实现与核心云VMs的互联互通。虚拟机可以较为容易地实现资源的分配与隔离,即软件功能与硬件能力的解耦,从而支撑5G网络的切片。为了满足不同的业务对时延等的不同需求,可以选择将网络功能设置在边缘VMs还是核心VMs。

NFV分层视图如图5所示,MANO(MANagement and Orchestration)包括三个层次/部分:(1)网络服务(NF)管理和编排,面向业务场景的网络服务与编排,网络服务的生命周期管理。(2)虚拟网元(VNF)管理与编排,虚拟网元的生命周期管理,虚拟网元相关的虚拟资源管理,虚拟网元的配置管理。(3)虚拟资源管理和编排,NFV基础设施虚拟资源管理(计算能力、存储容量、网络功能)。

图5 NFV分层视图

无线侧网络功能虚拟化,实现网络能力(承载)与覆盖需求的分离,使得网络节点能力的配置不受物理位置的限制,从而更好地为5G切片服务。

4 无线网虚拟化实例

4.1 中国移动C-RAN架构

C-RAN概念是中国移动2009年提出的,并根据网络发展和演进逐步在不断地完善。C-RAN(Centralized, Cooperative, Cloud and clean RAN)是集中处理(降低基础设施投入)、协作(提高网络资源的使用效率)、云化(实现资源共享)和绿色(解决高能耗问题)的无线接入网。C-RAN是相对于传统的D-RAN(分散式RAN)来说的,也可称之为SD-RAN(软件定义RAN)[12]或者vRAN(虚拟RAN)[5],通过BBU(Base Band Unit, 基带处理单元)的集中化处理实现无线网的虚拟化。中国移动基于CU/DU切分的C-RAN架构如图6所示。在物理部署上,根据基站前传条件,分为DU集中堆叠和DU分布式部分两种[6]方式,DU的放置位置的高低,将决定其提供服务的范围,位置越高可以实现更多资源的统一调度,对DU的能力要求也相应更高。

图6 中国移动提出的CU/DU切分的C-RAN架构

RAN的网络功能虚拟化主要是指CU的虚拟化,CU可以采用通用化的设备来实现支持无线网的功能以及部分下沉的核心网功能,并可以结合MEC实现边缘应用能力[10]。DU可以采用专用设备或者通用设备实现,引入NFV框架之后,通过网络的统一编排和管理,在SDN架构下实现对CU/DU的资源虚拟化管理。C-RAN技术不仅仅是针对5G网络的,还可以针对现有制式基站进行虚拟化[8]。

4.2 中国电信网络目标架构

中国电信技术创新中心提出的5G无线网解决方案S-RAN(Smart RAN, 智能无线接入网),无线网虚拟技术是S-RAN的关键技术[13]。中国电信CTNet2025目标网络架构特征是简洁、敏捷、开放、集约,为用户提供网络可视、资源随选、用户自服务的网络能力[11]。目标网络分为三层,即基础设施层、网络功能层和协同编排层,无线网功能分为功能抽象层和专用设施两部分,配合CTNet2015目标架构的DC化改造方案将移动网络描述成“三朵云”,“接入云”将无线网分成两部分:vBBU(指Cloud-RAN-CU)和专用硬件DU、RRU两部分。另外,MECC(Mobile Edge Computing and Content, 移动边缘内容与计算)也与“接入云”融合,以满足超低时延业务、大容量业务的本地缓存需求。中国电信网络重构移动网目标架构如图7所示。

图7 中国电信CTNet2025移动网目标架构

无线网虚拟化技术的研究比承载网要滞后,因此中国电信对无线网虚拟化的考虑尚无明确的计划表,另外受限于投资等因素,中国电信无线网虚拟化的推进将是一个循序渐进的过程。

5 结论与展望

通过SDN/NFV技术对无线侧进行虚拟化,提升了网络的灵活性和资源使用效率,但是无线侧的虚拟化需要牵涉到百万级的基站,其中很大一部分要在基站侧进行通用服务器的部署,因此无线侧的虚拟化是个漫长的过程。另外,无线网虚拟化如何与MEC融合、如何支撑5G网络切片等问题,也是需要不断的推进和融合的过程。ETSI自动化工作组已经开始了相关的工作议题,以实现所有操作流程和任务(如交付、部署、配置、保证和优化)的自动执行[15],5G时代将是进行无线网虚拟化的一个契机。

参考文献

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[2] TS 38.401 V15.0.0. 3GPP Technical Specification Group Radio Access Network, NG-RAN; Architecture description (Release 15) [S]. 2017.

[3] TS 23.501 V15.0.0. 3GPP Technical Specification Group Services and System Aspects, System Architecture for the 5G System; Stage 2 (Release 15) [S]. 2017.

[4] 孙茜, 田霖, 周一青等. 基于NFV与SDN的未来接入网虚拟化关键技术[J].

信息通信技术, 2016, (1): 57-62.

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[6] 中国移动通信研究院,华为技术有限公司,中兴通讯股份有限公司等. 迈向5G C-RAN:需求、架构与挑战白皮书[Z]. 2016.

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[8] 王友祥, 李轶群, 张澜等. 基站虚拟化技术研究[J]. 邮电设计技术, 2016(11): 47-50.

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[10] 吴根生, 王学灵, 邢志宇. MEC技术与移动网络重构浅析[J]. 移动通信, 2018, 42(1): 15-20.

[11] 中国电信集团公司. CTNet-2025网络架构白皮书[Z]. 2016.

[12] 徐川, 马宏宝, 赵国锋等. 软件定义无线网络研究进展[J]. 重庆邮电大学学报: 自然科学版, 2015, (4), 453-459.

[13] S-RAN关键技术:5G无线网络虚拟化[EB/OL]. (2015-9-10). http://www.c114.com.cn/topic/4738/a918134.html.

[14] 王伟明. 转发与控制分离技术及应用[M]. 浙江: 浙江大学出版社, 2010.

[15] 齐旭. ETSI举行零接触网络和服务管理行业规范组(ZSM ISG)首次会议[EB/OL]. (2018-02-06). http://www.ccsa.org.cn.