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软件定义无线接入网络的组件化研究.docx
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软件定义无线接入网络的组件化研究.docx
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� 1. 引言
传统的无线接入网络基于专用硬件进行构建,网络硬件设备复杂,部署和维护困
难,且不利于扩展。为了解决这个问题,基于软件定义的各种接入网技术应运而
生。比较著名的有中国移动提出的基于实时云型基础设施的无线接入网(Cloud-
Radio Access Network, C-RAN)
[1]
,C-RAN 的室内基带处理单元(Building Base band
Unite, BBU)基带池处理完全基于软件无线电实现
[2]
。根据基带运行平台的不同,可
以将软件定义接入网络分为基于通用处理器平台及基于 DSP 平台两类。IBM 提出
的无线网络云
[3]
属于前者,中国科学院计算技术研究所提出的超级基站
[4]
属于后
者。近年还涌现出了很多基于通用处理器的无线接入网络开源软件,以 4G 长期演
进技术 (Long-term Evolution, LTE)为例,有法国 EURCOM 组织的露天接口 (Open
Air Interface, OAI)
[5]
和爱尔兰 SRS 公司(Software Radio Systems limited)的
srsLTE
[6,7]
。上海无线通信研究中心也曾经在 OAI 开源软件的基础上进行过进一步
完善,实现了能够支持数十个商用终端接入,体积只有手掌大小的 LTE 全功能软
基站
[8]
。文献[9]将软件定义接入网络应用到车联网中。
软件定义网络的灵活性很强,可以满足各种客户化的编排要求。但是软件定
义的系统也可以非常复杂,不易开发与维护,这就背离了软件定义网络的初衷。于
是虚拟化、切片化、组件化的概念应运而生,这其中,组件化是虚拟化和切片化的
基础,是软件定义网络发展的必然趋势。进入 5G 时代,随着通信速率进一步提
高,物理层的处理压力陡然加大,软件定义网络还面临 DSP 或通用处理器的计算
瓶颈,也迫切需要进行组件化改造,以利于采用分布计算技术或者硬件加速技术。
另一方面,由于 5G 需要满足增强型移动宽带(enhanced Mobile BroadBand,
eMBB)、海量机器类通信(massive Machine Type Communications, mMTC)、超可靠
及低时延通信(ultra-Reliable and Low-Latency Communications, uRLLC)等不同场景
的应用需求
[10]
,也需要对接入网进一步分割,实现端到端的网络切片,以达到网络
的灵活弹性。
本文首先分析了无线接入网络架构的现状,接着分析了无线接入网络组件化
面临的问题,并提出了一种组件化架构的无线接入网络,此架构由有源天线单元
(Active Antenna Unit, AAU)、射频单元(Radio Unit, RU)、分布单元(Distributed Unit,
DU)、集中单元(Centralized Unit, CU)、集中控制单元(Centralized Control Unit,
CCU)等 5 种基本通信单元组成,在此基础上可以构建易部署、可切片的软件定义
无线接入网络。本文还实现了基于该架构的试验原型,试验原型的测试结果表明,
这种组件化方案在提供高度灵活性的同时,还能够显著提升软件定义无线电接入网
(Radio Access Network, RAN)的处理能力,有效降低通用公共无线接口(Common
Public Radio Interface, CPRI)
[11]
流量。
2. 无线接入网架构现状与组件化难点
从 4G 到 5G,无线接入网的基站从 eNodeB 的 BBU 和远端射频单元(Remote
Radio Unit, RRU)两级架构演化为 gNodeB 的 CU, DU, AAU 3 级架构
[12]
,网元变得
更小、更多了,反映了无线接入网络组件化的发展趋势。然而,5G 接入网架构存
在以下问题,不利于采用软件无线电方法实现:
(1) 集中式的 CU 存在时延问题。5G 的 uRLLC 场景,需要在 1 ms 的极短时
间内响应,而集中式的 CU 传输路径长,时延难以达标。
(2) DU 的计算量大,且难以分割,不利于引入分布式计算或 FPGA 硬件加速
引擎等机制。DU 横跨物理层、MAC 层以及 RLC 层等多个协议层次,功能结构复
杂而庞大,处理时延要求高,分割难度大。
(3) CPRI 接口流量巨大,对承载网是非常大的负担。类似 C-RAN 的集中式架
构都存在这个问题。特别是在 5G eMBB 场景下,随着空口带宽和天线数量的增
加,CPRI 接口流量比 4G LTE 成倍增加。按照 5G 标准,空口带宽 1 GHz,天线数
256 情况下,CPRI 接口流量将达到 12800 Gbps
[12]
。
从以上分析不难看出,物理层的分割是接入网组件化的重点和难点所在。
3GPP 各方经过长期的研究和讨论,在 TR38.801 协议文档列举了物理层分割的
Option7.1, Option7.2 和 Option7.3 等多种选项
[12]
。爱立信、华为、诺基亚等设备厂
商在 CPRI 接口的基础上推出了 eCPRI(evolved CPRI)接口规范
[13]
,给出了 I
D
, II
D
和
I
U
等多种物理层切割选项,由各个厂商在实现 eCPRI 接口的时候选择。然而,由于
物理层的复杂性,无论是 3GPP 还是 eCPRI 规范都未能形成最终的标准,各个厂商
的实现不尽一致。
同样是从改造 CPRI 接口的缺点出发,中国移动提出了下一代前传接口(Next
Generation Forward Interface, NGFI)方案,其思路是将切分后的传输流量与小区公共
流量和天线端口解耦
[14,15]
,中国移动还将 NGFI 方案与 C-RAN 架构相结合,提出
了基于 CU-DU 的 C-RAN 架构
[16]
。在这个方案中,运营商有两种选择,其一是把
DU 与 RRU 放在一起,其二是把 DU 与 CU 放在一起。其缺点是,要么消耗 CPRI
接口流量,要么降低集中式网络的运营优势,两者不能兼得。这种情况在 5G 中尤
为明显,巨大的 CPRI 接口流量导致 DU 必须要与 RRU 部署在一起。而 DU 计算
消耗要比 CU 高一个数量级,云资源池如果仅能集中 CU 的计算消耗,那么所占的
比例是很小的,C-RAN 的集中性优势将被削弱,与集中性优势相捆绑的能耗节
省、运维成本降低等好处将大为减少。
文献[17-19]提出了在 C-RAN 接入网中共享基站的分布式缓存降低传输流量
的方法,可以在一定程度上缓减传输压力。但是这类方法的效果取决于缓存的命中
率,与实际网络应用场景相关性较大。
与 5G 接入网组件化架构演进困难重重、裹足不前情况不同的是,5G 对核心
网进行了全面的重构,彻底改变了过去几代核心网以点到点的信令控制为主、各种
业务紧密耦合的设备形态,变成了一种全微服务架构的、完全组件化的系统
[20,21]
,
非常值得接入网借鉴。
3. 组件化的无线接入网协议处理架构
为了更好地适应软件定义接入网络切片化、虚拟容器化的趋势,合理的组件
化架构应该满足以下要求:(1)组件的粒度应该尽量小,符合微服务的特点,便于
编排和调度。(2)组件间的消息流量应该尽可能得低,减少拆分引起的额外处理消
耗。(3)组件的功能应该具有独立性,与其他组件耦合性小,便于可编程 FPGA 实
现硬件加速并替换,也便于使用分布式处理技术进行负荷分担。
图 1 是本文的组件化接入网络架构。该架构由 CCU, CU, RU, DU 和 AAU 等
5 种组件组成,其中 CCU 和 RU 是新增的组件。CCU 是集中控制单元,根据功能
又可以细分为移动管理 CCU、负载管理 CCU、干扰协调 CCU、切片管理 CCU
等。RU 是射频处理单元,负责物理层底层的处理。CU 和 DU 依然保留,但是功
能有一些调整。CU 和 DU 还可以分裂为多个,以支持接入网切片。图 1 中物理小
区的 CU 和 DU 都分裂成了 3 个运行在不同计算节点上的功能组件,对应 3 个切
片,可用于 5G 的 3 种应用场景。通过将计算消耗负荷分担到多个计算节点,软件
定义基站的整体处理能力将大大提升,更容易满足 5G 的速率要求。
图 1 组件化、可切片的分布式软基站架构
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