5G网络的转变与技术

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。

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COTS ARM或运行开源软件栈的x86服务器。

5G网络

5G网络与4G LTE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4G BBU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。

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。

图3. 5G网络将基带单元分为RU，DU和CU

5G RU包含一个RF发射器和一个LO PHY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HI PHY。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DU COTS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4G LTE网络的集成整合更加容易，另外它还为5G RAN配置提供了灵活性。CP和UP作为CU的一部分连接在CU box 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。

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：Akraino Edge Stack、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。

Akraino Edge Stack

Akraino Edge Stack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LF Edge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Linux CentOS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)。

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Akraino REC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)。Akraino REC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。

图5.可以使用Akraino Radio Edge Cloud(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140 GB的RAM。ONAP与RAN的接口如图6所示。

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。

图7. 基于Open Compute Project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Open RAN政策联盟(OpenRAN Policy Coalition)，推广开放概念RAN。

Open RAN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。

Open RAN政策联盟的目标是为其他致力于技术标准的Open RAN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。