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5G网络打破专有系统的桎梏

随着技术的不断变迁 ， 专有无线接入网络的时代正在逐渐消失 。 运营商希望能在降低成本的同时增加灵活性 ， 其需要易于部署且经济实惠的网络和网络组件 ， 这也导致整个行业从4G专用硬件和专有软件开始转向安装在COTS硬件平台上的开放软件栈 。
4G的专有组件
从核心网和RAN的角度来看待无线网络的话 ， 核心网包括骨干网、城域网和区域网(图1) 。 早期 ， 网络使用固定交换机和路由器来传输数据 ， 如今核心网在RAN的边缘聚合数据 ， RAN将聚合的数据传输到无线电塔 。
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图1.无线网络由连接到聚合网络和网络核心的无线接入网组成
4G网络在1GHz至4GHz的频带上运行 ， 每座发射塔都配备了一个基带单元(BBU) ， 从核心网收集数据 ， 并将其传送到远程无线电单元(RRU) 。
4G在很大程度上是通过运行专有软件栈的自定义硬件来实现的 ， 这种方法对于4G网络来说是可以接受的 ， 但是考虑到5G以及所需成本 ， 运营商已经着手开发开源解决方案 。 5G的目标是可互换的COTSARM或运行开源软件栈的x86服务器 。
5G网络
5G网络与4GLTE有本质上的不同 ， 频段上 ， 5G覆盖了从6GHz到300GHz的频段 。 由于频率越高 ， 信号传播过程中的衰减也越大 ， 所以5G网络的基站密度将更高 。
5G将4GBBU拆分为无线单元(RU)、分布式单元(DU)和集中式单元(CU)(图2) 。 解耦这些功能为运营商带来了很大的灵活性 ， 因为它们可以根据需要将RU、DU和CU部署在不同的位置 ， 例如 ， 要求低边缘延迟的网络可以将RU、CU和DU一起部署在边缘 ， 这将最大限度地提高远端连接用户应用程序的性能 。 另外 ， 一个DU可以为多个RU提供服务 ， 从而降低了网络成本 ， 同时在可接受的最大延迟范围内提供了足够的性能 。 针对不同的市场和地区 ， 运营商可以部署不同的架构 。
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图2.在5G网络中 ， 可以将BBU分解为RU、DU和CU
下图更深入地展示了5G网络的硬件和互连 。
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图3.5G网络将基带单元分为RU ， DU和CU
5GRU包含一个RF发射器和一个LOPHY模块 ， 通常作为一个为数据包管理优化的FPGA或ASIC实现 ， 它可以提供小于1毫秒的延迟 ， RU和DU之间就是前传 。
DU的无线数据包通过前传链路与RU进行往返传输 。 DU的主要组成部分是无线链路控制器(RLC)、媒体访问控制器(MAC)和HIPHY 。 MAC集成了与RLC通信的软件和与PHY通信的硬件模块 。 它可以整合诸如GPU或FPGA之类的硬件加速器 ， 并且可以在延迟小于5毫秒的情况下运行 。 DU通过F1中传接口连接到CU 。 一个DUCOTS实现将包括一个带有硬件加速PCIe卡的服务器机箱和一个开源的MAC/RLC栈 。
CU由一个控制平面(CP)和一个用户平面(UP)组成 。 该配置与LTE类似 ， 使得5G网络与4GLTE网络的集成整合更加容易 ， 另外它还为5GRAN配置提供了灵活性 。 CP和UP作为CU的一部分连接在CUbox中 ， 它们可以以大约10毫秒的延迟运行 。
RAN智能控制器(RIC)位于CU的上游 ， 该功能将无线网络虚拟化为一系列可由上游核心控制器访问的功能 。
【5G网络打破专有系统的桎梏】向开放的转变
RU、DU和CU包含SDN或虚拟RAN(vRAN)所需的所有功能和接口 。 但是 ， 核心的网络编排和自动化层确实需要软件来管理流程 。 LTE网络通过专有的硬件和软件来管理此任务 。 由于5G的成本限制 ， 运营商开始寻找利用COTS硬件的标准化开源方案 。 于是 ， 出现了这几个关键的开源项目：AkrainoEdgeStack、O-RAN联盟、ONAP和OCP ， 另外近期也新成立了一个组织叫OpenRAN政策联盟 。
AkrainoEdgeStack
AkrainoEdgeStack于2018年推出 ， 专注于为网络边缘开发开放式软件栈 ， 现已成为LFEdge计划的一部分 。 该组织强调模块化设计 ， 支持软件组件的重用 。 这些堆栈被称为Akraino蓝图 ， 服务于边缘云基础架构的各个子集 ， 包括企业边缘、over-the-top-edge、供应商边缘和运营商边缘 。 当安装在“裸机”服务器上时 ， 该蓝图将机器转换为特定于应用程序的设备 。
Akraino致力于打造可加速RAN部署的5G电信设备 ， 目前正在开发多个运营商的蓝图 。 该组织最近发布了Akraino无线电边缘云(REC)蓝图 ， 为管理、编排和自动化层提供了与vRAN交互的基本组件 。
REC在LinuxCentOS发行版上运行 ， 与管理和监视软件一起工作 ， 这些软件包含在Kubernetes中并由Kubernetes管理 。 堆栈将裸机服务器虚拟化 ， 以便将其抽象为软件服务 。 上层控制层可以调用这些API ， 从而使其能够与网络层的数据平面进行交互 。
O-RAN联盟
O-RAN联盟致力于实现一个开放、智能的RAN 。 联盟正在开发开放式虚拟化网络元素 ， 如开放式DU和开放式CU 。 与Akraino一样 ， 重点在于构建可重用和标准化的模块化参考设计 。 这种方法不仅加快了集成和部署的速度 ， 而且还使开发人员可以跳过编写通用功能的代码块 ， 从而使他们腾出时间进行创新 。
O-RAN的工作与Akraino蓝图的开发紧密相关 ， 其思想是Akraino的蓝图对硬件层进行抽象 ， 然后O-RAN/ONAP软件栈在该层之上运行并与API进行交互(图4) 。
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图4.开放的5G网络由O-RAN、ONAP和Akraino软件组件组成
O-RAN解决的关键软件开发之一是RAN智能控制器(RIC) ， RIC在5G核心的RAN控制器与接入网之间提供了接口 ， 从而实现了策略驱动的闭环自动化 。 RIC是将RU、DU和CU转换为vRAN的接口部件 ， 可提供更快、更敏捷的服务部署和可编程性 。
RIC与CU位于同一位置 ， 它通过回程连接到核心网的编排和自动化堆栈 ， 并通过中传连接到CU和DU 。 它将运行在AkrainoREC的蓝图之上 ， 该蓝图经过优化以最大程度地减少了RIC和DU/CU之间的延迟(图5) 。 AkrainoREC与位于核心网边缘的区域控制器集成在一起 ， 可将REC全自动部署到边缘站点 。
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图5.可以使用AkrainoRadioEdgeCloud(REC)蓝图实现O-RAN的RAN智能控制器(RIC)
ONAP
5G网络将支持各种截然不同需求的应用程序 。 例如 ， 移动设备上的流媒体视频对延迟没有很大的需求 ， 但可能需要具有很高的移动性;智能工厂不会移动 ， 但要求尽可能低的延迟;自动驾驶汽车面临着超高可靠性和超低延迟的双重挑战 。 当然还有一些其他的因素 ， 包括带宽和成本等 。 有效地服务于这些多样化的应用程序需要虚拟化网络的能力 ， 这样网络就可以作为网络切片的集合 ， 每个网络切片都可以动态地重新配置 ， 以提供每个应用程序所需的服务质量 。
到目前为止讨论的构建块提供了一种创建网络切片的方法 ， 但是它们需要一个位于核心的顶级控制结构来编排和管理服务 。 ONAP是Linux基金会主办的一个开源网络项目 ， 旨在解决这一需求 。
ONAP对于5G部署至关重要 ， 它支持网络服务的编排、自动化和端到端生命周期管理 。 它非常复杂且计算量很大 ， 仅运行一个ONAP实例就需要140个内核和140GB的RAM 。 ONAP与RAN的接口如图6所示 。
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图6.软件服务和接口构成了5G网络核心
OCP
在网络世界中创建互操作性需要标准化外形尺寸和接口 。 OCP的启动就是为了建立硬件规范来实现这一标准化 。 OCP即将推出的规范之一是openEDGE机箱(图7) 。 其低功耗要求和处理密度都针对电信和边缘应用进行了优化 。
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图7.基于OpenComputeProject标准设计的openEDGE机箱
OpenRAN政策联盟
近日 ， 31个国外知名运营商和技术公司在美国成立了OpenRAN政策联盟(OpenRANPolicyCoalition) ， 推广开放概念RAN 。
OpenRAN政策联盟的成员包括AT&T、亚马逊网络服务、Facebook、谷歌、IBM、英特尔、微软、高通、乐天移动、三星电子美国、Telefonica、Verizon和沃达丰等 。
OpenRAN政策联盟的目标是为其他致力于技术标准的OpenRAN组织(例如O-RAN联盟和TIP项目)提供以政策为中心的支持 。
5G有望带来巨大的性能提升 ， 从根本上改变全球通信 ， 为电信运营商提供了创造新市场和消费者服务的机会 。 为了在5G中取得成功 ， 运营商需要改进网络设备 ， 使其具有灵活性、低成本和快速的上市时间 。 开放的5G硬件和软件可以帮助其实现这些目标 。


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