王學(xué)靈（上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司，上海200092）

1 概述

未來5G網(wǎng)絡(luò)因為頻段和業(yè)務(wù)的需求，將呈現(xiàn)出密集、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，基站數(shù)量和部署密度將遠超現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)。隨著軟件定義網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（SDN/NFV）技術(shù)的不斷發(fā)展，移動網(wǎng)絡(luò)核心側(cè)設(shè)備的虛擬化技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。軟硬件技術(shù)和能力不斷增強，各大廠商和運營商也開始研究無線側(cè)虛擬化。為了提供一個能夠面向應(yīng)用、開放靈活、低成本和易維護的網(wǎng)絡(luò)，無線接入側(cè)網(wǎng)絡(luò)虛擬化研究成為業(yè)界研究的熱點。

2 未來無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 5G無線網(wǎng)架構(gòu)

3GPP的5G新無線接入技術(shù)（NR）架構(gòu)如圖1所示［1］（核心網(wǎng)架構(gòu)和網(wǎng)元詳見文獻［3］），gNB基站為終端提供NG的用戶面（UP）和控制面（CP），eLTE eNB（升級后的LTE基站）為終端提供E-UTRA的用戶面和控制面，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范里會同時提供NR和E-UTRA的用戶面和控制面。gNB之間、eLTE eNB之間、NR與eLTE eNB之間通過Xn接口互連。基站與核心側(cè)網(wǎng)關(guān)（NG-CP/UPGW）通過NG接口實現(xiàn)多對多連接。

圖1 5G NR架構(gòu)

5G建網(wǎng)初期，為了節(jié)省投資和快速組網(wǎng)，采用3GPP的option3/3A的可能性會較大，通過eLTE eNB接入LTE核心網(wǎng)EPC，實現(xiàn)5G高速率業(yè)務(wù)，之后隨著網(wǎng)絡(luò)演進，逐步過渡到option7/7A和option5架構(gòu)（純5G架構(gòu)）。

2.2 CU和DU切分

5G將無線基站切分（split）成2個邏輯功能實體：集中單元（CU）與分布單元（DU），架構(gòu)如圖2所示［2］。gNB由1個gNB-CU和1個或者多個gNB-DU組成，gNB-DU根據(jù)分離功能的設(shè)置，實現(xiàn)gNB的功能，其功能實現(xiàn)由gNB-CU進行控制。gNB-CU與gNB-DU之間通過F1接口連接。CU側(cè)重于無線網(wǎng)功能中非實時性的部分（主要是無線高層協(xié)議，并承接部分核心側(cè)的功能），便于實現(xiàn)云化和虛擬化；DU負責(zé)除CU功能之外的所有無線側(cè)功能，側(cè)重于物理層功能和實時性需求，目前尚不適用于功能的虛擬化，可采用專用硬件實現(xiàn)。3GPP TR定義了8種［1］CU和DU切分方案，option1～option8，邏輯位置分別在 RRC、PDCP、RLC、MAC、PHY之后，其中option2為高層切分方案，是標(biāo)準(zhǔn)化重點，DU的部分物理層的功能可以上移至RRU完成。CU可與移動邊緣計算（MEC）共同部署于相應(yīng)的DC機房，實現(xiàn)業(yè)務(wù)快速創(chuàng)新和快速上線，也節(jié)省了DU至RRU的傳輸資源。

圖2 NG-RAN架構(gòu)圖

CU和DU分離的好處是：有效降低前傳帶寬需求，卸載/分流DC本地流量；提升協(xié)作能力，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能；硬件部署靈活，成本降低；支持端到端的網(wǎng)絡(luò)切片（slice）；部分核心側(cè)功能下移，降低了系統(tǒng)時延。

2.3 UP和CP分離

5G對時延的要求非常高，需要將相關(guān)的網(wǎng)元下沉（對應(yīng)于運營商網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)中的邊緣DC），網(wǎng)元數(shù)量劇增，勢必會造成網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度（由類似“樹”型結(jié)構(gòu)變成MESH結(jié)構(gòu)）升高，導(dǎo)致運營商投入巨大，信令的迂回也是很大問題。因此，5G網(wǎng)絡(luò)將控制面與用戶面分離以適應(yīng)SDN架構(gòu)的需求，支持網(wǎng)絡(luò)可編程、可定制，將控制邏輯集中到控制面，降低分散式部署帶來的成本，解決信令迂回和接口壓力問題；提升網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活性，支撐網(wǎng)絡(luò)切片；便于控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離（LTE實現(xiàn)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，但不是完全的UP和CP分離［14］），方便網(wǎng)絡(luò)演進和升級；支持多廠商設(shè)備的互操作［1］。結(jié)合了UP和CP分離、CU和DU分離的5G RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示，CU和DU切分采用option2方案。

圖3 5G RAN邏輯功能

從以上分析可以看出，5G無線網(wǎng)架構(gòu)為運營商未來網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)做好了準(zhǔn)備，CU和DU分離、UP和CP分離，可以為無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化及MEC提供較為完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3 無線網(wǎng)虛擬化技術(shù)

無線網(wǎng)的虛擬化從2個方面分析，即網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化。網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化是對移動網(wǎng)無線側(cè)的頻譜資源、功率資源、空口資源進行虛擬化，網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化的結(jié)果作為網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的基礎(chǔ)；網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化是對無線接入網(wǎng)的數(shù)據(jù)單元和控制單元以及部分核心側(cè)的功能虛擬化。通過這2個方面的虛擬化，實現(xiàn)對無線網(wǎng)資源的有效調(diào)度和利用，從而提升資源使用效率并很好地支撐5G網(wǎng)絡(luò)切片。無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化與承載/核心網(wǎng)絡(luò)虛擬化相比，結(jié)構(gòu)和特性更加復(fù)雜，不僅要考慮無線環(huán)境的不確定性、系統(tǒng)內(nèi)外的干擾、信令調(diào)度開銷以及高速移動性等問題，還要考慮前傳、中傳和回傳網(wǎng)絡(luò)的容量和時延限制問題。

3.1 無線資源虛擬化

無線資源包括頻域資源、時域資源、空域資源、功率資源以及傳輸帶寬等資源。無線資源的虛擬化是通過SDN/NFV技術(shù)，將這些資源池化，通過映射等手段，使無線網(wǎng)資源的調(diào)度和配置與具體的網(wǎng)絡(luò)資源無關(guān)，即調(diào)度和配置時對無線網(wǎng)絡(luò)資源進行屏蔽，從而達到對無線網(wǎng)資源的最大化利用［4］。

如圖4所示，虛擬網(wǎng)絡(luò)控制器負責(zé)網(wǎng)絡(luò)虛擬化，根據(jù)業(yè)務(wù)需求自動生成網(wǎng)絡(luò)拓撲，并向虛擬資源控制器申請網(wǎng)絡(luò)資源。節(jié)點鏈路控制器是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)可分配資源和不同業(yè)務(wù)申請所需資源的情況，進行底層網(wǎng)絡(luò)資源與網(wǎng)絡(luò)需求的合理分配［9］。

圖4 網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化

3.2 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化是通過NFV/SDN［7］技術(shù)來實現(xiàn)。NFV技術(shù)（上層業(yè)務(wù)云化，底層硬件標(biāo)準(zhǔn)化）將網(wǎng)絡(luò)功能轉(zhuǎn)移到邊緣云中的虛擬機（VMs）中，采用成熟商用的服務(wù)器（COTS），這些VMs通過SDN技術(shù)實現(xiàn)與核心云VMs的互聯(lián)互通。虛擬機可以較為容易地實現(xiàn)資源的分配與隔離，即軟件功能與硬件能力的解耦，從而支撐5G網(wǎng)絡(luò)的切片。為了滿足不同業(yè)務(wù)對時延等的不同需求，可以選擇將網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)置在邊緣VMs還是核心VMs。

NFV分層視圖如圖5所示，管理和編排（MANO——Management and Orchestration）包括3個層次。

圖5 NFV分層視圖

a）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（NF）的管理和編排，包括面向業(yè)務(wù)場景的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與編排、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的生命周期管理。

b）虛擬網(wǎng)元（VNF）的管理與編排，包括虛擬網(wǎng)元的生命周期管理、虛擬網(wǎng)元相關(guān)的虛擬資源管理、虛擬網(wǎng)元的配置管理。

c）虛擬資源的管理和編排，包括NFV基礎(chǔ)設(shè)施虛擬資源管理（計算能力、存儲容量、網(wǎng)絡(luò)功能）。

無線側(cè)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)承載能力與覆蓋需求的分離，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能力的配置不受物理位置的限制，從而更好地為5G切片服務(wù)。

3.3 無線網(wǎng)虛擬化面臨的挑戰(zhàn)

無線網(wǎng)虛擬化技術(shù)作為未來無線網(wǎng)絡(luò)演進的方向，在為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端到端虛擬化帶來種種好處的同時，還因為目前的軟硬件技術(shù)限制存在如下挑戰(zhàn)。

a）通用硬件能力不足，對無線信號處理達不到專用設(shè)備的水平。無線網(wǎng)的發(fā)展需要密集型計算，通用硬件在功耗和處理能力上遠不如專用設(shè)備，同時，5G時代的超低時延要求也是通用設(shè)備難以滿足的。

b）無線網(wǎng)虛擬化比核心網(wǎng)更復(fù)雜。無線基站是分散部署的，集中化管理面臨挑戰(zhàn)，虛擬化設(shè)備的部署也是分散的，需要在成千上萬個基站及匯聚點通過支持虛擬化技術(shù)的通用設(shè)備，安裝并實時運行靠近用戶側(cè)的軟件。而核心側(cè)的虛擬化雖然較為昂貴，但是因為集中度較高，實現(xiàn)難度相對較低。

c）無線網(wǎng)虛擬化軟件產(chǎn)品和虛擬化標(biāo)準(zhǔn)化也是需要注意的問題?，F(xiàn)網(wǎng)以及可預(yù)見的5G網(wǎng)絡(luò)，都將是多廠家設(shè)備共存的網(wǎng)絡(luò)，開放和標(biāo)準(zhǔn)化程度直接影響最終的部署。

4 無線網(wǎng)虛擬化進展

4.1 行業(yè)組織的RAN變革思路

TIP（Telecom Infra Project）是由 Facebook 主導(dǎo)于2016年2月成立的一個開放組織，旨在加速全球電信行業(yè)變革步伐，推動軟件開源與硬件通用化。其OpenRAN工作組的主要目標(biāo)是開發(fā)基于通用處理平臺（GPPP——General Purpose Processing Platform）和分解軟件的完全可編程RAN解決方案，側(cè)重于將vRAN解決方案分解為不同的組件，并確保每個組件都能有效地部署在通用處理平臺上，以便從軟件驅(qū)動開發(fā)的靈活性和更快的創(chuàng)新速度中受益[15]。

開放無線接入網(wǎng)（O-RAN）聯(lián)盟，由中國移動于2018年2月世界GTI峰會上倡導(dǎo)成立的，該聯(lián)盟將CRAN聯(lián)盟和xRAN論壇的成果相結(jié)合，旨在引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)演進方向，推動新一代無線接入網(wǎng)絡(luò)的開放水平。該聯(lián)盟將積極推進RIC（Radio Intelligent Controller）、CU、DU及RU間等重要接口重新定義。通過軟件開源、接口標(biāo)準(zhǔn)化、硬件白盒化和網(wǎng)絡(luò)智能化等設(shè)計，實現(xiàn)最大化復(fù)用共享，從而提高無線網(wǎng)絡(luò)對多樣化業(yè)務(wù)的支撐能力，降低設(shè)備成本和運營成本。2018年6月上海移動大會（MWCS）期間，中國電信加入O-RAN聯(lián)盟。O-RAN聯(lián)盟已有階段性標(biāo)準(zhǔn)面世，自2018年4月發(fā)布1.0版前傳規(guī)范后，2018年7月份又發(fā)布了2.0版本，在1.0版本的開放RRU與BBU接口的基礎(chǔ)上，完成了管理面（M-plane）的標(biāo)準(zhǔn)化。

4.2 中國移動C-RAN架構(gòu)

C-RAN概念是中國移動在2009年提出的，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和演進逐步完善。C-RAN是集中處理、協(xié)作、云化和綠色的無線接入網(wǎng)，可以降低基礎(chǔ)設(shè)施投入，提高網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率，實現(xiàn)資源共享，并有效解決高能耗問題。C-RAN是相對于傳統(tǒng)的分散式RAN（D-RAN）來說的，也可稱之為軟件定義RAN（SD-RAN）［12］或者 vRAN（虛擬 RAN）［5］，通過 BBU 的集中化處理實現(xiàn)無線網(wǎng)的虛擬化。中國移動基于CU和DU切分的C-RAN架構(gòu)［6］如圖6所示。在物理部署上，根據(jù)基站前傳條件，分為DU集中堆疊和DU分布式部分2種方式［6］，DU放置位置的高低，將決定其提供服務(wù)的范圍，位置越高可以實現(xiàn)更多資源的統(tǒng)一調(diào)度，對DU的能力要求也相應(yīng)更高。目前作為C-RAN的初級階段，BBU主要為集中堆疊方式，預(yù)計5G初期DU也以集中堆疊方式為主。

圖6 中國移動提出的CU和DU切分的C-RAN架構(gòu)

RAN的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化主要是指CU的虛擬化，CU可以采用通用化的設(shè)備來實現(xiàn)支持無線網(wǎng)的功能以及部分下沉的核心網(wǎng)功能，并可以結(jié)合MEC實現(xiàn)邊緣應(yīng)用能力［10］。DU可以采用專用設(shè)備或通用設(shè)備實現(xiàn)，引入NFV框架之后，通過網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編排和管理，在SDN架構(gòu)下實現(xiàn)對CU和DU的資源虛擬化管理。C-RAN技術(shù)不僅僅是針對5G網(wǎng)絡(luò)的，還可以針對現(xiàn)有制式基站進行虛擬化［8］。

4.3 中國電信網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)架構(gòu)

中國電信技術(shù)創(chuàng)新中心提出的5G無線網(wǎng)解決方案智能無線接入網(wǎng)（S-RAN——Smart RAN），無線網(wǎng)虛擬技術(shù)是S-RAN的關(guān)鍵技術(shù)［13］。中國電信CTNet2025目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)特征是簡潔、敏捷、開放、集約，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)可視、資源隨選、用戶自服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)能力［11］（見圖7）。目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)分為3層，即基礎(chǔ)設(shè)施層、網(wǎng)絡(luò)功能層和協(xié)同編排層，無線網(wǎng)功能分為功能抽象層和專用設(shè)施2個部分，配合CTNet2015目標(biāo)架構(gòu)的DC化改造方案，將移動網(wǎng)絡(luò)描述成“三朵云”（“控制云”“轉(zhuǎn)發(fā)云”“接入云”），“接入云”將無線網(wǎng)分成 2 部分：vBBU（Cloud-RAN-CU）和專用硬件DU/RRU 2部分。另外，移動邊緣內(nèi)容與計算（MECC——Mobile Edge Computing and Content）也與“接入云”融合，以滿足超低時延業(yè)務(wù)、大容量業(yè)務(wù)的本地緩存需求。

圖7 中國電信CTNet2025移動網(wǎng)目標(biāo)架構(gòu)

無線網(wǎng)虛擬化技術(shù)的研究比承載網(wǎng)滯后，因此中國電信對無線網(wǎng)虛擬化的考慮尚無明確的計劃表。根據(jù)2018年6月發(fā)布的《中國電信5G技術(shù)白皮書》要求，5G初期優(yōu)先采用CU和DU合設(shè)部署，以較低的復(fù)雜度實現(xiàn)快速、低成本網(wǎng)絡(luò)部署，但需要進行模塊化設(shè)計，易于分解，方便未來實現(xiàn)CU和DU分離架構(gòu)。

4.4 運營商vRAN后續(xù)推進建議

國內(nèi)運營商從4G時代開始，積極推動無線網(wǎng)虛擬化技術(shù)演進，從之前的C-RAN、ONAP到現(xiàn)在的ORAN，多年的研究和推動也形成了一些無線網(wǎng)虛擬化的積極的思路和解決方案，并進行了部署試驗。但無線網(wǎng)虛擬化還需要考慮很多問題，因為全網(wǎng)存在百萬級的基站，每個站點虛擬化的推出與其他任何新技術(shù)的大規(guī)模推廣類似，是一個循序漸進的過程。5G即將商用部署，vRAN的實現(xiàn)深度有待期盼。同時在時機成熟時（如產(chǎn)業(yè)鏈的成熟），在有效保護現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備投資的前提下，考慮對現(xiàn)有4G網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)進行虛擬化改造。最終推進全網(wǎng)的虛擬化，實現(xiàn)真正的Open RAN。

5 結(jié)論與展望

無線網(wǎng)虛擬化牽涉到百萬級的基站，是個漫長的過程。另外，無線網(wǎng)虛擬化如何與MEC融合、如何支撐5G網(wǎng)絡(luò)切片等問題，也需要不斷推進和融合。無線網(wǎng)演進的終極目標(biāo)是TIP、O-RAN等組織提出的Open RAN軟件開源、接口開放、硬件通用，而vRAN只是實現(xiàn)這個目標(biāo)的前提條件之一。5G將是無線網(wǎng)虛擬化的一個契機，還需業(yè)界共同努力。