了解 5G 架構(gòu)中的軟件定義無(wú)線電和網(wǎng)絡(luò)

隨著 5G 最終到達(dá)終端消費(fèi)者，無(wú)線通信的世界即將發(fā)生變化。5G 最大的承諾之一是大規(guī)模設(shè)備通信，為革命性的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，例如自動(dòng)駕駛汽車、元界硬件、游戲虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 和智能工廠。這場(chǎng)革命所需的一些 5G 技術(shù)包括機(jī)器對(duì)機(jī)器 (M2M) 通信、大規(guī)模機(jī)器類型通信 (mMTC)、超可靠低延遲通信 (URLLC) 和增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶 (eMBB)。在這種情況下，基站的優(yōu)化對(duì)于提供低延遲連接、頻譜和處理資源的最佳共享以及密集的小蜂窩部署至關(guān)重要。

此外，5G 將提供跨多技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的融合網(wǎng)絡(luò)通信，以及與衛(wèi)星、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、云、數(shù)據(jù)中心和家庭網(wǎng)關(guān)合作的開(kāi)放通信系統(tǒng)。此外，5G 系統(tǒng)將是自主的，并且能夠根據(jù)所需的 QoS 自行調(diào)整，以動(dòng)態(tài)處理應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)。在此背景下，我們將在此討論通過(guò)開(kāi)放無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò) (O-RAN) 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的 5G 基于移動(dòng)服務(wù)的架構(gòu) (SBA) 的編排。本文還探討了 5G 中軟件定義無(wú)線電 (SDR) 和軟件定義網(wǎng)絡(luò) (SDN) 的使用，它們支持網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 (NFV)、網(wǎng)絡(luò)切片、云/邊緣計(jì)算、人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）。

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G 結(jié)構(gòu)的第一個(gè)組成部分是傳輸網(wǎng)絡(luò)，它將 5G RAN 連接到核心網(wǎng)絡(luò)。它可以分為三種結(jié)構(gòu)：前傳、中傳和回傳（見(jiàn)圖1）。分布式單元（DU）通過(guò)前傳網(wǎng)絡(luò)連接到遠(yuǎn)程無(wú)線電單元（RRU），每個(gè)DU可以覆蓋從幾公里到50多公里的距離，控制多個(gè)天線。中程通過(guò)將分布式單元 (DU) 鏈接到中央單元 (CU) 來(lái)執(zhí)行中間連接。最后，回程鏈路將中央單元和遠(yuǎn)程/移動(dòng)系統(tǒng)連接到核心網(wǎng)絡(luò)。除傳輸網(wǎng)絡(luò)外，5G 核心網(wǎng)絡(luò)還包含多個(gè)用于訪問(wèn)和控制的組件。在 SBA 架構(gòu)中，組件排列在一組互連的網(wǎng)絡(luò)功能 (NF) 中，包括NF存儲(chǔ)庫(kù)功能（NRF）、網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能（NSSF）、策略控制功能（PCF）、用戶平面功能（UPF）、會(huì)話管理功能（SMF）、接入和移動(dòng)管理功能（AMF）和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(DN)。在用戶設(shè)備 (UE) 端，通過(guò) gNB 節(jié)點(diǎn)控制和執(zhí)行訪問(wèn)，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò) NG 接口與 AMF 和 UPF 服務(wù)通信。NG接口承載用戶面和控制面協(xié)議：用戶面實(shí)現(xiàn)PDU（Protocol Data Unit）會(huì)話，控制面控制會(huì)話和與網(wǎng)絡(luò)的連接，包括服務(wù)請(qǐng)求和傳輸資源。訪問(wèn)和移動(dòng)管理功能 (AMF) 和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) (DN)。在用戶設(shè)備 (UE) 端，通過(guò) gNB 節(jié)點(diǎn)控制和執(zhí)行訪問(wèn)，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò) NG 接口與 AMF 和 UPF 服務(wù)通信。NG接口承載用戶面和控制面協(xié)議：用戶面實(shí)現(xiàn)PDU（Protocol Data Unit）會(huì)話，控制面控制會(huì)話和與網(wǎng)絡(luò)的連接，包括服務(wù)請(qǐng)求和傳輸資源。訪問(wèn)和移動(dòng)管理功能 (AMF) 和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) (DN)。在用戶設(shè)備 (UE) 端，通過(guò) gNB 節(jié)點(diǎn)控制和執(zhí)行訪問(wèn)，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò) NG 接口與 AMF 和 UPF 服務(wù)通信。NG接口承載用戶面和控制面協(xié)議：用戶面實(shí)現(xiàn)PDU（Protocol Data Unit）會(huì)話，控制面控制會(huì)話和與網(wǎng)絡(luò)的連接，包括服務(wù)請(qǐng)求和傳輸資源。

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圖 1：5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由三種結(jié)構(gòu)組成。（來(lái)源：每惡習(xí)）

為了更好地了解 5G 的優(yōu)勢(shì)，讓我們將其與巨大的 4G/LTE 技術(shù)進(jìn)行比較。首先，5G 技術(shù)的核心根本不同，使用毫米波、大規(guī)模 MIMO 連接、云原生軟件設(shè)計(jì)和高水平的系統(tǒng)虛擬化。其次，3GPP 5G 是基于服務(wù)的架構(gòu)，這意味著系統(tǒng)元素被定義為網(wǎng)絡(luò)功能 (NF)，為其他具有授權(quán)訪問(wèn)權(quán)限的 NF 提供服務(wù)?；诜?wù)的性質(zhì)比 4G/LTE 實(shí)施更具吸引力，因?yàn)樗峁┝司W(wǎng)絡(luò)切片、功能虛擬化、基于云的系統(tǒng)以及與 Open-RAN 技術(shù)更好的兼容性。此外，UPF 的實(shí)現(xiàn)，以解耦網(wǎng)關(guān)控制和用戶平面，以及 AMF，將會(huì)話管理與連接和移動(dòng)性管理分開(kāi)，在 4G 協(xié)議中找不到。在 5G 中，用戶平面和控制平面是解耦的，因?yàn)?UE 流量是 4G 的 1000 倍。最后，5G 系統(tǒng)允許使用更小、更專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)小區(qū)，例如 fempto 小區(qū)和 pico 小區(qū)。

5G 最重要的方面之一是 RAN 元素的解耦和虛擬化，它允許更智能、動(dòng)態(tài)和靈活的網(wǎng)絡(luò)不同應(yīng)用。RAN 開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)的前沿是開(kāi)放式 RAN (O-RAN) 架構(gòu)。通過(guò)開(kāi)放 RAN 組件之間的接口，O-RAN 允許運(yùn)營(yíng)商在同一系統(tǒng)中結(jié)合不同的供應(yīng)商，從而提高靈活性并讓運(yùn)營(yíng)商可以自由地與選擇的技術(shù)提供商合作。在O-RAN中，基站分為兩個(gè)：集中單元（CU）和分布式單元（DU）（圖2）。CU 負(fù)責(zé)更大的時(shí)間尺度功能，而 DU 負(fù)責(zé)時(shí)間關(guān)鍵任務(wù)。在鏈的末端，遠(yuǎn)程無(wú)線電單元 (RRU) 管理所有 RF 通信和組件，例如調(diào)制、編碼、和避免干擾。在協(xié)議棧方面，CU處理高層，DU管理低層，RRU處理物理層。CU 和 DU 之間的開(kāi)放接口稱為高層拆分 (HLS)，而 DU 和 RRU 之間的連接由低層拆分 (LLS) 接口組成。所有 O-RAN 應(yīng)用程序都在 RAN 智能控制器 (RIC) 上運(yùn)行。RIC 平臺(tái)提供對(duì) RAN 組件的抽象，集成優(yōu)化和自動(dòng)化算法。所有 O-RAN 應(yīng)用程序都在 RAN 智能控制器 (RIC) 上運(yùn)行。RIC 平臺(tái)提供對(duì) RAN 組件的抽象，集成優(yōu)化和自動(dòng)化算法。所有 O-RAN 應(yīng)用程序都在 RAN 智能控制器 (RIC) 上運(yùn)行。RIC 平臺(tái)提供對(duì) RAN 組件的抽象，集成優(yōu)化和自動(dòng)化算法。

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圖 2：顯示了開(kāi)放式 RAN (O-RAN) 架構(gòu)。（來(lái)源：每惡習(xí)）

軟件無(wú)線電 (SDR)

軟件定義無(wú)線電或 SDR 是由模擬無(wú)線電前端 (RFE)、基于 FPGA 的數(shù)字單元和混合信號(hào)接口組成的無(wú)線電系統(tǒng)，通常通過(guò) ADC 和 DAC。RFE 負(fù)責(zé)接收和發(fā)送 RF 信號(hào)的模擬部分，由 DAC/ADC 接口離散化。RFE 是電路的重要組成部分，因?yàn)樗x了信號(hào)范圍、通道數(shù)和帶寬。市場(chǎng)上性能最高的 RFE 可實(shí)現(xiàn) 3 GHz 的瞬時(shí)帶寬，使用多達(dá) 16 個(gè)獨(dú)立通道。SDR 的核心是一個(gè)配置有 DSP 功能的 FPGA：調(diào)制/解調(diào)、上/下變頻和數(shù)據(jù)分組。FPGA 是完全可重構(gòu)的數(shù)字邏輯矩陣，因此同一系統(tǒng)可以支持多種處理算法、最先進(jìn)的協(xié)議、甚至在不改變硬件的情況下實(shí)現(xiàn)人工智能。SDR 提供低延遲、靈活性、高互操作性（對(duì)于 5G 物理層很重要）和大規(guī)模 MIMO 功能——對(duì)于波束賦形和空間復(fù)用非常有用。一個(gè)商業(yè)例子是Per Vices 的Cyan SDR（圖 3），可用作 5G 基站和測(cè)試臺(tái)/仿真器的核心。

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圖 3：Per Vices Cyan 可用于 5G 基站。（來(lái)源：每惡習(xí)）

在 5G 環(huán)境中，RRU 和基帶單元 (BBU) 都可以包含一個(gè)或多個(gè) SDR 單元來(lái)執(zhí)行無(wú)線電相關(guān)功能，從而提供兼容性、互操作性和靈活性。例如，在 gNodeB 5G BBU 中，與 RRU 的連接是使用 eCPRI 光纖實(shí)現(xiàn)的。在這些情況下，SDR 必須同時(shí)包含 eCPRI 和千兆以太網(wǎng) (GBE) 端口，以及處理 MIMO 天線的能力。另一方面，RRU SDR 需要符合應(yīng)用的頻率范圍，它可以屬于 FR1 或 FR2 類別。FR1（頻率范圍 1）涵蓋 6GHz 以下頻率（600 至 6000 MHz），而 FR2（頻率范圍 2）涵蓋 24.25 至 52.6 GHz 的頻帶。與 FR1 相比，F(xiàn)R2 頻段適用于更短距離/更高帶寬的應(yīng)用。必須選擇并配置 RRU SDR 以在所需頻譜內(nèi)工作。小型蜂窩也從 SDR 實(shí)施中受益，因?yàn)槭袌?chǎng)上很容易獲得輕巧、低功耗和緊湊的完整射頻解決方案。

SDR 實(shí)施的重要性源于其在 O-RAN 系統(tǒng)中的作用。三個(gè)最重要的 O-RAN 標(biāo)志是分解、虛擬化和軟件化，最后一個(gè)由 SDR 提供。軟件化是實(shí)現(xiàn) URLLC、eMBB 和 mMTC 功能的基礎(chǔ)。此外，基于 SDR 的系統(tǒng)靈活、可升級(jí)和可互操作，使操作員無(wú)需不斷更換硬件即可控制 RAN。SDR 還可以遵守 RIC 生成的指令，這對(duì)于 RAN 優(yōu)化和自動(dòng)化至關(guān)重要。

軟件定義網(wǎng)絡(luò) (SDN)

軟件定義網(wǎng)絡(luò) (SDN) 是控制平面功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能之間的物理分離。典型的 SDN 架構(gòu)分為三個(gè)部分：應(yīng)用層、控制層（SDN 控制器運(yùn)行的地方）和物理基礎(chǔ)設(shè)施。各層通過(guò) API 相互通信（北向 API 用于應(yīng)用程序控制通信，南向 API 用于控制基礎(chǔ)設(shè)施）。SDN 提高了可編程性并實(shí)現(xiàn)了更高水平的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化和優(yōu)化。它還在結(jié)構(gòu)內(nèi)提供類似云的功能，允許從物理層、數(shù)據(jù)分析算法和通過(guò)虛擬覆蓋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)虛擬化的集中計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)控制抽象。系統(tǒng)虛擬化支持 5G 中最重要的功能之一：

網(wǎng)絡(luò)切片是指將物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，這些虛擬網(wǎng)絡(luò)是獨(dú)一無(wú)二的，并且針對(duì)特定的服務(wù)或應(yīng)用程序進(jìn)行了優(yōu)化。每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)或切片只能配置執(zhí)行特定任務(wù)所需的特定資源，例如自動(dòng)駕駛汽車、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和移動(dòng)服務(wù)。這種技術(shù)最明顯的優(yōu)勢(shì)是資源分配的優(yōu)化和調(diào)整，以滿足特定客戶和細(xì)分市場(chǎng)的需求?？蛻舳朔?wù)可以分為 eMBB、mMTC 和 urLLC，每個(gè)類別都有自己的吞吐量、帶寬、延遲和魯棒性要求（圖 4）。網(wǎng)絡(luò)切片是通過(guò)結(jié)合使用 SDN、SDR、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、數(shù)據(jù)分析和自動(dòng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。端到端自動(dòng)化，特別是，

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圖 4：這是 5G 網(wǎng)絡(luò)切片的圖像。（來(lái)源：每惡習(xí)）

要設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)切片方法，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 (NFV) 至關(guān)重要。這種方法可以實(shí)現(xiàn) RAN 和核心網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化，這些功能曾經(jīng)由硬件執(zhí)行，例如路由、擴(kuò)展、安全和負(fù)載平衡。通過(guò)在軟件中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，運(yùn)營(yíng)商無(wú)需更換硬件，即可使用最先進(jìn)的算法不斷更新網(wǎng)絡(luò)功能，節(jié)省時(shí)間，降低安裝成本和客戶干擾。此外，NFV 允許通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)時(shí)重新調(diào)整用途和重新分配功能，以及對(duì) RAN 資源進(jìn)行切片間和切片內(nèi)控制。

用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的 SDR 和 SDN/NFV

5G 系統(tǒng)所需的大量數(shù)據(jù)吞吐量很容易使最先進(jìn)的 LTE 網(wǎng)絡(luò)不堪重負(fù)。例如，典型的基于 CPRI 的 LTE 前傳通常處理大約 10-20 MHz 的通道帶寬，這在 10 通道連接中轉(zhuǎn)換為大約 10 Gbps。另一方面，5G 處理 100 MHz 到 500 MHz 范圍內(nèi)的帶寬，并且通過(guò)大規(guī)模 MIMO 擴(kuò)展，前傳吞吐量可以達(dá)到 Tbps 范圍。CPRI 光纖已經(jīng)不夠用了，需要優(yōu)化技術(shù)，例如增強(qiáng)型 CPRI (eCPRI)。在 eCPRI 接口前傳中，物理層功能在 RRU 和 DU 之間以優(yōu)化的比例進(jìn)行拆分，從而增加了 RUU 的復(fù)雜度，同時(shí)減少了前傳的負(fù)載。性能優(yōu)化的要求不僅限于前傳，因?yàn)橘Y源實(shí)例化的位置、訪問(wèn)和管理都很大程度上取決于服務(wù)切片的要求。在這種情況下，基于 SDR 和 SDN/NFV 的結(jié)構(gòu)（圖 5）可以提供幫助。

5G 優(yōu)化有幾種不同類型的編排和控制。例如，軟件定義的 RAN (SD-RAN) 社區(qū)正在開(kāi)發(fā)與 O-RAN 兼容的開(kāi)源 RIC 控制器。SD-RAN 項(xiàng)目專注于開(kāi)發(fā)近實(shí)時(shí) RIC (nRT-RIC)，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)控制的動(dòng)態(tài)和延遲，其中最突出的是開(kāi)源 μO(píng)NOS-RIC。除了開(kāi)源特性外，μO(píng)NOS-RIC 還兼容基于 AI/ML 的應(yīng)用程序，可針對(duì)大規(guī)模 MIMO、自組織網(wǎng)絡(luò) (SON) 和智能無(wú)線電資源管理 (RRM) 進(jìn)行優(yōu)化。最近開(kāi)發(fā)的另一項(xiàng)優(yōu)化技術(shù)是跨層控制器 (CLC)，它應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)切片之間的資源分配和配對(duì)，具體取決于實(shí)時(shí)監(jiān)控的 RAN 條件。

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圖 5：SDN/NFV 可應(yīng)用于 5G RAN 以優(yōu)化性能。（來(lái)源：每惡習(xí)）

在基于O-RAN的架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要目標(biāo)是提高各種條件下的整體性能，防止網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，并以最小的服務(wù)損失解決問(wèn)題。它通過(guò)不斷測(cè)量 KPI 和眾包信息，并做出相應(yīng)的控制和調(diào)整單元的決策來(lái)做到這一點(diǎn)。這可以防止擁塞、過(guò)載和干擾，并減少延遲。在 O-RAN 中，通過(guò) nRT-RIC 執(zhí)行優(yōu)化。外部智能可以在 nRT-RIC 之上運(yùn)行，根據(jù) AI/ML 算法做出決策。AI/ML 驅(qū)動(dòng)的 nRT-RIC 支持使用高級(jí)管理算法，例如動(dòng)態(tài)頻譜共享 (DSS) 和 NSSI 資源分配優(yōu)化。

在 O-RAN 架構(gòu)中，Split Option 7-2x LLS 符合多種優(yōu)化技術(shù)，包括波束成形優(yōu)化。波束成形可通過(guò)將射頻波束聚焦到特定位置來(lái)提高數(shù)據(jù)吞吐量和并行連接數(shù)量，并提高網(wǎng)絡(luò)的功率效率和信噪比。大規(guī)模 MIMO 天線在波束成形優(yōu)化中發(fā)揮著重要作用。在這些系統(tǒng)中，控制器設(shè)定一個(gè)全局優(yōu)化目標(biāo)，每個(gè) MIMO 小區(qū)對(duì)波束做出部分貢獻(xiàn)。SDR BBU 是 MIMO 天線動(dòng)態(tài)和相干協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)。

當(dāng)前研究和 5G O-RAN 測(cè)試平臺(tái)

面向 O-RAN 的 5G 架構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中引入了若干挑戰(zhàn)。研究人員仍在嘗試解決幾個(gè)技術(shù)瓶頸，例如如何為 AI 代理提供短開(kāi)銷數(shù)據(jù)訪問(wèn)，如何設(shè)計(jì)穩(wěn)健的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制回路，以及每個(gè) RAN 組件的確切角色和要求是什么。SD-RAN 社區(qū)是試圖解決這些問(wèn)題的研究團(tuán)隊(duì)之一。如前所述，SD-RAN 開(kāi)發(fā)了一種與 AI/ML 應(yīng)用程序兼容的開(kāi)源 nRT-RIC，它為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制回路和智能分配提供了必要的技術(shù)和抽象。另一方面，OpenRF 協(xié)會(huì)的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一個(gè)高度互操作的 5G 生態(tài)系統(tǒng)，包括射頻硬件和軟件，以降低集成成本和上市時(shí)間，同時(shí)保持足夠的靈活性和定制化。如果不使用強(qiáng)大的 SDR 和 SDN，SD-RAN 和 OpenRF 項(xiàng)目都不可行。

不討論模擬器，特別是斗獸場(chǎng)試驗(yàn)臺(tái)，就不可能討論 5G 研究。Colosseum 是世界上最大的網(wǎng)絡(luò)仿真器測(cè)試平臺(tái)，擁有 256 個(gè) SDR，能夠仿真多達(dá) 65536 個(gè)射頻通道 (100 MHz)。這個(gè)龐大的系統(tǒng)可以與 GNU Radio、MATLAB 和大多數(shù) DSP 技術(shù)一起使用，并為 AI/ML 算法、MIMO 系統(tǒng)和一般的 O-RAN 提供了一個(gè)很好的測(cè)試框架。Colosseum 還可以模擬路徑損耗、多路徑和衰落，提供類似于現(xiàn)實(shí)生活環(huán)境的射頻條件。Leonardo Bonati 研究團(tuán)隊(duì)最近使用 Colosseum 驗(yàn)證了使用通過(guò) xApps 在 nRT-RIC 之上運(yùn)行的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí) (DRL) 代理進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制的可行性。該算法與 O-RAN 兼容，通過(guò)為每個(gè) RAN 切片選擇最適合的調(diào)度策略來(lái)操作，同時(shí)考慮 URLLC、MTC 和 eMBB。與其他方法相比，DRL 系統(tǒng)的頻譜效率提高了 20%，緩沖區(qū)占用率降低了 37%。

結(jié)論

本文討論了 5G 移動(dòng) SBA 系統(tǒng)的許多方面，包括編排、實(shí)施、管理和功能，重點(diǎn)關(guān)注 Open-RAN 架構(gòu)。Open-RAN 社區(qū)正在通過(guò)在 RRU 和 BBU 之間使用開(kāi)放和分解的接口標(biāo)準(zhǔn)來(lái)推動(dòng)新型 5G 解決方案的開(kāi)發(fā)。在這種情況下，SDR 和 SDN 通過(guò)提供 RNA 的靈活性、互操作性、軟件化和虛擬化（實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片和 DSS 等獨(dú)特 5G 功能的基本工具）在 5G 革命中發(fā)揮著重要作用。SDR 在新技術(shù)開(kāi)發(fā)和 5G 研究中也得到高度應(yīng)用，應(yīng)用于軟件化、實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制、AI/ML 應(yīng)用和大規(guī)模 RAN 仿真。

審核編輯 黃昊宇