VRAN技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

馬穎

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

VRAN技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

馬穎

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

5G VRAN基于CU的云化部署，引入虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能，靈活部署業(yè)務(wù)需求。分析了5G無線接入網(wǎng)架構(gòu)，研究了網(wǎng)絡(luò)邏輯功能劃分，探討了VRAN技術(shù)的具體實現(xiàn)方法。

虛擬化無線接入網(wǎng) 中心單元 分布單元 虛擬網(wǎng)絡(luò)功能 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，未來新的承載網(wǎng)絡(luò)——5G網(wǎng)絡(luò)，需要承接日益提升的高速率、高連接密度、低時延及高可靠性的業(yè)務(wù)。5G網(wǎng)絡(luò)需要支持eMBB超高帶寬業(yè)務(wù)（10 Gb/s）、mMTC超大連接業(yè)務(wù)（1 million/km2）和URLLC高可靠超低時延業(yè)務(wù)（99.999%,1 ms）等多樣化的業(yè)務(wù)。各類業(yè)務(wù)對空口速率、連接數(shù)、時延等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)要求差異極大，為了滿足不同業(yè)務(wù)的差異化需求，未來的5G無線網(wǎng)絡(luò)需要具備靈活部署和多連接分流集中的能力，以及針對多樣性空口統(tǒng)一管理的能力。如圖1所示，和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將發(fā)生變化，需要從專用的電信網(wǎng)絡(luò)向通用的電信網(wǎng)絡(luò)平臺轉(zhuǎn)變。

現(xiàn)有2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)采用專用的電信網(wǎng)絡(luò)平臺，以網(wǎng)元為中心進行設(shè)計，包括RAN網(wǎng)元、core網(wǎng)元、獨立的CS和PS處理。

5G網(wǎng)絡(luò)支持更多面向用戶的業(yè)務(wù)和各種不同應(yīng)用的快速部署，以及支持高標(biāo)準(zhǔn)的5G性能指標(biāo)，因此需要一個以平臺為特性的移動網(wǎng)絡(luò)。在這個平臺基礎(chǔ)上，進行簡單開發(fā)和適配以便支持各種紛繁復(fù)雜的應(yīng)用，而實現(xiàn)平臺化的網(wǎng)絡(luò)，關(guān)鍵就是網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化是未來5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，其核心是根據(jù)不同的場景和業(yè)務(wù)需求將5G網(wǎng)絡(luò)物理基礎(chǔ)設(shè)施資源虛擬化，實施時需要基于SDN（Software Defined Network）技術(shù)，支持網(wǎng)絡(luò)功能的可編程、定制剪裁和相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)資源的編排管理。5G無線側(cè)VRAN（VirtualRAN）是網(wǎng)絡(luò)虛擬化在無線接入網(wǎng)的具體應(yīng)用。VRAN的引入將極大地改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與基站形態(tài)，基于集中化處理、協(xié)作式無線電和實時云計算構(gòu)架，可進一步提升移動通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性與網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)性能，網(wǎng)絡(luò)容量也將更具彈性，從而使未來的5G網(wǎng)絡(luò)能夠更為靈活地應(yīng)對移動數(shù)據(jù)流量井噴式爆發(fā)。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)對比

2 5G無線接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G無線網(wǎng)絡(luò)基站重構(gòu)為CU（Centralized Unit）和DU（Distributed Unit）兩個邏輯網(wǎng)元，具體如圖2所示，網(wǎng)元之間的網(wǎng)絡(luò)功能進行重構(gòu)，部分核心網(wǎng)功能下沉至CU，BBU部分功能上移至RRU/AAU。

圖2 5G無線接入網(wǎng)架構(gòu)

CU與DU功能的切分以處理內(nèi)容的實時性進行區(qū)分。

（1）CU側(cè)重?zé)o線通信中非實時部分的功能，主要包括無線高層協(xié)議棧功能，同時也支持部分核心網(wǎng)功能下沉和邊緣應(yīng)用業(yè)務(wù)的部署。CU適于向基于IT平臺的虛擬化和云化方向發(fā)展，實現(xiàn)軟件和硬件解耦，也就是所要說的虛擬化無線接入網(wǎng)VRAN。CU可以運行在通用處理器上，以虛擬網(wǎng)絡(luò)功能VNF（Virtual Network Function）形式存在，CU支持組pool的能力，支持一個CU連接的所有小區(qū)的RRC連接和PDCP包處理的資源共享，需滿足CU所需處理資源、切片能力支持以及解耦功能要求等部署功能。CU的VNF軟件通過組合、排列、擴展等一系列編排操作，可創(chuàng)建支持多樣化上層業(yè)務(wù)需求的無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

在VRAN中，CU將非實時功能進行集中化處理，實施虛擬化和云化具有如下好處：

1）可擴展性，支持功能的按需靈活部署和網(wǎng)絡(luò)能力的彈性伸縮。

2）聚合性，利用其強計算能力支持制式內(nèi)和多個接入制式間的無縫協(xié)同，如負荷分擔(dān)，實現(xiàn)用戶體驗最優(yōu)化和資源效率最大化。

3）編排性，簡化新空口技術(shù)的引入流程，實現(xiàn)新接入制式的快速部署。

4）通用性，降低接入制式對核心網(wǎng)的影響，可以實現(xiàn)無線接入網(wǎng)與核心網(wǎng)異廠商的互操作。

（2）DU應(yīng)包括除CU功能之外的無線基站功能，主要處理物理層功能和實時性需求的層2功能，側(cè)重高實時性的基帶信號處理，可采用專用硬件實現(xiàn)。DU硬件可以是一個集成了多塊處理單板的機框，也可以是一塊獨立的處理單板。DU硬件實體應(yīng)具有連接CU的網(wǎng)絡(luò)端口，配合CU-VNF軟件可完整實現(xiàn)不少于1個NR（New Radio）小區(qū)的基站功能，需被管理編排器MANO（Management and Orchestration）識別為一個物理網(wǎng)絡(luò)功能PNF（Physical Network Function）。DU適合向?qū)Ｓ没蚧贗T平臺的趨勢發(fā)展。

為節(jié)省RRU/AAU和DU間的傳輸資源，部分物理層功能也可上移至RRU實現(xiàn)。RRU硬件主要實現(xiàn)射頻功能，與DU硬件間采用CPRI或eCPRI連接，并配合DU進行工作。RRU與DU均由簡化的EM管理和配置，可與MANO協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)動態(tài)創(chuàng)建無線網(wǎng)服務(wù)的能力。

圖3 5G RAN邏輯功能

3 5G RAN邏輯功能及靈活按需部署

未來無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計要遵循如下原則：實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的按需靈活部署、網(wǎng)絡(luò)能力的彈性伸縮和新接入制式的快速引入，以滿足未來無線接入網(wǎng)業(yè)務(wù)多樣化和場景多樣化的需求，使得新業(yè)務(wù)能夠快速上線。為了更好地滿足未來無線網(wǎng)絡(luò)的需求，5G RAN網(wǎng)絡(luò)功能進行了重新劃分，包括4個大邏輯功能：CU-C（Central Unit Controlplane）功能、CU-U（Central Unit Userplane）功能、DU（Distributed Unit）功能和RF（Radio Frequency）功能，具體如圖3所示。

根據(jù)運營商不同場景的需求，CU-C、CU-U以及DU包括的功能可以進行靈活部署。

DU主要為實時功能，比如MAC包括的HARQ和RLC包括的ARQ，對時延敏感，一般建議DU靠近空口部署，但在光纖發(fā)達的區(qū)域也可以部署到CO（Central Office）機房。

CU-C/CU-U主要包括非實時功能，如PDCP的多連接分流、加解密、緩存、頭壓縮等功能。RRC、Traffic Steering和連接管理等信令控制功能，對于時延相對不敏感，但是控制面功能（如RRC）和用戶面功能（如PDCP）存在很大的差異?？刂泼婀δ芸梢酝ㄟ^集中部署簡化網(wǎng)絡(luò)管理，利用資源池提升資源效率；用戶面功能可以通過分布式部署滿足不同業(yè)務(wù)的時延需求，因此，需要進行用戶面功能和控制面功能的按需靈活部署。

如果業(yè)務(wù)對于端到端的時延要求高，可以靠近空口部署，如URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication）類業(yè)務(wù)。CU-C的部署位置越高，集中管理程度越高，資源池增益越大，但對設(shè)備的規(guī)格要求越高。CU-U的部署位置越高，資源池增益越大，但業(yè)務(wù)的時延也越大。由于RDC（Regional Data Center）位置很高，從減小信令面時延影響的角度出發(fā)，一般不建議CU-C和CU-U部署到RDC。

4 VRAN技術(shù)的實現(xiàn)方法

由前文所述，VRAN具體的實現(xiàn)在于CU部分的虛擬化及云化部署。VRAN系統(tǒng)中引入了軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN技術(shù)，如圖4所示。從滿足端到端CU云化場景業(yè)務(wù)需求的角度考慮，對于網(wǎng)絡(luò)的管理和編排可以分解如下：

（1）到DU機房之間的物理承載網(wǎng)絡(luò)（ Front -haul-I）的編排和控制。

（2）DU到CU機房之間物理承載網(wǎng)絡(luò)（Fronthaul-II）的編排和控制。

（3）CU機房內(nèi)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施（NFVI，Network Functions Virtualisation Infrastructure）的管理。

（4）CU機房到CN機房之間物理承載網(wǎng)絡(luò)（Backhaul）的編排和控制。

（ 5）CN機房內(nèi)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施（NFVI）的管理。

Fronthaul-I網(wǎng)絡(luò)有高帶寬低延時的嚴格要求，通過光纖直連可以避免引入SDN技術(shù)帶來的額外開銷。

圖4 vRAN平臺中SDN管理編排支持系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

引入SDN技術(shù)主要是用來管理和控制Fronthaul-II（承載物理網(wǎng)絡(luò)面向低時延高帶寬業(yè)務(wù)）和Backhaul物理網(wǎng)絡(luò)，以及在CU和CN機房中虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施中的Underlay網(wǎng)絡(luò)（指的是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中通過物理交換機、路由器和網(wǎng)卡建立的物理基礎(chǔ)層）和Overlay網(wǎng)絡(luò)（指的是建立在Underlay網(wǎng)絡(luò)之上用邏輯節(jié)點和邏輯鏈路構(gòu)成的虛擬網(wǎng)），以提高網(wǎng)絡(luò)的可編程性和靈活性。

從實現(xiàn)角度考慮，可以把4個涉及SDN技術(shù)的平臺劃分為SDN和NFV兩個主要域，由全局編排器（Global Orchestrator）負責(zé)統(tǒng)一協(xié)調(diào)這兩個域之間的業(yè)務(wù)協(xié)同，管理系統(tǒng)中的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源。

（1）SDN域負責(zé)編排和控制DU到CU并到CN機房之間的高性能物理網(wǎng)絡(luò)。SDN編排器（SDN Orchestrator，SDNO）作為網(wǎng)絡(luò)資源管理平臺，通過其北向接口接收Global Orchestrator下發(fā)的網(wǎng)絡(luò)資源請求，并通過控制器對DU與CU之間的Fronthaul-II網(wǎng)絡(luò)以及CU與CN之間的Backhaul網(wǎng)絡(luò)資源進行配置、管理和監(jiān)控。同時SDNO與不同邏輯功能的SDN Controller之間采用標(biāo)準(zhǔn)SDN北向接口，屏蔽SDN Controller差異。SDN Controller作為邏輯集中的控制實體（物理上可集中式資源實現(xiàn)或分布式資源實現(xiàn)），將SDNO的業(yè)務(wù)請求轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)發(fā)層的轉(zhuǎn)發(fā)策略并配置到轉(zhuǎn)發(fā)層網(wǎng)元中，接收轉(zhuǎn)發(fā)層的狀態(tài)、統(tǒng)計和告警等信息，綜合各類信息完成包括路徑計算、流量統(tǒng)計、策略制定和配置等功能。SDN Controller與轉(zhuǎn)發(fā)層之間采用標(biāo)準(zhǔn)SDN南向接口。

（2）NFV域可進一步細分為CU機房和CN機房兩個NFV子域，在兩個子域內(nèi)的NFVO負責(zé)和本域內(nèi)的SDN控制器互通互聯(lián)以達到控制域內(nèi)的Underlay和Overlay網(wǎng)絡(luò)的目的。引入SDN技術(shù)來管理和控制Underlay和Overlay網(wǎng)絡(luò)可以提高虛擬網(wǎng)元之間流量調(diào)度的靈活性。目前，ETSI NFV MANO規(guī)范至上而下定義了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化編排器（NFV Orchestrator），虛擬網(wǎng)絡(luò)功能管理器（VNFM）和虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理器（VIM）三層。其中，NFVO提供的接口可對接OSS/BSS，VNFM負責(zé)對虛擬網(wǎng)元的生命周期進行管理，而VIM需對承載虛擬網(wǎng)元的網(wǎng)絡(luò)進行抽象、管理和控制。

在NFV基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)，主要存在承載傳統(tǒng)物理網(wǎng)絡(luò)功能的Underlay網(wǎng)絡(luò)和在Underlay網(wǎng)絡(luò)之上以虛擬交換為核心的Overlay網(wǎng)絡(luò)。負責(zé)無線業(yè)務(wù)的VNF是利用Underlay和Overlay網(wǎng)絡(luò)來進行互通互聯(lián)的。端到端的虛擬化無線場景編排的優(yōu)化，如網(wǎng)絡(luò)分片技術(shù)，涉及到在NFV域中部署不同業(yè)務(wù)和功能的VNF到不同服務(wù)器，不同機柜甚至不同地域的機房中，需要一個靈活的可編程的網(wǎng)絡(luò)來支持按需分配的網(wǎng)絡(luò)資源，如用鏈路和帶寬來保證高性能、高可靠的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來支撐無線業(yè)務(wù)VNF。

無線NFV域引入SDN編排的總體思路是，采取逐漸過渡的方法從管理Overlay網(wǎng)絡(luò)開始擴展到Underlay網(wǎng)絡(luò)，逐漸從單向的網(wǎng)絡(luò)控制過渡到結(jié)合網(wǎng)絡(luò)遙感形成閉環(huán)可優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)。DC SDN控制器引入可分為三個階段：第一階段，對接MANO僅管理Overlay網(wǎng)絡(luò)；第二階段，擴展到控制Underlay網(wǎng)絡(luò)，即物理交換機、路由器等L2/L3的物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；第三階段，引入遙感技術(shù)來支撐優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。

此外，部分核心網(wǎng)功能如UPF、MEC等可能會從CN機房下沉到CU機房，即一些核心網(wǎng)網(wǎng)元會被部署到無線邊緣網(wǎng)絡(luò)，在地理位置上和無線接入網(wǎng)網(wǎng)元位于同一個CU機房內(nèi)。

5 結(jié)束語

VRAN實際上是指無線接入網(wǎng)部署了虛擬網(wǎng)絡(luò)功能VNF，其特點是軟硬件解耦、可管理編排，主要針對無線通信中非實時部分的功能，比如RRC等。在5G網(wǎng)絡(luò)中，VRAN實際上是CU云化部署，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向集中式、虛擬化演進。采用實時與非實時調(diào)度分層，網(wǎng)絡(luò)功能單元按業(yè)務(wù)需求靈活部署，充分發(fā)揮虛擬化、云化資源池的作用，實現(xiàn)彈性網(wǎng)絡(luò)，靈活擴展。具體實施網(wǎng)絡(luò)虛擬化時，需要引入SDN技術(shù)。VRAN的應(yīng)用和實現(xiàn)具備很多優(yōu)勢，但是，也應(yīng)持續(xù)關(guān)注5G CU引入可能會給網(wǎng)絡(luò)帶來的一些挑戰(zhàn)，比如承載網(wǎng)絡(luò)的改造方案等，以便更好地優(yōu)化5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案。

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Implementation of VRAN Technology in 5G Networks

MA Ying
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

Based on cloud deployment of CU, 5G VRAN introduces the virtualized network function to fl exibly deploy service requirements. 5G RAN architecture was analyzed, the network logical function classi fi cation was investigated and the detailed implementation method of VRAN technology was discussed.

VRAN CU DU VNF SDN

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.012

TN929.53

A

1006-1010(2017)20-0069-05

馬穎. VRAN技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)[J]. 移動通信, 2017,41(20)： 69-73.

2017-06-30

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

馬穎：高級工程師，碩士學(xué)位，現(xiàn)任職于中國移動通信集團設(shè)計院有限公司無線所，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)演進技術(shù)、蜂窩物聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計。