基于樹莓派的小型5G系統(tǒng)研究

王鵬 王齊 趙鑫 李昌駿

摘要：5G系統(tǒng)以其大吞吐低延遲的特性為自動(dòng)駕駛、工業(yè)“智”造以及“元宇宙”等新概念提供了有力的支撐。因此，面向5G系統(tǒng)的學(xué)習(xí)及研究對(duì)于持續(xù)支撐新型業(yè)務(wù)的發(fā)展具有非常重要的意義。然而，現(xiàn)有的5G系統(tǒng)以大型商用系統(tǒng)為主，使得如本科生研究小組這種小型研究團(tuán)隊(duì)難以開展針對(duì)5G系統(tǒng)的研究及優(yōu)化。為此，文章借助樹莓派，將復(fù)雜開源5G項(xiàng)目進(jìn)行解耦，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，設(shè)計(jì)了一套面向?qū)W習(xí)實(shí)踐的小型5G系統(tǒng)——RespG。該系統(tǒng)為5G學(xué)習(xí)有需求的用戶開辟了一條新的學(xué)習(xí)道路。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)與802.11ax相當(dāng)?shù)男阅?，?yàn)證了項(xiàng)目的可行性。

關(guān)鍵詞：5G；5G核心網(wǎng)；O-RAN；Free5GC；樹莓派

中圖分類號(hào)：TP393；TN914 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著第五代通信技術(shù)的愈發(fā)成熟，各大商業(yè)公司（移動(dòng)、電信等通信公司）逐步開始布局商用5G領(lǐng)域。5G商用設(shè)施于2020年開始全面落地。國(guó)家制定了全面開展5G和千兆光纖網(wǎng)等新一代通信基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與普及政策，在基于第五代移動(dòng)通信的高速度、低功耗、低延遲和萬(wàn)物互聯(lián)等特點(diǎn)建設(shè)數(shù)字中國(guó)等方面給予一定的政策支持，鼓勵(lì)市場(chǎng)和企業(yè)參與5G研發(fā)、部署和使用。

為此，本文提出了一套基于樹莓派的小型化5G系統(tǒng)——RespG。本系統(tǒng)擁有模型小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化等特點(diǎn)。筆者通過(guò)對(duì)開源項(xiàng)目Free5GC的功能進(jìn)行精簡(jiǎn)及包裝，保留關(guān)鍵和必要的功能，將其部署在虛擬機(jī)中，將裝有開源項(xiàng)目UERANSIM的樹莓派與計(jì)算機(jī)連接，從而實(shí)現(xiàn)5G核心網(wǎng)和RAN的連接，最終實(shí)現(xiàn)了5G系統(tǒng)的部署。本系統(tǒng)為教育界相關(guān)5G系統(tǒng)、5G核心網(wǎng)的教學(xué)與講解提供模型基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)有5G系統(tǒng)存在的問(wèn)題

1.1 不能直接實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)運(yùn)行的系統(tǒng)

在目前所運(yùn)行的大部分5G系統(tǒng)中，5G核心網(wǎng)與5G接入網(wǎng)是兩個(gè)不同的系統(tǒng)。其中，5G核心網(wǎng)用于處理申請(qǐng)、實(shí)現(xiàn)功能、反饋信息。5G接入網(wǎng)是通過(guò)基站將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換從而實(shí)現(xiàn)收發(fā)功能［1］。本文則將5G核心網(wǎng)與5G接入網(wǎng)看作一個(gè)整體。

1.2 結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于針對(duì)性地研究5G系統(tǒng)原理

現(xiàn)有的5G系統(tǒng)開源項(xiàng)目都在不斷增加核心網(wǎng)的功能，使得核心網(wǎng)的功能可以更加完善靈活、適應(yīng)更多的場(chǎng)景，但這也導(dǎo)致了核心網(wǎng)的功能過(guò)于冗雜，不利于初學(xué)者對(duì)5G核心網(wǎng)的原理進(jìn)行針對(duì)性的研究［2］。

1.3 沒(méi)有全方位普及，不方便研究者學(xué)習(xí)

從目前存在的5G信號(hào)覆蓋場(chǎng)所來(lái)看，仍有些地區(qū)未被5G信號(hào)覆蓋，而且已經(jīng)存在5G信號(hào)的場(chǎng)所所用的5G系統(tǒng)大多為復(fù)雜、企業(yè)私有的系統(tǒng)。對(duì)于研究者而言，目前缺少一個(gè)便捷、簡(jiǎn)練的5G模擬環(huán)境。

2 關(guān)于5G核心網(wǎng)的相關(guān)研究

目前關(guān)于5G核心網(wǎng)的研究大致可以分為對(duì)核心網(wǎng)的搭建和核心網(wǎng)功能的拓展。

2.1 核心網(wǎng)的搭建

對(duì)于核心網(wǎng)搭建的研究，部分是為了使核心網(wǎng)更加靈活，可以滿足現(xiàn)今更多的需求，主要是通過(guò)將基于服務(wù)的架構(gòu)引入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

2.2 核心網(wǎng)功能的拓展

核心網(wǎng)功能拓展的研究大部分都是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片功能實(shí)現(xiàn)的［3］，也有對(duì)5G核心網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)切片的可拓展性和性能分析，如通過(guò)引入基于PEPA的新復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)建模型來(lái)維護(hù)和提升現(xiàn)有服務(wù)的切片容量。

5G核心網(wǎng)的不同之處在于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施的云化DC建設(shè)，對(duì)應(yīng)用層和核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)云化，將5G核心網(wǎng)進(jìn)行虛擬化部署是5G核心網(wǎng)部署的關(guān)鍵。5G核心網(wǎng)的下沉、CU（即eNB的中心單元）、DU（即eNB的分布單元）的合并集中虛擬化部署是5G技術(shù)的關(guān)鍵，如圖1所示。

3 基于樹莓派的小型化5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 模塊設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上，本文借用了Github的開源項(xiàng)目——Free5GC和UERANSIM。本實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)如下：

3.1.1 系統(tǒng)小型化

當(dāng)前的5G核心網(wǎng)功能繁多，如流量使用報(bào)告、分組路由和轉(zhuǎn)發(fā)等，不利于初學(xué)者對(duì)5G核心網(wǎng)的學(xué)習(xí)。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)刪除核心網(wǎng)的非必要功能，如流量使用報(bào)告、轉(zhuǎn)發(fā)等功能，只保留核心網(wǎng)用戶信息的注冊(cè)、管理和實(shí)現(xiàn)用戶接入網(wǎng)絡(luò)的功能，使得整個(gè)核心網(wǎng)變得更加簡(jiǎn)潔明了，更便于初學(xué)者的學(xué)習(xí)和使用。

3.1.2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化

本實(shí)驗(yàn)將傳統(tǒng)的5G信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為大型基站，簡(jiǎn)化為3個(gè)模塊，即核心網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)模塊、射頻信號(hào)與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)譯模塊和射頻信號(hào)收發(fā)模塊，以實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)、O-RAN和射頻基站的功能，從而實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)的部署。

3.2 核心網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)模塊

本實(shí)驗(yàn)將Free5GC安裝在虛擬機(jī)中，以實(shí)現(xiàn)5G核心網(wǎng)的虛擬化功能。對(duì)于核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送功能的實(shí)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)采用了光纖的方式將搭載信號(hào)轉(zhuǎn)譯模塊的樹莓派與搭載5G核心網(wǎng)的Linux虛擬機(jī)相連，通過(guò)N2接口從收到的射頻信號(hào)中提取NAS數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)中的接入和移動(dòng)管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）模塊中，并逐步將功能信息傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的功能模塊中，在功能模塊中實(shí)現(xiàn)該功能后，再通過(guò)AMF和N2接口傳回樹莓派。

3.3 射頻信號(hào)與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)譯模塊

信號(hào)轉(zhuǎn)譯模塊即5G基站中的RAN功能。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)將開源項(xiàng)目UERANSIM安裝在樹莓派上來(lái)實(shí)現(xiàn)O-RAN，即把CU和DU存放在樹莓派內(nèi)部的Linux運(yùn)行系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)CU和DU的虛擬化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)收到的射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)譯和對(duì)核心網(wǎng)發(fā)出信號(hào)的編譯。

3.4 實(shí)驗(yàn)裝置搭建

核心網(wǎng)功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)安裝Free5GC于本地虛擬機(jī)中并進(jìn)行配置修改。O-RAN功能的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)在樹莓派安裝UERANSIM配置修改，從而使樹莓派擁有O-RAN的功能，實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)（基站）。最后通過(guò)核心網(wǎng)以及接入網(wǎng)互相更改IP地址實(shí)現(xiàn)二者的連接。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了Free5GC和UERANSIM的安裝并修改了相關(guān)配置。通過(guò)啟動(dòng)充當(dāng)5G核心網(wǎng)的Free5GC和充當(dāng)O-RAN的UERANSIM，并將O-RAN與核心網(wǎng)相連接，再?gòu)腛-RAN注冊(cè)一個(gè)UE并接收返回的虛擬網(wǎng)卡，通過(guò)該通道實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)連接。

4.2 Free5GC與該實(shí)驗(yàn)的適配方法

首先，克隆Free5GC開源項(xiàng)目到本地文件中。其次，由于UE需要向AMF組件發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求以及和SMF、UPF的交互，所以需要將本地相關(guān)配置文件中的接口IP地址改為當(dāng)前虛擬機(jī)分配的IP地址。最后，通過(guò)啟動(dòng)WebConsole進(jìn)入網(wǎng)頁(yè)控制臺(tái)添加UE（相關(guān)配置可自行改動(dòng)）。

4.3 UERANSIM與該實(shí)驗(yàn)的適配方法

首先，將UERANSIM克隆到樹莓派所安裝的系統(tǒng)中。其次，由于系統(tǒng)需要與核心網(wǎng)連接，所以需要修改相關(guān)接口的IP地址（包括樹莓派分配的IP地址以及AMF的IP地址），在確保一致的情況下即可啟動(dòng)相關(guān)程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.4 系統(tǒng)測(cè)試

本文利用iperf 3工具對(duì)該小型5G系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，以此證明該5G系統(tǒng)的可用性。

為了解核心網(wǎng)性能的情況，本文對(duì)實(shí)驗(yàn)核心網(wǎng)與本地核心網(wǎng)進(jìn)行了基于TCP協(xié)議吞吐量測(cè)試，以此獲取該5G系統(tǒng)的核心網(wǎng)與本地核心網(wǎng)文件傳輸效率。為了減小誤差，該測(cè)試每項(xiàng)數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)了5次測(cè)試取平均值。經(jīng)過(guò)測(cè)試并統(tǒng)計(jì)得出了該5G系統(tǒng)核心網(wǎng)的TCP上行平均吞吐率為75 Mb/s，TCP下行平均吞吐率為85 Mb/s，本地核心網(wǎng)上行平均吞吐率為85 Mb/s，本地核心網(wǎng)下行平均吞吐率為95 Mb/s。結(jié)果如圖2所示，設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸速率較為穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)斷層現(xiàn)象，平均吞吐量與本地?cái)?shù)據(jù)情況相差不大，能夠支持設(shè)備正常應(yīng)用。其他項(xiàng)目受TCP擁塞控制算法的影響，在路徑上運(yùn)行的吞吐率約為200 Mb/s，輔助吞吐量802.11 n，標(biāo)稱吞吐率約為70 Mb/s，略低于本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，表明該系統(tǒng)對(duì)文件的網(wǎng)絡(luò)實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率足夠支持設(shè)備的正常使用。

本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)核心網(wǎng)進(jìn)行了基于UDP協(xié)議的上行和下行的吞吐量測(cè)試和延遲抖動(dòng)測(cè)試，以此測(cè)試該系統(tǒng)核心網(wǎng)的即時(shí)通信、在線視頻音頻播放傳輸?shù)裙δ堋＝?jīng)過(guò)測(cè)試并統(tǒng)計(jì)得出了該5G系統(tǒng)核心網(wǎng)的UDP平均上行吞吐量為120 Mb/s，UDP平均下行吞吐量為110 Mb/s，UDP上行延遲抖動(dòng)平均為0.2 ms，UDP下行延遲抖動(dòng)平均為0.25 ms。設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸 ?速率較為穩(wěn)定，可靠性能高。平均吞吐量能正常滿足需求，表明該系統(tǒng)對(duì)即時(shí)通信、在線視頻和音頻播放傳輸?shù)裙δ艿木W(wǎng)絡(luò)實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率足夠支持設(shè)備的正常使用。

本實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)接入網(wǎng)進(jìn)行了基于TCP協(xié)議的吞吐量測(cè)試，以此測(cè)試該5G系統(tǒng)的接入網(wǎng)文件傳輸效率。經(jīng)過(guò)測(cè)試并統(tǒng)計(jì)得出了該5G系統(tǒng)接入網(wǎng)的TCP上行平均吞吐率為5.5 Gb/s，TCP下行平均吞吐率為10 Gb/s，本地接入網(wǎng)的TCP上下行平均吞吐率為18 Gb/s。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的接入網(wǎng)TCP吞吐量仍能支持設(shè)備應(yīng)用的正常使用，設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸速率也較為穩(wěn)定。本文在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，對(duì)接入網(wǎng)UDP數(shù)據(jù)也同樣進(jìn)行了測(cè)試，由于結(jié)果與TCP結(jié)果趨勢(shì)相同，本文不再重復(fù)敘述接入網(wǎng)UDP結(jié)果數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)該5G系統(tǒng)的基本功能進(jìn)行了一系列的測(cè)試，如對(duì)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的TCP和UDP吞吐量測(cè)試和延遲抖動(dòng)測(cè)試，證明了該系統(tǒng)是可行的。本實(shí)驗(yàn)的研究為教育界提供了一套較為完善的基礎(chǔ)5G核心網(wǎng)和5G系統(tǒng)，可以通過(guò)樹莓派和虛擬機(jī)進(jìn)行快速部署，以此來(lái)達(dá)到模擬5G系統(tǒng)模型的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行5G教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

［1］張健，李承基，王濤.廣電5G核心網(wǎng)規(guī)劃思考［J］.廣播電視網(wǎng)絡(luò)，2022（6）：33-35.

［2］郎睿.5G核心網(wǎng)創(chuàng)新技術(shù)研究及應(yīng)用探索［J］.中國(guó)新通信，2022（3）：81-83.

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（編輯 王雪芬）

Research on a small 5G system based on Raspberry Pi

Wang Peng， Wang Qi， Zhao Xin， Li? Changjun

（School of Computing， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100101， China）

Abstract： The 5G system provides strong support for new concepts such as autonomous driving， industrial “intelligent” manufacturing， and “Metaverse” due to its high throughput and low latency characteristics. Therefore， learning and research on 5G systems is of great significance for continuously supporting the development of new businesses. However， the challenge is that existing 5G systems are mostly commercial systems， making it difficult for small research teams like undergraduate student research groups to study 5G systems. To this end， the paper utilizes Raspberry Pi to decouple complex open source 5G projects and restructure their structure， designing a small 5G system for learning and practice：RespG. This system paves the way for learning 5G simply and easily. Experimental results indicate that the system can achieve comparable performance to 802.11ax.

Key words： 5G; 5G core network; O-RAN; Free5GC; Raspberry pi