VRAN技術在5G網絡的實現

馬穎

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

VRAN技術在5G網絡的實現

馬穎

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

5G VRAN基于CU的云化部署，引入虛擬化網絡功能，靈活部署業務需求。分析了5G無線接入網架構，研究了網絡邏輯功能劃分，探討了VRAN技術的具體實現方法。

虛擬化無線接入網 中心單元 分布單元 虛擬網絡功能 軟件定義網絡

1 引言

隨著移動互聯網和物聯網業務的快速發展，未來新的承載網絡——5G網絡，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務。5G網絡需要支持eMBB超高帶寬業務（10 Gb/s）、mMTC超大連接業務（1 million/km2）和URLLC高可靠超低時延業務（99.999%,1 ms）等多樣化的業務。各類業務對空口速率、連接數、時延等網絡性能指標要求差異極大，為了滿足不同業務的差異化需求，未來的5G無線網絡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一管理的能力。如圖1所示，和現有網絡相比，5G網絡架構將發生變化，需要從專用的電信網絡向通用的電信網絡平臺轉變。

現有2G/3G/4G網絡采用專用的電信網絡平臺，以網元為中心進行設計，包括RAN網元、core網元、獨立的CS和PS處理。

5G網絡支持更多面向用戶的業務和各種不同應用的快速部署，以及支持高標準的5G性能指標，因此需要一個以平臺為特性的移動網絡。在這個平臺基礎上，進行簡單開發和適配以便支持各種紛繁復雜的應用，而實現平臺化的網絡，關鍵就是網絡虛擬化技術。

網絡虛擬化是未來5G網絡的關鍵技術，其核心是根據不同的場景和業務需求將5G網絡物理基礎設施資源虛擬化，實施時需要基于SDN（Software Defined Network）技術，支持網絡功能的可編程、定制剪裁和相應網絡資源的編排管理。5G無線側VRAN（VirtualRAN）是網絡虛擬化在無線接入網的具體應用。VRAN的引入將極大地改變現有網絡架構與基站形態，基于集中化處理、協作式無線電和實時云計算構架，可進一步提升移動通信網絡的靈活性與網絡指標性能，網絡容量也將更具彈性，從而使未來的5G網絡能夠更為靈活地應對移動數據流量井噴式爆發。

圖1 5G網絡與現有網絡的基本架構對比

2 5G無線接入網絡架構

5G無線網絡基站重構為CU（Centralized Unit）和DU（Distributed Unit）兩個邏輯網元，具體如圖2所示，網元之間的網絡功能進行重構，部分核心網功能下沉至CU，BBU部分功能上移至RRU/AAU。

圖2 5G無線接入網架構

CU與DU功能的切分以處理內容的實時性進行區分。

（1）CU側重無線通信中非實時部分的功能，主要包括無線高層協議棧功能，同時也支持部分核心網功能下沉和邊緣應用業務的部署。CU適于向基于IT平臺的虛擬化和云化方向發展，實現軟件和硬件解耦，也就是所要說的虛擬化無線接入網VRAN。CU可以運行在通用處理器上，以虛擬網絡功能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，可創建支持多樣化上層業務需求的無線網絡服務。

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絡能力的彈性伸縮。

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

3）編排性，簡化新空口技術的引入流程，實現新接入制式的快速部署。

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

（2）DU應包括除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，側重高實時性的基帶信號處理，可采用專用硬件實現。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硬件實體應具有連接CU的網絡端口，配合CU-VNF軟件可完整實現不少于1個NR（New Radio）小區的基站功能，需被管理編排器MANO（Management and Orchestration）識別為一個物理網絡功能PNF（Physical Network Function）。DU適合向專用或基于IT平臺的趨勢發展。

為節省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。RRU硬件主要實現射頻功能，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協調工作，實現動態創建無線網服務的能力。

圖3 5G RAN邏輯功能

3 5G RAN邏輯功能及靈活按需部署

未來無線接入網的網絡功能設計要遵循如下原則：實現網絡功能的按需靈活部署、網絡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業務多樣化和場景多樣化的需求，使得新業務能夠快速上線。為了更好地滿足未來無線網絡的需求，5G RAN網絡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，但在光纖發達的區域也可以部署到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。控制面功能可以通過集中部署簡化網絡管理，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務的時延需求，因此，需要進行用戶面功能和控制面功能的按需靈活部署。

如果業務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）類業務。CU-C的部署位置越高，集中管理程度越高，資源池增益越大，但對設備的規格要求越高。CU-U的部署位置越高，資源池增益越大，但業務的時延也越大。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，一般不建議CU-C和CU-U部署到RDC。

4 VRAN技術的實現方法

由前文所述，VRAN具體的實現在于CU部分的虛擬化及云化部署。VRAN系統中引入了軟件定義網絡SDN技術，如圖4所示。從滿足端到端CU云化場景業務需求的角度考慮，對于網絡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絡（ Front -haul-I）的編排和控制。

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

（3）CU機房內網絡功能虛擬化基礎設施（NFVI，Network Functions Virtualisation Infrastructure）的管理。

（4）CU機房到CN機房之間物理承載網絡（Backhaul）的編排和控制。

（ 5）CN機房內網絡功能虛擬化基礎設施（NFVI）的管理。

Fronthaul-I網絡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技術帶來的額外開銷。

圖4 vRAN平臺中SDN管理編排支持系統架構示意圖

引入SDN技術主要是用來管理和控制Fronthaul-II（承載物理網絡面向低時延高帶寬業務）和Backhaul物理網絡，以及在CU和CN機房中虛擬化基礎設施中的Underlay網絡（指的是數據中心網絡基礎設施中通過物理交換機、路由器和網卡建立的物理基礎層）和Overlay網絡（指的是建立在Underlay網絡之上用邏輯節點和邏輯鏈路構成的虛擬網），以提高網絡的可編程性和靈活性。

從實現角度考慮，可以把4個涉及SDN技術的平臺劃分為SDN和NFV兩個主要域，由全局編排器（Global Orchestrator）負責統一協調這兩個域之間的業務協同，管理系統中的計算、存儲和網絡資源。

（1）SDN域負責編排和控制DU到CU并到CN機房之間的高性能物理網絡。SDN編排器（SDN Orchestrator，SDNO）作為網絡資源管理平臺，通過其北向接口接收Global Orchestrator下發的網絡資源請求，并通過控制器對DU與CU之間的Fronthaul-II網絡以及CU與CN之間的Backhaul網絡資源進行配置、管理和監控。同時SDNO與不同邏輯功能的SDN Controller之間采用標準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或分布式資源實現），將SDNO的業務請求轉化為轉發層的轉發策略并配置到轉發層網元中，接收轉發層的狀態、統計和告警等信息，綜合各類信息完成包括路徑計算、流量統計、策略制定和配置等功能。SDN Controller與轉發層之間采用標準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，在兩個子域內的NFVO負責和本域內的SDN控制器互通互聯以達到控制域內的Underlay和Overlay網絡的目的。引入SDN技術來管理和控制Underlay和Overlay網絡可以提高虛擬網元之間流量調度的靈活性。目前，ETSI NFV MANO規范至上而下定義了網絡功能虛擬化編排器（NFV Orchestrator），虛擬網絡功能管理器（VNFM）和虛擬化基礎設施管理器（VIM）三層。其中，NFVO提供的接口可對接OSS/BSS，VNFM負責對虛擬網元的生命周期進行管理，而VIM需對承載虛擬網元的網絡進行抽象、管理和控制。

在NFV基礎設施內，主要存在承載傳統物理網絡功能的Underlay網絡和在Underlay網絡之上以虛擬交換為核心的Overlay網絡。負責無線業務的VNF是利用Underlay和Overlay網絡來進行互通互聯的。端到端的虛擬化無線場景編排的優化，如網絡分片技術，涉及到在NFV域中部署不同業務和功能的VNF到不同服務器，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絡來支持按需分配的網絡資源，如用鏈路和帶寬來保證高性能、高可靠的網絡基礎設施來支撐無線業務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網絡開始擴展到Underlay網絡，逐漸從單向的網絡控制過渡到結合網絡遙感形成閉環可優化的網絡。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網絡；第二階段，擴展到控制Underlay網絡，即物理交換機、路由器等L2/L3的物理網絡設備；第三階段，引入遙感技術來支撐優化網絡。

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

5 結束語

VRAN實際上是指無線接入網部署了虛擬網絡功能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網絡中，VRAN實際上是CU云化部署，網絡架構向集中式、虛擬化演進。采用實時與非實時調度分層，網絡功能單元按業務需求靈活部署，充分發揮虛擬化、云化資源池的作用，實現彈性網絡，靈活擴展。具體實施網絡虛擬化時，需要引入SDN技術。VRAN的應用和實現具備很多優勢，但是，也應持續關注5G CU引入可能會給網絡帶來的一些挑戰，比如承載網絡的改造方案等，以便更好地優化5G網絡建設方案。

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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

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馬穎. VRAN技術在5G網絡的實現[J]. 移動通信, 2017,41(20)： 69-73.

2017-06-30

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

馬穎：高級工程師，碩士學位，現任職于中國移動通信集團設計院有限公司無線所，主要研究方向為無線網絡演進技術、蜂窩物聯網規劃設計。