5G引入虛擬化技術(shù)實現(xiàn)無線網(wǎng)靈活可控、開放可定制目標，也契合運營商網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型方向。通過分析5G無線網(wǎng)架構(gòu)，研究虛擬化技術(shù)在無線網(wǎng)中的應(yīng)用，并介紹了運營商典型的無線網(wǎng)虛擬化方案，為組建面向業(yè)務(wù)、高度智能的5G網(wǎng)絡(luò)提供借鑒。

1 概述

未來5G網(wǎng)絡(luò)因為頻段和業(yè)務(wù)的需求，將呈現(xiàn)出密集、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基站數(shù)量和部署密度將遠超現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)。隨著SDN/NFV(Software Defined Network/Network Function Virtualization, 軟件定義網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)技術(shù)的不斷發(fā)展，移動網(wǎng)絡(luò)核心側(cè)設(shè)備的虛擬化技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，隨著軟硬件技術(shù)和能力的不斷增強，各大廠商和運營商也開始研究無線側(cè)虛擬化。為了提供一個能夠面向應(yīng)用、開放靈活、低成本和易維護的網(wǎng)絡(luò)，無線接入側(cè)網(wǎng)絡(luò)虛擬化研究成為了業(yè)界研究的熱點。

2 未來無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 5G無線網(wǎng)架構(gòu)

3GPP的5G NR(New Radio, 新無線接入技術(shù))架構(gòu)如圖1所示[1](核心網(wǎng)架構(gòu)和網(wǎng)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?zé)o線接入)的用戶面和控制面，在標準規(guī)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(cè)網(wǎng)關(guān)(NG-CP/UPGW)通過NG接口實現(xiàn)多對對連接。

圖1 5G NR架構(gòu)

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

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(gòu)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(jù)分離功能的設(shè)置，實現(xiàn)gNB的功能，其功能實現(xiàn)由gNB-CU進行控制。gNB-CU與gNB-DU之間通過F1接口連接。CU側(cè)重于無線網(wǎng)功能中非實時性的部分(主要是無線高層協(xié)議，并承接部分核心側(cè)的功能)，便于實現(xiàn)云化和虛擬化;DU負責(zé)除CU功能之外的所有的無線側(cè)功能，側(cè)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(xiàn)。

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(yīng)的DC機房，實現(xiàn)業(yè)務(wù)快速創(chuàng)新和快速上線，也節(jié)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(gòu)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(xié)作能力、優(yōu)化性能;

(3)靈活的硬件部署降低成本，支持端到端的網(wǎng)絡(luò)切片(slice);

(4)部分核心側(cè)功能下移;

(5)降低系統(tǒng)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(guān)的網(wǎng)元下沉(對應(yīng)于運營商網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)中的邊緣DC和邊緣DC)，網(wǎng)元數(shù)量劇增，勢必會造成網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度(由類似“樹”型結(jié)構(gòu)變成MESH結(jié)構(gòu))，導(dǎo)致運營商投入巨大，信令的迂回也是很大問題。因此，5G網(wǎng)絡(luò)將控制面與用戶面的分離以適應(yīng)SDN架構(gòu)的需求，支持網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活性，支撐網(wǎng)絡(luò)切片;

(3)便于控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離(LTE實現(xiàn)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，但是不是完全的UP-CP分離[14])，方便網(wǎng)絡(luò)演進和升級;

(4)支持多廠商設(shè)備的互操作[1]。結(jié)合了UP-CP分離和CU/DU分離的5G RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(wǎng)架構(gòu)為運營商未來網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)做好了準備，CU/DU切分和UP/CP分離，可以為無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化及MEC提供較為完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3 無線網(wǎng)虛擬化技術(shù)

無線網(wǎng)的虛擬化從兩個方面分析，即網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化。網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化是對移動網(wǎng)無線側(cè)的頻譜資源、功率資源、空口(容量)資源進行虛擬化，網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化的結(jié)果作為網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的基礎(chǔ);網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化是對無線接入網(wǎng)的數(shù)據(jù)單元和控制單元以及部分核心側(cè)的功能虛擬化。通過這兩個方面的虛擬化，實現(xiàn)對無線網(wǎng)資源的有效調(diào)度和利用，從而提升資源使用效率并很好地支撐5G網(wǎng)絡(luò)切片。無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化與承載/核心網(wǎng)絡(luò)虛擬化相比，結(jié)構(gòu)和特性更加復(fù)雜，不僅要考慮無線環(huán)境的不確定性、系統(tǒng)內(nèi)外的干擾、信令調(diào)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(wǎng)絡(luò)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(shù)，將這些資源池化，通過映射等手段，使得對無線網(wǎng)資源的調(diào)度和配置與具體的網(wǎng)絡(luò)資源無關(guān)，即調(diào)度和配置時對無線網(wǎng)絡(luò)資源進行屏蔽，從而達到對無線網(wǎng)資源的最大化利用的目的[4]。

圖4 網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化

如上圖(圖4)所示，虛擬網(wǎng)絡(luò)控制器負責(zé)網(wǎng)絡(luò)虛擬化，根據(jù)業(yè)務(wù)需求自動生成網(wǎng)絡(luò)拓撲，并向虛擬資源控制器申請網(wǎng)絡(luò)資源。節(jié)點鏈路控制器是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)可分配資源和不同業(yè)務(wù)申請所需資源的情況，進行底層網(wǎng)絡(luò)資源與網(wǎng)絡(luò)需求的合理分配[9]。

3.2 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化是通過NFV技術(shù)結(jié)合SDN[7]技術(shù)的使用來實現(xiàn)，NFV技術(shù)(上層業(yè)務(wù)云化，底層硬件標準化)將網(wǎng)絡(luò)功能轉(zhuǎn)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(wù)器(COTS, Commercial Off-The-Shell, 商用現(xiàn)成產(chǎn)品)，這些VMs通過SDN技術(shù)實現(xiàn)與核心云VMs的互聯(lián)互通。虛擬機可以較為容易地實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)的切片。為了滿足不同的業(yè)務(wù)對時延等的不同需求，可以選擇將網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)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(wǎng)絡(luò)服務(wù)(NF)管理和編排，面向業(yè)務(wù)場景的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與編排，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的生命周期管理。(2)虛擬網(wǎng)元(VNF)管理與編排，虛擬網(wǎng)元的生命周期管理，虛擬網(wǎng)元相關(guān)的虛擬資源管理，虛擬網(wǎng)元的配置管理。(3)虛擬資源管理和編排，NFV基礎(chǔ)設(shè)施虛擬資源管理(計算能力、存儲容量、網(wǎng)絡(luò)功能)。

圖5 NFV分層視圖

無線側(cè)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力(承載)與覆蓋需求的分離，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(wù)。

4 無線網(wǎng)虛擬化實例

4.1 中國移動C-RAN架構(gòu)

C-RAN概念是中國移動2009年提出的，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)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(chǔ)設(shè)施投入)、協(xié)作(提高網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率)、云化(實現(xiàn)資源共享)和綠色(解決高能耗問題)的無線接入網(wǎng)。C-RAN是相對于傳統(tǒng)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(xiàn)無線網(wǎng)的虛擬化。中國移動基于CU/DU切分的C-RAN架構(gòu)如圖6所示。在物理部署上，根據(jù)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(wù)的范圍，位置越高可以實現(xiàn)更多資源的統(tǒng)一調(diào)度，對DU的能力要求也相應(yīng)更高。

圖6 中國移動提出的CU/DU切分的C-RAN架構(gòu)

RAN的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化主要是指CU的虛擬化，CU可以采用通用化的設(shè)備來實現(xiàn)支持無線網(wǎng)的功能以及部分下沉的核心網(wǎng)功能，并可以結(jié)合MEC實現(xiàn)邊緣應(yīng)用能力[10]。DU可以采用專用設(shè)備或者通用設(shè)備實現(xiàn)，引入NFV框架之后，通過網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編排和管理，在SDN架構(gòu)下實現(xiàn)對CU/DU的資源虛擬化管理。C-RAN技術(shù)不僅僅是針對5G網(wǎng)絡(luò)的，還可以針對現(xiàn)有制式基站進行虛擬化[8]。

4.2 中國電信網(wǎng)絡(luò)目標架構(gòu)

中國電信技術(shù)創(chuàng)新中心提出的5G無線網(wǎng)解決方案S-RAN(Smart RAN, 智能無線接入網(wǎng))，無線網(wǎng)虛擬技術(shù)是S-RAN的關(guān)鍵技術(shù)[13]。中國電信CTNet2025目標網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特征是簡潔、敏捷、開放、集約，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)可視、資源隨選、用戶自服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)能力[11]。目標網(wǎng)絡(luò)分為三層，即基礎(chǔ)設(shè)施層、網(wǎng)絡(luò)功能層和協(xié)同編排層，無線網(wǎng)功能分為功能抽象層和專用設(shè)施兩部分，配合CTNet2015目標架構(gòu)的DC化改造方案將移動網(wǎng)絡(luò)描述成“三朵云”，“接入云”將無線網(wǎng)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(nèi)容與計算)也與“接入云”融合，以滿足超低時延業(yè)務(wù)、大容量業(yè)務(wù)的本地緩存需求。中國電信網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)移動網(wǎng)目標架構(gòu)如圖7所示。

圖7 中國電信CTNet2025移動網(wǎng)目標架構(gòu)

無線網(wǎng)虛擬化技術(shù)的研究比承載網(wǎng)要滯后，因此中國電信對無線網(wǎng)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(wǎng)虛擬化的推進將是一個循序漸進的過程。

5 結(jié)論與展望

通過SDN/NFV技術(shù)對無線側(cè)進行虛擬化，提升了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和資源使用效率，但是無線側(cè)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(cè)進行通用服務(wù)器的部署，因此無線側(cè)的虛擬化是個漫長的過程。另外，無線網(wǎng)虛擬化如何與MEC融合、如何支撐5G網(wǎng)絡(luò)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(jīng)開始了相關(guān)的工作議題，以實現(xiàn)所有操作流程和任務(wù)(如交付、部署、配置、保證和優(yōu)化)的自動執(zhí)行[15]，5G時代將是進行無線網(wǎng)虛擬化的一個契機。

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