5G網絡架構與無線網虛擬化研究

王學靈（上海郵電設計咨詢研究院有限公司，上海200092）

1 概述

未來5G網絡因為頻段和業務的需求，將呈現出密集、復雜的網絡結構，基站數量和部署密度將遠超現有4G網絡。隨著軟件定義網絡/網絡功能虛擬化（SDN/NFV）技術的不斷發展，移動網絡核心側設備的虛擬化技術已經逐漸成熟。軟硬件技術和能力不斷增強，各大廠商和運營商也開始研究無線側虛擬化。為了提供一個能夠面向應用、開放靈活、低成本和易維護的網絡，無線接入側網絡虛擬化研究成為業界研究的熱點。

2 未來無線網絡架構

2.1 5G無線網架構

3GPP的5G新無線接入技術（NR）架構如圖1所示［1］（核心網架構和網元詳見文獻［3］），gNB基站為終端提供NG的用戶面（UP）和控制面（CP），eLTE eNB（升級后的LTE基站）為終端提供E-UTRA的用戶面和控制面，在標準規范里會同時提供NR和E-UTRA的用戶面和控制面。gNB之間、eLTE eNB之間、NR與eLTE eNB之間通過Xn接口互連。基站與核心側網關（NG-CP/UPGW）通過NG接口實現多對多連接。

圖1 5G NR架構

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

2.2 CU和DU切分

5G將無線基站切分（split）成2個邏輯功能實體：集中單元（CU）與分布單元（DU），架構如圖2所示［2］。gNB由1個gNB-CU和1個或者多個gNB-DU組成，gNB-DU根據分離功能的設置，實現gNB的功能，其功能實現由gNB-CU進行控制。gNB-CU與gNB-DU之間通過F1接口連接。CU側重于無線網功能中非實時性的部分（主要是無線高層協議，并承接部分核心側的功能），便于實現云化和虛擬化；DU負責除CU功能之外的所有無線側功能，側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。3GPP TR定義了8種［1］CU和DU切分方案，option1～option8，邏輯位置分別在 RRC、PDCP、RLC、MAC、PHY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可與移動邊緣計算（MEC）共同部署于相應的DC機房，實現業務快速創新和快速上線，也節省了DU至RRU的傳輸資源。

圖2 NG-RAN架構圖

CU和DU分離的好處是：有效降低前傳帶寬需求，卸載/分流DC本地流量；提升協作能力，優化網絡性能；硬件部署靈活，成本降低；支持端到端的網絡切片（slice）；部分核心側功能下移，降低了系統時延。

2.3 UP和CP分離

5G對時延的要求非常高，需要將相關的網元下沉（對應于運營商網絡重構中的邊緣DC），網元數量劇增，勢必會造成網絡的復雜度（由類似“樹”型結構變成MESH結構）升高，導致運營商投入巨大，信令的迂回也是很大問題。因此，5G網絡將控制面與用戶面分離以適應SDN架構的需求，支持網絡可編程、可定制，將控制邏輯集中到控制面，降低分散式部署帶來的成本，解決信令迂回和接口壓力問題；提升網絡架構的靈活性，支撐網絡切片；便于控制與轉發分離（LTE實現控制與轉發分離，但不是完全的UP和CP分離［14］），方便網絡演進和升級；支持多廠商設備的互操作［1］。結合了UP和CP分離、CU和DU分離的5G RAN網絡架構如圖3所示，CU和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無線網架構為運營商未來網絡重構做好了準備，CU和DU分離、UP和CP分離，可以為無線網絡虛擬化及MEC提供較為完善的網絡結構。

3 無線網虛擬化技術

無線網的虛擬化從2個方面分析，即網絡資源虛擬化和網絡功能虛擬化。網絡資源虛擬化是對移動網無線側的頻譜資源、功率資源、空口資源進行虛擬化，網絡資源虛擬化的結果作為網絡功能虛擬化的基礎；網絡功能虛擬化是對無線接入網的數據單元和控制單元以及部分核心側的功能虛擬化。通過這2個方面的虛擬化，實現對無線網資源的有效調度和利用，從而提升資源使用效率并很好地支撐5G網絡切片。無線網絡虛擬化與承載/核心網絡虛擬化相比，結構和特性更加復雜，不僅要考慮無線環境的不確定性、系統內外的干擾、信令調度開銷以及高速移動性等問題，還要考慮前傳、中傳和回傳網絡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、功率資源以及傳輸帶寬等資源。無線資源的虛擬化是通過SDN/NFV技術，將這些資源池化，通過映射等手段，使無線網資源的調度和配置與具體的網絡資源無關，即調度和配置時對無線網絡資源進行屏蔽，從而達到對無線網資源的最大化利用［4］。

如圖4所示，虛擬網絡控制器負責網絡虛擬化，根據業務需求自動生成網絡拓撲，并向虛擬資源控制器申請網絡資源。節點鏈路控制器是根據網絡可分配資源和不同業務申請所需資源的情況，進行底層網絡資源與網絡需求的合理分配［9］。

圖4 網絡資源虛擬化

3.2 網絡功能虛擬化

網絡功能的虛擬化是通過NFV/SDN［7］技術來實現。NFV技術（上層業務云化，底層硬件標準化）將網絡功能轉移到邊緣云中的虛擬機（VMs）中，采用成熟商用的服務器（COTS），這些VMs通過SDN技術實現與核心云VMs的互聯互通。虛擬機可以較為容易地實現資源的分配與隔離，即軟件功能與硬件能力的解耦，從而支撐5G網絡的切片。為了滿足不同業務對時延等的不同需求，可以選擇將網絡功能設置在邊緣VMs還是核心VMs。

NFV分層視圖如圖5所示，管理和編排（MANO——Management and Orchestration）包括3個層次。

圖5 NFV分層視圖

a）網絡服務（NF）的管理和編排，包括面向業務場景的網絡服務與編排、網絡服務的生命周期管理。

b）虛擬網元（VNF）的管理與編排，包括虛擬網元的生命周期管理、虛擬網元相關的虛擬資源管理、虛擬網元的配置管理。

c）虛擬資源的管理和編排，包括NFV基礎設施虛擬資源管理（計算能力、存儲容量、網絡功能）。

無線側網絡功能虛擬化，實現網絡承載能力與覆蓋需求的分離，使得網絡節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。

3.3 無線網虛擬化面臨的挑戰

無線網虛擬化技術作為未來無線網絡演進的方向，在為實現網絡端到端虛擬化帶來種種好處的同時，還因為目前的軟硬件技術限制存在如下挑戰。

a）通用硬件能力不足，對無線信號處理達不到專用設備的水平。無線網的發展需要密集型計算，通用硬件在功耗和處理能力上遠不如專用設備，同時，5G時代的超低時延要求也是通用設備難以滿足的。

b）無線網虛擬化比核心網更復雜。無線基站是分散部署的，集中化管理面臨挑戰，虛擬化設備的部署也是分散的，需要在成千上萬個基站及匯聚點通過支持虛擬化技術的通用設備，安裝并實時運行靠近用戶側的軟件。而核心側的虛擬化雖然較為昂貴，但是因為集中度較高，實現難度相對較低。

c）無線網虛擬化軟件產品和虛擬化標準化也是需要注意的問題。現網以及可預見的5G網絡，都將是多廠家設備共存的網絡，開放和標準化程度直接影響最終的部署。

4 無線網虛擬化進展

4.1 行業組織的RAN變革思路

TIP（Telecom Infra Project）是由 Facebook 主導于2016年2月成立的一個開放組織，旨在加速全球電信行業變革步伐，推動軟件開源與硬件通用化。其OpenRAN工作組的主要目標是開發基于通用處理平臺（GPPP——General Purpose Processing Platform）和分解軟件的完全可編程RAN解決方案，側重于將vRAN解決方案分解為不同的組件，并確保每個組件都能有效地部署在通用處理平臺上，以便從軟件驅動開發的靈活性和更快的創新速度中受益[15]。

開放無線接入網（O-RAN）聯盟，由中國移動于2018年2月世界GTI峰會上倡導成立的，該聯盟將CRAN聯盟和xRAN論壇的成果相結合，旨在引導產業演進方向，推動新一代無線接入網絡的開放水平。該聯盟將積極推進RIC（Radio Intelligent Controller）、CU、DU及RU間等重要接口重新定義。通過軟件開源、接口標準化、硬件白盒化和網絡智能化等設計，實現最大化復用共享，從而提高無線網絡對多樣化業務的支撐能力，降低設備成本和運營成本。2018年6月上海移動大會（MWCS）期間，中國電信加入O-RAN聯盟。O-RAN聯盟已有階段性標準面世，自2018年4月發布1.0版前傳規范后，2018年7月份又發布了2.0版本，在1.0版本的開放RRU與BBU接口的基礎上，完成了管理面（M-plane）的標準化。

4.2 中國移動C-RAN架構

C-RAN概念是中國移動在2009年提出的，并根據網絡發展和演進逐步完善。C-RAN是集中處理、協作、云化和綠色的無線接入網，可以降低基礎設施投入，提高網絡資源的使用效率，實現資源共享，并有效解決高能耗問題。C-RAN是相對于傳統的分散式RAN（D-RAN）來說的，也可稱之為軟件定義RAN（SD-RAN）［12］或者 vRAN（虛擬 RAN）［5］，通過 BBU 的集中化處理實現無線網的虛擬化。中國移動基于CU和DU切分的C-RAN架構［6］如圖6所示。在物理部署上，根據基站前傳條件，分為DU集中堆疊和DU分布式部分2種方式［6］，DU放置位置的高低，將決定其提供服務的范圍，位置越高可以實現更多資源的統一調度，對DU的能力要求也相應更高。目前作為C-RAN的初級階段，BBU主要為集中堆疊方式，預計5G初期DU也以集中堆疊方式為主。

圖6 中國移動提出的CU和DU切分的C-RAN架構

RAN的網絡功能虛擬化主要是指CU的虛擬化，CU可以采用通用化的設備來實現支持無線網的功能以及部分下沉的核心網功能，并可以結合MEC實現邊緣應用能力［10］。DU可以采用專用設備或通用設備實現，引入NFV框架之后，通過網絡的統一編排和管理，在SDN架構下實現對CU和DU的資源虛擬化管理。C-RAN技術不僅僅是針對5G網絡的，還可以針對現有制式基站進行虛擬化［8］。

4.3 中國電信網絡目標架構

中國電信技術創新中心提出的5G無線網解決方案智能無線接入網（S-RAN——Smart RAN），無線網虛擬技術是S-RAN的關鍵技術［13］。中國電信CTNet2025目標網絡架構特征是簡潔、敏捷、開放、集約，為用戶提供網絡可視、資源隨選、用戶自服務的網絡能力［11］（見圖7）。目標網絡分為3層，即基礎設施層、網絡功能層和協同編排層，無線網功能分為功能抽象層和專用設施2個部分，配合CTNet2015目標架構的DC化改造方案，將移動網絡描述成“三朵云”（“控制云”“轉發云”“接入云”），“接入云”將無線網分成 2 部分：vBBU（Cloud-RAN-CU）和專用硬件DU/RRU 2部分。另外，移動邊緣內容與計算（MECC——Mobile Edge Computing and Content）也與“接入云”融合，以滿足超低時延業務、大容量業務的本地緩存需求。

圖7 中國電信CTNet2025移動網目標架構

無線網虛擬化技術的研究比承載網滯后，因此中國電信對無線網虛擬化的考慮尚無明確的計劃表。根據2018年6月發布的《中國電信5G技術白皮書》要求，5G初期優先采用CU和DU合設部署，以較低的復雜度實現快速、低成本網絡部署，但需要進行模塊化設計，易于分解，方便未來實現CU和DU分離架構。

4.4 運營商vRAN后續推進建議

國內運營商從4G時代開始，積極推動無線網虛擬化技術演進，從之前的C-RAN、ONAP到現在的ORAN，多年的研究和推動也形成了一些無線網虛擬化的積極的思路和解決方案，并進行了部署試驗。但無線網虛擬化還需要考慮很多問題，因為全網存在百萬級的基站，每個站點虛擬化的推出與其他任何新技術的大規模推廣類似，是一個循序漸進的過程。5G即將商用部署，vRAN的實現深度有待期盼。同時在時機成熟時（如產業鏈的成熟），在有效保護現網設備投資的前提下，考慮對現有4G網絡的無線網進行虛擬化改造。最終推進全網的虛擬化，實現真正的Open RAN。

5 結論與展望

無線網虛擬化牽涉到百萬級的基站，是個漫長的過程。另外，無線網虛擬化如何與MEC融合、如何支撐5G網絡切片等問題，也需要不斷推進和融合。無線網演進的終極目標是TIP、O-RAN等組織提出的Open RAN軟件開源、接口開放、硬件通用，而vRAN只是實現這個目標的前提條件之一。5G將是無線網虛擬化的一個契機，還需業界共同努力。