張科，李冬（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司廣東分公司，廣州 510623）

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標準與規(guī)范

移動基站虛擬化標準用例研究

張科，李冬
（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司廣東分公司，廣州 510623）

歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）定義了9個不同的NFV用例，涵蓋了無線接入、固網(wǎng)接入、企業(yè)/家庭、CDN、核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等不同場合。本文對其中移動基站虛擬化進行技術(shù)分析，研究該場景用例的發(fā)展歷程、實現(xiàn)路徑以及可能面臨的問題，為理解移動基站虛擬化提供較為全面的參考。

NFV；移動基站；虛擬化

NFV的主要目標是通過開發(fā)標準的IT虛擬化技術(shù)，將各類型網(wǎng)元設(shè)備的功能在工業(yè)化標準的高性能硬件上實現(xiàn)，由此推動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變革。近期NFV發(fā)布了“Network Functions Virtualisation： Use Cases”，在這份用例文檔中介紹了為用戶提供云計算服務(wù)的不同模式，以及在特定網(wǎng)絡(luò)和細分市場中的一些應用。這些初始定義的用例不歸屬于特定的運營商，其內(nèi)容也并非詳盡無遺漏，在未來隨著技術(shù)發(fā)展極有可能被更新。該文檔定義了服務(wù)模式及用例的商業(yè)和技術(shù)環(huán)境，為將來NFV ISG深入討論技術(shù)要求和架構(gòu)提供方向上的指導。服務(wù)提供商、企業(yè)、消費者都可以圍繞該文檔進一步推動NFV發(fā)展和演進。其它行業(yè)論壇，如Small Cell Forum，也可能在考慮網(wǎng)絡(luò)虛擬化的應用配置時參考。

1 NFV方案及用例定義

NFV ISG認為傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)中各類設(shè)備，包括軟交換、服務(wù)通用分組無線業(yè)務(wù)支持節(jié)點（SGSN）、網(wǎng)關(guān)通用分組無線業(yè)務(wù)支持節(jié)點（GGSN）、呼叫會話控制功能（CSCF）、歸屬用戶服務(wù)器（HSS）、接入設(shè)備、防火墻、深度分組分析（DPI）、寬帶遠程接入服務(wù)（BRAS）、PE 路由器、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）設(shè)備等，可以演進為虛擬功能網(wǎng)元（VNF），部署在通用硬件設(shè)備上。如圖1所示。

NFV應用領(lǐng)域非常廣泛，在已發(fā)布的 NFV 用例文檔中，介紹了9個不同的用例，涵蓋了無線接入、固網(wǎng)接入、企業(yè)/家庭、CDN、核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等不同場合。如圖2所示。運營商根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際情況，選擇用例中的某個或多個，或者在9個以外的場景中進行應用。具體如下。

#1： Network Functions Virtualisation-as-a-Service。

#2： Virtual Network Functions-as-a-Service。

圖1　傳統(tǒng)方案和NVF方案對比

#3： Virtual Network Platform-as-a-Service。

#4： VNF Forwarding Graphs。

#5： Virtualisation of Mobile Core Network

and IMS。

#6： Virtualisation of Mobile Base Station。

#7： Virtualisation of the Home Environment。

#8： Virtualisations of CDNs。

#9： Fixed Access Network Functions Virtualisation。 2.1 移動基站虛擬化目標

在研究NFV提出的“移動基站虛擬化”之前，有必要先了解無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)從分布式走向集中式的轉(zhuǎn)變，這將是實現(xiàn)無線接入網(wǎng)虛擬化的架構(gòu)基礎(chǔ)。集中式或者說無線接入網(wǎng)虛擬化和池化，又被稱為Cloud-RAN（C-RAN），它在定義時并沒有涉及NFV的相關(guān)概念。

圖2　NFV用例概述

2 移動基站虛擬化

集中式的無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)旨在解決以下幾個方面的問題。

2.1.1 覆蓋和容量

集中式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠很容易地使用類似CoMP、e-ICIC的功能，協(xié)調(diào)資源，提升容量，消除干擾；相比傳統(tǒng)單一網(wǎng)絡(luò)，同時開啟CoMP和e-ICIC可以增加約30倍系統(tǒng)容量；同時，它提供的負載均衡功能非常適用于流量分布不均勻的場景；隨著終端的移動，服務(wù)RRH在不停變動，但是服務(wù)BBU始終處于同一個BBU池內(nèi)。

2.1.2 傳輸架構(gòu)和配套

部分算法如CoMP、e-ICIC，對時延有嚴苛的要求（小于10 ms）。一般來說，現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)承載X2接口無法達到該時延要求。集中化方式也可以減少站點數(shù)量，從而簡化網(wǎng)絡(luò)同步。

空間/主機托管，空調(diào)等其它站點配套設(shè)備的功耗可以大大降低。

2.1.3 部署、運行和維護

能夠?qū)崿F(xiàn)更快的系統(tǒng)部署，相對分布式建設(shè)方式能夠減少1/3建設(shè)周期；能夠集中管理和維護，節(jié)省用在傳統(tǒng)RAN網(wǎng)絡(luò)中大量基站相關(guān)的運維成本。

2.1.4 TCO（Total Cost of Ownership）

中國移動在C-RAN技術(shù)白皮書中指出，集中式組網(wǎng)下OPEX和CAPEX可以分別降低53%和30%。

基站集中式部署初步達到了構(gòu)建高效綠色無線接入網(wǎng)的目的，但是它沒有打破基站基于專有平臺的模式。不同廠家間設(shè)備互通性能差，開發(fā)、部署和升級的時間周期仍然很長。

NFV在用例文檔中，進一步完善了集中化BBU資源池的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，指出通過基站虛擬化實現(xiàn)不同系統(tǒng)的RAN節(jié)點之間資源共享、動態(tài)分配以及能耗降低。不同制式的基站通過虛擬化可以實現(xiàn)更有效的資源整合。如圖3所示。

圖3　NFV用例中的LTE集中化架構(gòu)

NFV定義的移動基站虛擬化引入了第三方軟件服務(wù)提供商，利用IT虛擬化技術(shù)，在標準的IT服務(wù)器、存儲和交換機上實現(xiàn)RAN部分功能。這種模式極大地降低了行業(yè)壁壘，為整個生態(tài)系統(tǒng)帶來競爭和創(chuàng)新。移動基站虛擬化包含了兩方面的工作內(nèi)容：要求基帶處理使用IT虛擬化技術(shù)，如高性能通用處理器，實時處理虛擬化，來保證達到信號處理的能力要求；要求構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)功能虛擬資源池，用于在集中虛擬化環(huán)境里整合資源，如BBU池。

在LTE標準中，基站負責物理層PHY、MAC、RLC（Radio Link Control）、RRC和 PDCP（Packet Data Convergence Protocol）等功能。其中物理層PHY承載了絕大部分的密集運算任務(wù)，包括信道編碼/解碼，傅里葉變換/反變化等。對應地，基站虛擬化有兩個主要目標。

對于傳統(tǒng)RAN節(jié)點，如eNode B，Home eNode B，F(xiàn)emto/Picocell，虛擬化目標包括基帶處理單元，MAC、RLC、PDCP、RRC，控制面和CoMP。

對于C-RAN架構(gòu)，虛擬化目標是包含上述功能的BBU以及交換功能、負載均衡功能等。

圖4　LTE基站功能分割

2.2 移動基站虛擬化過程及關(guān)鍵技術(shù)

虛擬化移動基站首先要依據(jù)NFV體系框架進行軟、硬件解耦?；鶐С貑卧▓D4虛線內(nèi)部分）應該采用NFV概念中的COTS，指可以采購到的具有開放式標準定義的接口的軟件或硬件產(chǎn)品，從而降低成本，優(yōu)化CAPEX。基帶單元實時處理能力要求比較高，這是普通IT運算設(shè)備無法滿足的。目前隨著云架構(gòu)的增強和x86處理能力不斷提升，逐步能保證基帶運算的實時要求。

虛擬化消除了網(wǎng)絡(luò)功能和硬件之間的依賴關(guān)系，更重要的工作是將網(wǎng)絡(luò)功能重定義為虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能（VNFs），并創(chuàng)建標準化的執(zhí)行環(huán)境和管理接口。

圍繞虛擬化、集中化，需要對傳統(tǒng)基站進行功能劃分。一般來說，分解為兩部分：可供虛擬的網(wǎng)絡(luò)功能和物理網(wǎng)絡(luò)功能（Physical Network Function）。其中，可供虛擬化部分稱為vBS（virtual Base Station），作為一個VNF運行在NFV標準框架內(nèi)。如圖5所示。NFVI（Network Function Virtualized Infrastructure）由硬件和軟件組成，用來建立VNFs部署的環(huán)境。它提供多租戶框架，利用標準IT虛擬化技術(shù)可以同時支持多個用例和應用領(lǐng)域。如vBS、vMME、vGW、vDPI等。NFVO執(zhí)行NFVI資源的編排功能，它能跨多個VIM和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的生命周期管理；NFVO在進行部署、配置、容量管理和策略管理時需與OSS /BSS進行交互。VNF Manager負責執(zhí)行VNFs的編排和管理功能，同時VNFM為了部署、配置、故障和報警管理與EM和VNF進行交互。VIM則在一個域內(nèi)執(zhí)行NFVI資源的編排和管理功能，并為虛擬化資源的管理和編排與NFVI進行交互。

圖5　NFV架構(gòu)（虛擬化基站）

圖6　vBS虛擬化過程

vBS內(nèi)部虛擬化過程如圖6所示。作為VNF需要確定對哪些協(xié)議或組件進行虛擬化，理論上來說，虛擬化可能發(fā)生在每個協(xié)議層或者協(xié)議層之間的接口上。但是，考慮到3GPP LTE標準中對實施運算能力和層間反饋回路上時間的要求，采取如下方式：L1物理層劃分為兩部分，一部分采用MPU硬件架構(gòu)，采用ACC加速處理能力。另一部分采用虛擬機（VM）運行在高速處理器上；L2和L3分別封裝為VNF，與SON、RRM等管理功能集中部署在虛擬資源池中。

從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生命周期來看，相比于傳統(tǒng)基站，虛擬化基站具有如表1所示的特點。

2.3 移動基站虛擬化面臨問題

在參照NFVI重新對基站功能進行切分后，首先將面臨傳輸帶寬上的挑戰(zhàn)。即BBU之間、BBU與RRH之間（圖6中Fronthaul）的大帶寬需求和低時延要求。當前主要采用兩種主要的商業(yè)標準：CPRI（Common Public Radio Interface）和OBSAI（Open Base Station Architecture Initiative），但不同廠家之間不能完全兼容。ETSI最近推出了Fronthaul技術(shù)的新標準ORI（Open Radio Interface），有望支持包括光纖在內(nèi)的多種媒介，未來甚至可能引入基于SDN的傳送方式。

表1　vBS相比傳統(tǒng)基站的特點

移動基站虛擬化的其它難點還包括實時處理算法的實現(xiàn)；基帶處理池的虛擬化；對小區(qū)負載的動態(tài)處理能力；以及如何保證在商用硬件上保證實時特性等。這些也導致在協(xié)議設(shè)計時必須考慮額外的運算時延及抖動。

3 結(jié)語

隨著NFV第一個“兩年計劃”階段目標的成功實現(xiàn)，NFV ISG現(xiàn)已啟動第二個“兩年計劃”的發(fā)展議程。當前NFV標準化和概念驗證已經(jīng)取得了較大的進展，移動通信業(yè)界也提出了部分NFV實現(xiàn)方案，但是實際場景部署仍處于初始探索階段，需要后續(xù)加大推動力量。

移動基站虛擬化打破了傳統(tǒng)基站開發(fā)部署模式，降低行業(yè)壁壘，為整個生態(tài)系統(tǒng)帶來競爭和創(chuàng)新。而它本身作為無線網(wǎng)絡(luò)未來演進的主要方向，將給網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)帶來了深刻的影響。

［1］ Aditya Gudipati， Daniel Perry， Li Erran Li， Sachin Katti， “SoftRAN：Software Defined Radio Access Network”， Stanford university， 2013，8.

［2］ 程瑩. SDN與NFV的協(xié)同應用研究. 電信技術(shù)，2015（7）.

［3］ 趙河，華一強，郭曉琳，“NFV技術(shù)的進展和應用場景”，郵電設(shè)計技術(shù)，2014（6）.

［4］ ETSI GS NFV 001 Network Functions Virtualisation（NFV）；Use Cases，2013年10月.

［5］ 薛海強，張昊，“網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化及其標準化”，《中興通信技術(shù)》，2015年2月

［6］ ETSI White Paper， “NFV Performance & Portability Best Practises”， 2014年6月，

［7］ 中國移動，“C-RAN The Road Towards Green RAN”，白皮書，2011年10月

News

工業(yè)和通信業(yè)推薦性標準集中復審工作全面啟動

5月26日，為部署工業(yè)和通信業(yè)推薦性標準集中復審工作，工業(yè)和信息化部科技司組織召開了推薦性標準集中復審工作培訓會。部科技司副司長沙南生在會上作了動員講話。

沙南生指出，開展推薦性標準集中復審工作是國務(wù)院《深化標準化工作改革方案》中確定的重要任務(wù)之一。本次工業(yè)和通信業(yè)推薦行標準集中復審工作涉及19個行業(yè)，4萬余項標準，行業(yè)多、數(shù)量大、時間緊、任務(wù)重。各單位要深刻領(lǐng)會集中復審工作的重要意義，堅持用先進標準倒逼“中國制造”升級，全面提升標準技術(shù)水平；堅持科學合理地界定好推薦性標準的界限，優(yōu)化和完善現(xiàn)有標準體系；堅持通過深化改革增加標準有效供給，為團體標準的培育發(fā)展營造良好環(huán)境。

沙南生強調(diào)，各單位在集中復審工作中要落實責任，精心組織、扎實推進。要做到全面覆蓋、避免遺漏，全體動員、各盡其職，全程跟蹤、嚴格把關(guān)。特別是要注重把握好程序關(guān)、質(zhì)量關(guān)和時間關(guān)，確保按期保質(zhì)完成工業(yè)和通信業(yè)推薦性標準集中復審任務(wù)。

部內(nèi)相關(guān)司局、相關(guān)行業(yè)協(xié)會（聯(lián)合會）和企業(yè)、有關(guān)標準化技術(shù)組織和標準化專業(yè)機構(gòu)等近80人參加了會議。會議就工業(yè)和通信業(yè)推薦性標準集中復審總體要求、復審范圍、職責分工、復審內(nèi)容和要求等進行了培訓和討論。（工信部科技司）

Research on the virtualization of mobile base station

ZHANG Ke， LI Dong
（China Mobile Group Institute Co.，Ltd. Guangdong Branch， Guangzhou 510623， China）

The European Telecommunications Standards Institute defines nine different NFV use cases， covering wireless access， fi xed-line access， business /family， CDN， core network， data centers and other occasions. This paper analysis the mobile station virtualization technology （virtualization of mobile base station），studying the scene with the example of the development process and achieve path and may face problem. It provides a more comprehensive reference in understanding the mobile station virtualization.

NFV； mobile station； virtualization

TN929.5

A

1008-5599（2016）06-0033-06

2015-10-28