一文读懂 5G 架构中的软件定义无线电和网络

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随着 5G 最后到达终端消费者，无线通信的世界即将出现变化。5G 最大的承诺之一是大规模设备通信，为革命性的物联网系统供给动力，例如自动驾驶汽车、元宇宙硬件、游戏虚拟现实 (VR) 和智能工厂。这场革命所需的有些 5G 技术包含设备对设备 (M2M) 通信、大规模设备类型通信 (mMTC)、超靠谱低延迟通信 (uRLLC) 和加强型移动宽带 (eMBB)。在这种状况下，基站的优化针对供给低延迟连接、频谱和处理资源的最佳共享以及密集的小蜂窝安排至关重要。另外，5G 将供给跨多技术网络的融合网络通信，以及与卫星、蜂窝网络、云、数据中心和家庭网关合作的开放通信系统。另外，5G 系统将是自主的，并且能够按照所需的 QoS 自动调节，以动态处理应用驱动的网络。这里背景下，咱们将这里讨论经过开放无线电接入网络 (O-RAN) 技术实现的 5G 基于移动服务的架构 (SBA) 的编排。本文还探讨了 5G 中软件定义无线电 (SDR) 和软件定义网络 (SDN) 的运用，它们支持网络功能虚拟化 (NFV)、网络切片、云/边缘计算、人工智能 (AI) 和设备学习（ML）。

5G网络架构

5G 结构的第1个构成部分是传输网络，它将 5G RAN 连接到核心网络。它能够分为三种结构：前传、中传和回传（见图1）。分布式单元（DU）通过前传网络连接到远程无线电单元（RRU），每一个DU能够覆盖从几千米到50多千米的距离，掌控多个天线。中程经过将分布式单元 (DU) 链接到中央单元 (CU) 来执行中间连接。最后，回程链路将中央单元和远程/移动系统连接到核心网络。

图1：5G 网络架构由三种结构构成除传输网络外，5G 核心网络还包括多个用于拜访和掌控的组件。在 SBA 架构中，组件摆列在一组互连的网络功能 (NF) 中，包含NF存储库功能（NRF）、网络切片选取功能（NSSF）、策略掌控功能（PCF）、用户平面功能（UPF）、会话管理功能（SMF）、接入和移动管理功能（AMF）和数据网络(DN)。在用户设备(UE) 端，经过 gNB 节点掌控和执行拜访，这些节点经过NG 接口与 AMF 和 UPF 服务通信。NG接口承载用户面和掌控面协议：用户面实现PDU（Protocol Data Unit）会话，掌控面掌控会话和与网络的连接，包含服务请求和传输资源。拜访和移动管理功能 (AMF) 和数据网络 (DN)。在用户设备 (UE) 端，经过 gNB 节点掌控和执行拜访，这些节点经过 NG 接口与 AMF 和 UPF 服务通信。NG接口承载用户面和掌控面协议：用户面实现PDU（Protocol Data Unit）会话，掌控面掌控会话和与网络的连接，包含服务请求和传输资源。拜访和移动管理功能 (AMF) 和数据网络 (DN)。在用户设备 (UE) 端，经过 gNB节点掌控和执行拜访，这些节点经过 NG 接口与 AMF 和 UPF 服务通信。NG接口同期承载用户面和掌控面协议：用户面实现PDU（Protocol Data Unit）会话，掌控面掌控会话和与网络的连接，包含服务请求和传输资源。为了更好地认识 5G 的优良，让咱们将其与巨大的 4G/LTE 技术进行比较。首要，5G 技术的核心基本区别，运用毫米波、大规模 MIMO 连接、云原生软件设计和高水平的系统虚拟化。其次，3GPP 5G 是基于服务的架构，这寓意着系统元素被定义为网络功能 (NF)，为其他拥有授权拜访权限的 NF 供给服务。基于服务的性质比 4G/LTE 实施更具吸引力，由于它供给了网络切片、功能虚拟化、基于云的系统以及与Open-RAN 技术更好的兼容性。另外，UPF 的实现，以解耦网关掌控和用户平面，以及 AMF，将会话管理与连接和移动性管理掰开，在 4G 协议中找不到。在 5G 中，用户平面和掌控平面是解耦的，由于 UE 流量是 4G 的 1000 倍。最后，5G 系统准许运用更小、更专业的网络小区，例如 fempto 小区和 pico 小区。5G 最重要的方面之一是 RAN 元素的解耦和虚拟化，它准许更智能、动态和灵活的网络区别应用。RAN 研发运动的前沿是开放式 RAN (O-RAN) 架构。经过开放 RAN 组件之间的接口，O-RAN 准许运营商在同一系统中结合区别的供应商，从而加强灵活性并让运营商能够自由地与选取的技术供给商合作。在O-RAN中，基站分为两个：集中单元（CU）和分布式单元（DU）（图2）。CU 负责更大的时间尺度功能，而 DU 负责时间关键任务。在链的末端，远程无线电单元 (RRU) 管理所有 RF 通信和组件，例如调制、编码、和避免干扰。在协议栈方面，CU处理高层，DU管理低层，RRU处理理学层。CU 和 DU 之间的开放接口叫作为高层拆分 (HLS)，而 DU 和 RRU 之间的连接由低层拆分 (LLS) 接口构成。所有 O-RAN 应用程序都在 RAN智能掌控器 (RIC) 上运行。RIC 平台供给对 RAN 组件的抽象，集成优化和自动化算法。所有 O-RAN 应用程序都在 RAN 智能掌控器 (RIC) 上运行。RIC 平台供给对 RAN 组件的抽象，集成优化和自动化算法。所有 O-RAN 应用程序都在 RAN 智能掌控器 (RIC) 上运行。RIC 平台供给对RAN 组件的抽象，集成优化和自动化算法。

图2：表示了开放式 RAN (O-RAN) 架构

软件无线电 (SDR)

软件定义无线电或 SDR 是由于模拟无线电前端 (RFE)、基于 FPGA 的数字单元和混合信号接口构成的无线电系统，一般经过 ADC 和 DAC。RFE 负责接收和发送 RF 信号的模拟部分，由 DAC/ADC 接口离散化。RFE 是电路的重要构成部分，由于它定义了信号范围、通道数和带宽。市场上性能最高的 RFE 可实现 3GHz 的瞬时带宽，运用多达 16 个独立通道。SDR 的核心是一个配置有 DSP 功能的 FPGA：调制/解调、上/下变频和数据分组。FPGA 是完全可重构的数字规律矩阵，因此呢同一系统能够支持多种处理算法、最先进的协议、乃至在不改变硬件的状况下实现人工智能。SDR 供给低延迟、灵活性、高互操作性（针对 5G 理学层很重要）和大规模 MIMO 功能——针对波束赋形和空间复用非常有用。一个商场例子是Per Vices 的Cyan SDR（图 3），可用作 5G 基站和测试台/仿真器的核心。

图3：Per Vices Cyan 可用于 5G 基站在 5G 环境中，RRU 和基带单元 (BBU) 都能够包括一个或多个 SDR 单元来执行无线电关联功能，从而供给兼容性、互操作性和灵活性。例如，在 gNodeB 5G BBU 中，与 RRU 的连接是运用 eCPRI 光纤实现的。在这些状况下，SDR 必须同期包括eCPRI 和千兆以太网 (GBE) 端口，以及处理 MIMO天线的能力。另一方面，RRU SDR 需要符合应用的频率范围，它能够属于 FR1 或 FR2 类别。FR1（频率范围 1）涵盖 6GHz 以下频率（600 至 6000 MHz），而 FR2（频率范围 2）涵盖 24.25 至 52.6GHz 的频带。与 FR1 相比，FR2 频段适用于更短距离/更高带宽的应用。必须选取并配置 RRU SDR 以在所需频谱内工作。小型蜂窝亦从 SDR 实施中受益，由于市场上很容易得到轻巧、低功耗和紧凑的完整射频处理方法。SDR 实施的重要性源于其在O-RAN 系统中的功效。三个最重要的 O-RAN 标志是分解、虚拟化和软件化，最后一个由 SDR 供给。软件化是实现 URLLC、eMBB 和 mMTC 功能的基本。另外，基于 SDR 的系统灵活、可升级和可互操作，使操作员无需持续更换硬件就可掌控 RAN。SDR 还能够遵守 RIC 生成的指令，这针对 RAN 优化和自动化至关重要。

软件定义网络 (SDN)

软件定义网络 (SDN) 是掌控平面功能和转发功能之间的理学分离。典型的 SDN 架构分为三个部分：应用层、掌控层（SDN 掌控器运行的地区）和理学基本设备。各层经过 API 相互通信（北向 API 用于应用程序掌控通信，南向 API 用于掌控基本设备）。SDN 加强了可编程性并实现了更高水平的网络自动化和优化。它还在结构内供给类似云的功能，准许从理学层、数据分析算法和经过虚拟覆盖网络进行系统虚拟化的集中计算和网络掌控抽象。系统虚拟化支持 5G 中最重要的功能之一：网络切片指的是将理学网络划分为多个虚拟网络，这些虚拟网络是独一无二的，并且针对特定的服务或应用程序进行了优化。每一个虚拟网络或切片只能配置执行特定任务所需的特定资源，例如自动驾驶汽车、物联网设备和移动服务。这种技术最显著的优良是资源分配的优化和调节，以满足特定客户和细分市场的需要。客户端服务能够分为 eMBB、mMTC 和 urLLC，每一个类别都有自己的吞吐量、带宽、延迟和鲁棒性需求（图 4）。网络切片是经过结合运用 SDN、SDR、网络功能虚拟化、数据分析和自动化来实现的。

图4：这是 5G 网络切片的图像端到端自动化，尤其是要设计网络切片办法，网络功能虚拟化 (NFV) 至关重要。这种办法能够实现 RAN 和核心网络功能的虚拟化，这些功能曾经由硬件执行，例如路由、扩展、安全和负载平衡。经过在软件中实现网络功能，运营商无需更换硬件，就可运用最先进的算法持续更新网络功能，节省时间，降低安装成本和客户干扰。另外，NFV 准许经过网络切片实时重新调节用途和重新分配功能，以及对 RAN 资源进行切片间和切片内掌控。

用于优化网络资源的 SDR 和 SDN/NFV

5G 系统所需的海量数据吞吐量很容易使最先进的 LTE 网络不堪重负。例如，典型的基于 CPRI 的 LTE 前传一般处理大约 10-20 MHz 的通道带宽，这在 10 通道连接中转换为大约 10 Gbps。另一方面，5G 处理 100 MHz 到 500MHz 范围内的带宽，并且经过大规模 MIMO 扩展，前传吞吐量能够达到 Tbps 范围。CPRI 光纤已然不足用了，需要优化技术，例如加强型 CPRI (eCPRI)。在 eCPRI 接口前传中，理学层功能在 RRU 和 DU 之间以优化的比例进行拆分，从而增多了 RUU 的繁杂度，同期减少了前传的负载。性能优化的需求不仅限于前传，由于资源实例化的位置、拜访和管理都很大程度上取决于服务切片的需求。在这种状况下，基于 SDR 和 SDN/NFV 的结构（图5）能够供给帮忙。5G 优化有几种区别类型的编排和掌控。例如，软件定义的 RAN (SD-RAN) 社区正在研发与 O-RAN 兼容的开源 RIC 掌控器。SD-RAN 项目专注于研发近实时 RIC (nRT-RIC)，以优化网络掌控的动态和延迟，其中最明显的是开源µONOS-RIC。除了开源特性外，µONOS-RIC 还兼容基于 AI/ML 的应用程序，可针对大规模 MIMO、自组织网络 (SON) 和智能无线电资源管理 (RRM) 进行优化。近期研发的另一项优化技术是跨层掌控器 (CLC)，它按照实时监控的 RAN 要求应用于网络切片之间的资源分配和配对。

图5：SDN/NFV 可应用于 5G RAN 以优化性能在基于O-RAN的架构中，网络优化的重点目的是加强各样要求下的整体性能，防止网络不稳定，并以最小的服务损失处理问题。它经过持续测绘 KPI 和众包信息，并做出相应的掌控和调节单元的决策来做到这一点。这能够防止拥塞、过载和干扰，并减少延迟。在 O-RAN 中，经过 nRT-RIC 执行优化。外边智能能够在 nRT-RIC 之上运行，按照 AI/ML 算法做出决策。AI/ML 驱动的 nRT-RIC 支持运用高级管理算法，例如动态频谱共享 (DSS) 和 NSSI 资源分配优化。在 O-RAN 架构中，SplitOption 7-2x LLS 符合多种优化技术，包含波束成形优化。波束成形可经过将射频波束聚焦到特定位置来加强数据吞吐量和并行连接数量，并加强网络的功率效率和信噪比。大规模 MIMO 天线在波束成形优化中发挥着重要功效。在这些系统中，掌控器设定一个全局优化目的，每一个 MIMO 小区对波束做出部分贡献。SDR BBU 是 MIMO 天线动态和相干协调的基本。

当前科研和 5G O-RAN 测试平台

面向 O-RAN 的 5G 架构在网络设计中引入了若干挑战。科研人员仍在尝试处理几个技术瓶颈，例如怎样为 AI 代理供给短开销数据拜访，怎样设计稳健的数据驱动掌控回路，以及每个 RAN 组件的确切角色和需求是什么。SD-RAN 社区是试图处理这些问题的科研团队之一。如前所述，SD-RAN 研发了一种与 AI/ML 应用程序兼容的开源 nRT-RIC，它为数据驱动的掌控回路和智能分配供给了必要的技术和抽象。另一方面，OpenRF 协会的目的是研发一个高度互操作的 5G 生态系统，包含射频硬件和软件，以降低集成成本和上市时间，同期保持足够的灵活性和定制化。倘若不运用强大的 SDR 和 SDN，SD-RAN 和 OpenRF 项目都不可行。不讨论模拟器，尤其是斗兽场实验台，就不可能讨论 5G 科研。Colosseum 是世界上最大的网络仿真器测试平台，持有 256 个 SDR，能够仿真多达 65536 个射频通道 (100 MHz)。这个庞大的系统能够与 GNU Radio、MATLAB 和大都数 DSP 技术一块运用，并为 AI/ML 算法、MIMO 系统和通常的 O-RAN 供给了一个很好的测试框架。Colosseum 还能够模拟路径损耗、多路径和衰落，供给类似于现实生活环境的射频要求。Leonardo Bonati 科研团队近期运用 Colosseum 验证了运用经过 xApps 在 nRT-RIC 之上运行的深度强化学习 (DRL) 代理进行网络掌控的可行性。该算法与 O-RAN 兼容，经过为每一个 RAN 切片选取最适合的调度策略来操作，同期思虑 URLLC、MTC 和 eMBB。与其他办法相比，DRL系统的频谱效率加强了 20%，缓冲区占用率降低了 37%。

结论

本文讨论了 5G 移动 SBA 系统的许多方面，包含编排、实施、管理和功能，重点关注 Open-RAN 架构。Open-RAN 社区正在经过在 RRU 和 BBU 之间运用开放和分解的接口标准来推动新型 5G 处理方法的研发。在这种状况下，SDR 和 SDN 经过供给 RNA 的灵活性、互操作性、软件化和虚拟化（实现网络切片和 DSS 等独特 5G 功能的基本工具）在 5G 革命中发挥重要功效。SDR 在新技术研发和 5G 科研中亦得到高度应用，应用于软件化、实时监控和掌控、AI/ML 应用和大规模 RAN 仿真。

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