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随着 5G 时代的到来，无线通信将迎来新的变化，5G 的三大典型应用场景包含海量设备类通信 (mMTC)、超靠谱低延迟通信 (URLLC) 和加强型移动宽带 (eMBB)。另外，5G 还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、数据中心和家庭网相关合的开放通信系统。
5G网络架构 5G网络有接入网、承载网、核心网三部分。接入网通常是无线接入网(RAN)，重点由基站（Base station）构成。一个基站，一般包含BBU(重点负责信号调制)、RRU(重点负责射频处理)，馈线(连接RRU和天线)，天线(重点负责线缆上导行波和空气中空间波之间的转换)。4G每一个基站都有一个BBU，并通过BBU直接连到核心网。而在5G网络中，接入网再也不是由于BBU、RRU、天线这些东西组成为了。而是被重构为以下3个功能实体：CU(Centralized Unit，集中单元)，DU(Distribute Unit，分布单元)，AAU(Active Antenna Unit，有源天线单元)。原来4G的RRU和天线合并成AAU，把BBU分离成CU和DU，DU下沉到AAU处，一个CU能够连接多个DU。4G仅有前传和回传两部分，在5G网络中则演变为三个部分，AAU连接DU部分叫作为5G前传（Fronthaul），中传（Middlehaul）指DU连接CU部分，而回传（Backhaul）是CU和核心网之间的通信承载。（见图1）。 图 1：5G 网络的三个构成部分5G 核心网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接口分为NG-C接口（NG-RAN和5GC之间的掌控面接口）和NG-U接口（NG-RAN和5GC之间的用户面接口），承载掌控面和用户面协议：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，用户面实现PDU（Protocol Data Unit）会话。5G 是基于服务的架构，基于服务的特性比 4G/LTE 更具吸引力，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 的实现解耦了网关掌控和用户平面，AMF将会话管理与连接和移动性管理掰开。在 5G 中，用户平面和掌控平面是解耦的。5G 最重要的方面之一是 RAN 元素的解耦和虚拟化，经过O-RAN架构，运营商能够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选取技术供给商。在O-RAN中，基站分为两个：CU和DU（图2）。CU 负责处理非实时协议和服务，而 DU 负责处理理学层协议和实时服务。在链的末端，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。 图 2：O-RAN
软件无线电 (SDR) 软件定义无线电（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。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，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 3 GHz 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、高互操作性和大规模 MIMO 功能（针对波束赋形和空间复用非常有用）。在 5G 架构中，RRU 和BBU都可以包括一个或多个 SDR 单元。例如，在 gNB 5G BBU 中，经过eCPRI光纤实现与RRU的连接。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 (Frequency Range 1)的频段范围为600 ~ 6000mhz, FR2 (Frequency Range 2)的频段范围为24.25 ~ 52.6 GHz）。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 ，使其工作在所需的频谱范围内。SDR 的重要性源于其在 O-RAN 系统中的功效。O-RAN 最重要的三个标志，解耦、虚拟化和软件化，其中软件化便是由 SDR 供给。软件化是实现 URLLC、eMBB 和 mMTC 的基本。另外，基于 SDR 的系统是灵活的、可升级的、可互操作的，无需持续更换硬件就能够掌控 RAN。SDR 还遵守 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、掌控层和理学基本设备。各层之间经过 API 相互通信（北向 API 用于应用掌控通信，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。它还供给类似云的功能，准许从理学层进行集中计算和网络掌控抽象、数据分析算法，并经过虚拟overlay网络实现系统虚拟化，从而实现了5G最重要的功能之一：网络切片。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 3）。网络切片是经过结合运用 SDN、SDR、网络功能虚拟化（NFV）、数据分析和自动化来实现的。尤其是端到端的自动化针对实现实时网络适应性、设计和掌控单个RAN中的海量切片至关重要。 图 3：5G 网络切片NFV针对网络切片至关重要，NFV能够实现曾经由硬件执行的RAN 和核心网络功能的虚拟化。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，节省时间且成本更低。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 系统所需的高吞吐量让LTE 网络不堪重负。例如，典型的基于 CPRI 的 LTE 前传一般处理约 10-20 MHz 的信道带宽，在 10 信道转换为大约 10 Gbps。而 5G 处理 100 MHz 到 500 MHz 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 的架构（图 4）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)，以优化网络控制的动态和延迟，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。另一种近期发展起来的优化技术是跨层掌控器(cross layer - controller, CLC)，它按照实时监控的RAN要求，应用于网络片之间的资源分配和配对，经过SDR和SDN系统进行跨层管理，并按照一组目的KPI进行调节。 图 4：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在各样状况下加强整体性能，防止网络不稳定，并以最小的损害处理问题。它经过持续测绘 KPI 和众包信息，并做出相应的掌控和调节决策，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，Split Option 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 单元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。面向 O-RAN 的 5G 架构给网络设计带来了有些挑战。科研人员仍在尝试处理技术瓶颈，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，以及每一个 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所需的技术和抽象。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、加快上市速度，同期保持足够的灵活性和定制化。SD-RAN 和 OpenRF 项目都需要强大的 SDR 和 SDN。
小 结 本文讨论了 5G SBA 系统的编排、实施、管理和功能等多个方面，着重介绍了 Open-RAN 架构。日前Open-RAN 社区正在经过在 RRU 和 BBU 之间运用开放和解耦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 能够供给灵活性、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。*本文源自于SDNLAB编译自EDNASIA
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发表于 2024-8-30 20:04:41