基于5G小基站的虛擬化場景與應(yīng)用分析

摘 要：在4G移動網(wǎng)絡(luò)搭建中，小基站開始逐漸嶄露頭角，它的信號覆蓋范圍相比傳統(tǒng)宏基站要小很多，并主要運用在4G流量需求特別高的室內(nèi)區(qū)域用于數(shù)據(jù)分流，以提升用戶體驗。而在5G時代，隨著信號頻率的進(jìn)一步提高，借助于自身在發(fā)射功率、部署方式和覆蓋范圍等方面的優(yōu)勢，5G小基站將發(fā)揮更大作用。基于此，本篇文章對基于5G小基站的虛擬化場景與應(yīng)用分析進(jìn)行研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：5G;小基站;虛擬化;應(yīng)用分析

0 引言

在通信行業(yè)，雖然網(wǎng)絡(luò)虛擬化的概念早已經(jīng)開始研究，但是現(xiàn)在的應(yīng)用主要還在核心網(wǎng)領(lǐng)域，因為典型的核心網(wǎng)網(wǎng)元與無線接入網(wǎng)由于本身的功能特點不同，對虛擬化環(huán)境有不同的要求，加上業(yè)務(wù)場景的變化和實際部署性能、成本考慮等，從而導(dǎo)致接入網(wǎng)設(shè)備對虛擬化設(shè)施的架構(gòu)和實現(xiàn)提出了不同的要求和這方面研究的缺失。本文簡要分析了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中無線接入網(wǎng)部分的特點，結(jié)合5G室內(nèi)小基站部署的場景，給出了典型的虛擬化平臺架構(gòu)及未來發(fā)展趨勢。

1 小基站角色定位的轉(zhuǎn)變

在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初期，為迅速推廣5G以滿足居民的正常體驗，運營商在5G的信號覆蓋上多采用宏基站覆蓋的方式。然而到后期，隨著室外可用站址的逐漸減少、新站址的談點難度增加、密集區(qū)域流量的逐漸增加，可增加小基站以補(bǔ)盲和解決話務(wù)密度問題。小基站的價值在于可以解決宏基站的難題，例如對站點條件要求較高、覆蓋深度不夠等。通過在人群和建筑密集的地方增加小基站，有針對性地對宏基站信號弱覆蓋的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充，確保5G信號的質(zhì)量。在流量熱點地區(qū)，小基站因為其靈活性對選取站點的條件較低，也可以在更小范圍內(nèi)提升容量，幫助宏基站分流。此外，小基站的體積較小，部署方式較為簡單，建設(shè)成本也較低。

2 基于通用服務(wù)器的5G小基站架構(gòu)與應(yīng)用

（一）開放架構(gòu)的5G小基站

近期，以O(shè)-RAN（Open-RadioAccessNetwork，開放無線接入網(wǎng)）聯(lián)盟及TIP（TelecomInfraProject，電信基礎(chǔ)設(shè)施項目）等為代表的倡導(dǎo)接入網(wǎng)開放的聯(lián)盟組織，陸續(xù)發(fā)布有關(guān)接入網(wǎng)開放設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)推動及試商用信息。其中，O-RAN聯(lián)盟的目標(biāo)是實現(xiàn)無線接入網(wǎng)的接口開放化、硬件白盒化、軟件開源化和網(wǎng)絡(luò)智能化，以降低接入網(wǎng)成本、推動無線接入網(wǎng)架構(gòu)開放與智能為出發(fā)點。2019年初，日本樂天移動首批4G基站開通，計劃以全I(xiàn)T化的方式建設(shè)4G/5G網(wǎng)絡(luò)，通過基站虛擬化、白盒化，建成端到端的云原生移動網(wǎng)絡(luò)。另外，在“TIP2019峰會”上，沃達(dá)豐發(fā)布了對歐洲超過十萬個開放基站的采購指標(biāo)，并要求供應(yīng)商遵循O-RAN技術(shù)規(guī)范。2020年初，土耳其電信、IpT（秘魯電信運營商）等多家運營商先后宣布將采用軟硬件解耦的方式來實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)部署。

（二）5G室內(nèi)專網(wǎng)特點

對于室內(nèi)行業(yè)應(yīng)用要更加豐富的5G支撐網(wǎng)絡(luò)，因為垂直行業(yè)應(yīng)用都有其自身的需求點，即需求肯定是碎片化、復(fù)雜化的，很難用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)部署方式滿足這些所有差異化的客戶需求。例如，智慧礦山的關(guān)鍵需求是：井下遠(yuǎn)程高清視頻、危險作業(yè)面的穩(wěn)定可靠的無人挖礦、礦井設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控、井下人員資產(chǎn)信息的實時定位、自動化巡檢等;而智慧工廠的關(guān)鍵需求是數(shù)據(jù)不出廠的安全需求、確定性大帶寬低時延需求、泛在網(wǎng)絡(luò)融合的需求。即各種應(yīng)用關(guān)心的點是不一樣的，這些應(yīng)用對設(shè)備的功耗、體積、認(rèn)證需求也都不一樣，如礦井下面的設(shè)備，只做入網(wǎng)認(rèn)證不夠，還要做防爆認(rèn)證、煤安認(rèn)證等。但對于行業(yè)關(guān)心的是，如何真正高效、全面地滿足其應(yīng)用場景的所有需求。

（三）面向室內(nèi)小基站的虛擬化場景分析

虛擬化主要是對計算或者存儲資源進(jìn)行集中部署和分配，從而提高資源利用率和分配效率。目前虛擬化應(yīng)用最多的是數(shù)據(jù)中心，對服務(wù)器進(jìn)行池化，這就要求一定數(shù)量的服務(wù)器進(jìn)行集中部署。考慮到基站部署要根據(jù)業(yè)務(wù)和覆蓋需求因地制宜，同時考慮室內(nèi)小基站的覆蓋能力，基于通用服務(wù)器的5G小基站主要面向兩種場景：室內(nèi)公眾網(wǎng)絡(luò)和區(qū)域行業(yè)應(yīng)用。

面向垂直行業(yè)的5G應(yīng)用與公網(wǎng)不同，尤其是工業(yè)園區(qū)，對網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)及對設(shè)備功耗和體積的要求相對寬松，成本方面相對公網(wǎng)也沒有那么敏感，但是業(yè)務(wù)多樣性增加，希望網(wǎng)絡(luò)能夠提供定制化的服務(wù)。同時，由于區(qū)域相對集中，更適合根據(jù)需要對BBU進(jìn)行集中部署。這種場景下，小基站部署時適合采用虛擬專網(wǎng)的形式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，用于滿足5G中多種業(yè)務(wù)能力的靈活需求，而采用云化、虛擬化技術(shù)，可以實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)資源的池化共享，進(jìn)行快速部署，同時還有利于他們盡快、便捷地實現(xiàn)虛擬無線接入網(wǎng)（VirtualRadioAccessNetwork，vRAN）與MEC/UPF（UserPlaneFunction，用戶面功能）的共平臺部署，以及未來平臺的升級拓展，從而滿足多種業(yè)務(wù)對于無線底層基礎(chǔ)資源的彈性伸縮需求，實現(xiàn)池化增益和規(guī)模效益。

3 虛擬化技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用

虛機(jī)較容器的發(fā)展更早，因此商用時間長，產(chǎn)品比較成熟，目前最具代表性的商業(yè)系統(tǒng)虛擬化軟件系列VMwareESX來自美國的威睿公司，從虛機(jī)的底層支持到應(yīng)用管理都有完善的解決方案。此外，也有眾多的開源解決方案，很多廠家基于這些開源項目建設(shè)自己的應(yīng)用平臺進(jìn)行應(yīng)用，這里其中最重要的就是KVM（Kernel-basedVirtualMachine）和OpenStack（云計算管理平臺）。KVM是一個開源的系統(tǒng)虛擬化模塊，它使用Linux自身的調(diào)度器進(jìn)行管理，核心源碼很少。雖然KVM需要硬件支持，但是使用通用服務(wù)器的小基站可以很好地適配這個需求。OpenStack即開源云計算管理平臺項目，利用它可以根據(jù)自己的需要來搭建基礎(chǔ)設(shè)施，同時可以自由地擴(kuò)充集群規(guī)模。這些開源項目的興起為開發(fā)自己的虛擬化平臺提供了條件，同時這些項目又有良好的標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)，使得不同廠家的平臺應(yīng)用很容易實現(xiàn)兼容。

4 vRAN虛擬化平臺架構(gòu)及應(yīng)用

（一）虛擬化平臺架構(gòu)

虛擬化平臺包括虛擬層、虛擬化應(yīng)用和虛擬化控制管理功能以及相應(yīng)的基礎(chǔ)硬件支持。其中，基站軟件對硬件存儲要求很低，重點考慮的是虛擬層對存儲空間的需求，只需要本地存儲保障一定數(shù)量的容器/安全容器啟動運行，并具備相對的可擴(kuò)展性。虛擬層主要為上層應(yīng)用提供虛擬的計算和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)功能，其中，虛擬計算單元由Docker容器/安全容器實現(xiàn)，Docker容器需要在操作系統(tǒng)中配置Docker-runtime，安全容器使用Kata-container，需要配置Kata-runtime，它的優(yōu)點是與Docker類似，為了接入K8S，接口需要支持容器運行時接口（ContainerRuntimeInterface，CRI-O）。Kubernetes則針對容器/安全容器提供了虛擬化應(yīng)用實例的管理、編排功能。虛擬交換功能使用開源虛擬交換機(jī)（OpenvSwitch，OvS）實現(xiàn)，主要依賴數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件（DataPlaneDevelopmentKit，DPDK）技術(shù)。虛擬層運行在操作系統(tǒng)上，考慮可用和穩(wěn)定性，服務(wù)器的操作系統(tǒng)可以選擇CentOS，在CentOS上需要實現(xiàn)對虛擬層的支持，包括實時內(nèi)核（real-timepreemptionpatcheset，在低延時的基礎(chǔ)上通過幾種手段（高精時鐘、中斷線程）盡量達(dá)到硬實時要求）、容器運行時、標(biāo)準(zhǔn)容器接口、主板管理等。

（二）低成本方案應(yīng)用于公眾網(wǎng)絡(luò)

公眾網(wǎng)絡(luò)的主要需求是在滿足性能和覆蓋等無線網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)基礎(chǔ)上盡量實現(xiàn)成本最優(yōu)化，這種應(yīng)用場景對于5G擴(kuò)展型小基站的應(yīng)用要求與傳統(tǒng)設(shè)備的需求方向一致，性能、成本、功耗、體積和可靠性是主要指標(biāo)需求。針對公網(wǎng)室內(nèi)覆蓋部署，為了能替換傳統(tǒng)無源室分方案，降低設(shè)備成本，基于軟硬件解耦的5G擴(kuò)展型小基站的基帶硬件可考慮采用低規(guī)格、定制化的單機(jī)版服務(wù)器，軟件基于非虛擬化的物理機(jī)運行，可以兼顧性能和成本。

5 小基站發(fā)展現(xiàn)狀及未來部署

（一）小基站發(fā)展現(xiàn)狀

相較于國外，國內(nèi)的小基站發(fā)展相對較為緩慢，根據(jù)運營商的推廣進(jìn)度，設(shè)備商的重點在宏基站上。目前來看，涉足小基站的有主流電信設(shè)備廠商、中小型設(shè)備廠商。華為、中興、愛立信等電信設(shè)備廠商在小基站市場在研發(fā)都投入較大并且強(qiáng)調(diào)“宏基站+小站”的協(xié)同配合。

（二）未來發(fā)展

在小基站發(fā)展的過程中，5G白盒化受到業(yè)界的高度關(guān)注，運營商們也紛紛致力于白盒化基站的探索。網(wǎng)絡(luò)的變革也已經(jīng)從不斷升級開發(fā)核心網(wǎng)的功能，轉(zhuǎn)向逐步改造接入網(wǎng)設(shè)備，使其更加小型化、智能化。對于運營商來說，白盒化可以改變以往無線接入網(wǎng)領(lǐng)域的設(shè)備軟硬件一體化、與核心網(wǎng)緊耦合化的特點。可以降低成本，也使得網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)規(guī)劃方案具有更多的可能性，同時能夠響應(yīng)不同2B、2C的業(yè)務(wù)需求。相信在未來的發(fā)展中，在運營商的共同推動下，5G小基站能夠發(fā)揮其更大的價值。

6 結(jié)束語

在5G部署場景中，面向室內(nèi)覆蓋的有源小基站成為重要技術(shù)方案之一。其中，5G擴(kuò)展型小基站可以作為接入網(wǎng)開放的突破口，通過基站設(shè)備的軟硬件解耦邁向更開放和智能的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展階段。本文對開放架構(gòu)的5G擴(kuò)展型小基站的實現(xiàn)方式進(jìn)行總結(jié)與展望，不同切分方式的實現(xiàn)方案都可以通過虛擬化基帶處理功能，達(dá)到提升系統(tǒng)靈活度的目的。針對不同應(yīng)用場景，開放架構(gòu)的小基站有利于提供差異化的設(shè)備類型，從而實現(xiàn)個性化服務(wù)。

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作者簡介：

劉潤方，男，漢族，就讀于東南大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，研究方向：經(jīng)濟(jì)管理.