一種基于IT云化的5G通信系統(tǒng)

章偉 余金清 王紅展

【摘要】 ? ?本文提出了一種基于IT云化的5G通信系統(tǒng)架構(gòu)，采用功能資源池組合的方式，通過以太網(wǎng)對各資源池進行互聯(lián)，通過靈活的參數(shù)配置滿足不同的組網(wǎng)需求和網(wǎng)絡(luò)部署，很好地解決了未來對于大流量，高帶寬，低時延的通信網(wǎng)絡(luò)需求，在未來的通信系統(tǒng)中將會非常具備競爭力。

【關(guān)鍵詞】 ? ?資源池 ? ?系統(tǒng)架構(gòu) ? ?5G通信

引言

由于無線通信的不斷發(fā)展，尤其用戶對于大數(shù)據(jù)，視頻傳輸，可視電話，虛擬現(xiàn)實，海量數(shù)據(jù)連接以及低延時高可靠的需求，系統(tǒng)的帶寬要求越來越高，未來5G將達到10G～20Gbps需求，對于通信系統(tǒng)端到端處理的時延要求也越來越高。同時伴隨著芯片設(shè)計工藝的不斷進步，由原來的90nm不斷演進到5nm，設(shè)備的集成度越來越高。伴隨著業(yè)界IT化NFV，SDN趨勢演進，目前無線基站通信系統(tǒng)由于設(shè)計過于僵化而且功耗面積局限，已無法滿足未來用戶的需求。需要能支持更大帶寬、更高速率、更短的時延，以及IT通用化的通信系統(tǒng)，來滿足不斷的業(yè)務(wù)需求和通信應(yīng)用。

一、設(shè)計思路

本文提出一種新型的基于IT云化的5G通信系統(tǒng)，這個系統(tǒng)由5大資源池組成，分別是基帶資源池、時鐘管理資源池、網(wǎng)絡(luò)交換資源池、通用計算資源池和電源管理資源池。如圖1所示。

下面針對每種資源池介紹其功能。

1.1基帶處理資源池

基帶資源池如圖2所示：

由一系列的基帶處理單元組成?；鶐幚韱卧撠?zé)上下行基帶數(shù)據(jù)處理，由基帶處理芯片，可編程邏輯器件（FPGA/EPLD），中央處理器CPU，存儲器件（DDR，F(xiàn)LASH），以及大容量以太網(wǎng)交換芯片等組成。

基帶處理單元中的器件通過大容量以太網(wǎng)交換芯片進行互聯(lián)以及板內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)交互，并對外提供多個光模塊接口?？梢造`活配置為以太網(wǎng)模式或CPRI模塊，和RRU連接，即可以支持通過多個25G、56G或者100G光模塊走以太網(wǎng)或者CPRI和RRU相連從而進行數(shù)據(jù)傳輸。

1.2時鐘管理資源池

時鐘管理資源池由一系列的時鐘管理單元組成。時鐘管理單元負責(zé)為IT-BBU各資源池提供時鐘定時功能，由時鐘GPS，時鐘模塊，可編程邏輯器件（FPGA/EPLD），以太網(wǎng)交換芯片，CPU，以及存儲器件（FLASH/DDR）等組成。板間時鐘通過背板進行分發(fā)，框間時鐘通過以太網(wǎng)1588進行同步。通常情況下，時鐘管理單元有1個就可以，如果考慮系統(tǒng)更可靠，時鐘主備單元2個即可。

1.3網(wǎng)絡(luò)交換資源池

網(wǎng)絡(luò)交換資源池是由一系列網(wǎng)絡(luò)交換單元組成。網(wǎng)絡(luò)交換單元負責(zé)各資源池數(shù)據(jù)間的網(wǎng)絡(luò)交換和轉(zhuǎn)發(fā)，主要有以太網(wǎng)交換芯片，可編程邏輯器件（FPGA/EPLD），主控CPU以及存儲器件（DDR/FLASH）等組成，資源池之間的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)進行交互，從而實現(xiàn)各資源池之間的數(shù)據(jù)互通。

1.4通用計算資源池

由一系列的通用計算單元組成。通用計算單元負責(zé)相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲和計算，由大容量存儲硬盤、數(shù)據(jù)處理單元、管理CPU、專用的一些處理芯片ASIC、可編程邏輯器件（FPGA/EPLD），存儲器件（DDR/FLASH）和以太網(wǎng)交換芯片等組成。其中數(shù)據(jù)處理單元可能是X86架構(gòu)CPU，或者ARM架構(gòu)CPU，或者RISC V CPU，也可能是DSP或者網(wǎng)絡(luò)處理器NP，可編程的P4，GPU等。管理CPU對通用計算資源池進行相關(guān)的管理和控制，通用計算單元通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互，并對大容量存儲硬件進行數(shù)據(jù)讀寫操作。

1.5電源管理資源池

電源管理資源池是由一系列的電源管理單元組成。電源管理單元負責(zé)對IT-BBU通信系統(tǒng)供電和相關(guān)的電源控制。電源管理單元采用通用的電源管理模塊，并通過背板進行分發(fā)和數(shù)據(jù)交互。

這5種資源池之間的通信，在IT云化統(tǒng)一架構(gòu)下進行統(tǒng)一管理。時鐘資源池和電源管理資源池屬于公共資源池，采用背板進行數(shù)據(jù)分發(fā)和通信交互，給其他資源池提供時鐘和電源;基帶資源池和通用資源池屬于專用資源池，需要通過網(wǎng)絡(luò)交換資源池進行數(shù)據(jù)分發(fā)和通信交互，以上采用統(tǒng)一的后臺管理平臺，通過后臺軟件靈活配置進行管理，支持的配置參數(shù)有：1、組網(wǎng)場景參數(shù);2、組網(wǎng)的機型參數(shù)，分1U/2U/6U;3、基帶處理單元數(shù)量;4、時鐘管理單元數(shù)量;5、網(wǎng)絡(luò)交換單元數(shù)量;6、通用計算單元數(shù)量;7、時鐘管理單元數(shù)量;

具體的組網(wǎng)場景有如下四種：

第一種，如圖3所示為定制服務(wù)器。

第二種，如圖4所示為集中交換設(shè)備。

第三種，如圖5所示為BBU分布式基站。

第四種，如圖6所示為集中部署基站。

通過對資源池的靈活配置和管理，可以滿足不同場景下的組網(wǎng)需求和網(wǎng)絡(luò)部署，提升通信系統(tǒng)的競爭力。

二、具體實現(xiàn)

基于5G低頻宏站采用集中部署，和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一起放入集中式機房如圖7所示。此種組網(wǎng)方式下，5G基站系統(tǒng)采用基于IT云化，定義好基帶處理單元、通用計算單元、網(wǎng)絡(luò)交換單元，時鐘管理單元和電源管理單元。對于一個小區(qū)支持128天線、64天線、32天線、16天線等，小區(qū)帶寬高達200M，峰值速率達到20Gbps速率的設(shè)計來說，需要2個6U機框，同時軟件后臺對各單元配置如下：

1、基帶處理單元需要19個，分布在2個6U機框中;

2、網(wǎng)絡(luò)交換單元需要2個，分布在2個6U機框中;

3、通用計算單元1個，分布在1個6U機框中;

4、電源管理單元需要2個，分布在2個6U機框中;

5、時鐘管理單元需要2個，分布在2個6U機框中。

三、總結(jié)

本文提出了基于IT云化的5G通信系統(tǒng)，定義了基帶資源池，時鐘管理資源池，網(wǎng)絡(luò)交換處理資源池，通用計算資源池，電源管理資源池。采用以太網(wǎng)對各資源池進行互聯(lián)，并通過靈活的參數(shù)配置來滿足不同的組網(wǎng)需求和網(wǎng)絡(luò)部署，能很好地解決未來對于大流量，高帶寬，低時延的通信網(wǎng)絡(luò)要求，同時很好地實現(xiàn)無線和有線網(wǎng)絡(luò)融合，滿足未來靈活的組網(wǎng)需求，在未來將會非常有競爭力。

參 ?考 ?文 ?獻

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[3]李雪松 傅珂 柳海接入網(wǎng)技術(shù)與設(shè)計應(yīng)用，北京郵電大學(xué)出版社，2009

[4] Jonathan Rodriguez 江甲沫 韓秉君 沈霞 朱浩 陳曉貝5G MOBILE NETWORKS，電子工業(yè)出版社，2016

[5]楊峰義 張建敏 王海寧， 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，電子工業(yè)出版社，2017

[6] Dharma P. Agrawal 譚明新，無線移動通信系統(tǒng) 電子工業(yè)出版社，2017

[7] 3GPP TS 38.104 V15.1.0，2018-03

[8] 3GPP TS 38.201 V15.0.0，2017-12

章偉： ?中興通訊股份有限公司，通訊高級系統(tǒng)工程師，碩士，主要研究方向通訊系統(tǒng)架構(gòu)，無線通訊基帶系統(tǒng);

余金清： ?中興通訊股份有限公司，F(xiàn)PGA/IC系統(tǒng)工程師，碩士，主要研究方向無線通訊基帶系統(tǒng);

王紅展： ?中興通訊股份有限公司，F(xiàn)PGA/IC系統(tǒng)工程師，碩士，主要研究方向無線通訊基帶系統(tǒng);