5G网络中基于云的体系结构研究

董春利，王 莉，张 晖

（1.南京交通职业技术学院 电子信息工程学院，江苏 南京 211188；2.上海剑曦信息科技有限公司，上海 200051；3.南京邮电大学 信息与通信工程学院，江苏 南京 210003）

1 云计算基础架构

云计算基础架构提供按需、简单、可扩展的方式访问可配置资源的共享池，而不必担心资源管理[1]。蜂窝移动通信包含了云，对通信系统可以提供其好处。我们将看到用于5G网络基于云的体系结构或基于云的无线接入网络（Cloudbased Radio Access Network，C-RAN）。

第一个C-RAN由中国移动研究院提出[2]。所有C-RAN的基本思想，都是在云中执行服务器消息区块（Server Message Block，MBS）的大部分功能，从而将MBS的功能划分为控制层和数据层，如图1所示。控制层和数据层的功能分别在云中和MBS中执行。因此，C-RAN提供动态的服务分配方案，用于在不安装昂贵的网络设备的情况下扩展网络。

具体而言，MBS具有两个主要组件：（1）基带单元（BBU，用于使用基带处理器来实现基带处理）；（2）远程无线电头端（Remote Radio Head，RRH）（用于执行无线电功能）。大部分的C-RAN将基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）放在云中，留在MBS中。因此，C-RAN提供了一个易于扩展和灵活的架构。在本文结尾处可看到C-RAN的优势。

2 5G网络中部署C-RAN面临的挑战

（1）有效的前传数据传输技术：MBS功能的灵活的云端是以从RRH到BBU的有效前传数据为代价的。向云端快速有效地传输数据对C-RAN的性能具有相应的影响[3]。

（2）实时性能：因为将使用C-RAN而不是为用户提供所有服务的MBS，所以需要像MBS一样快速地传输和处理云中的所有数据；否则，使用C-RAN很难发现实时问题的解决方案。

（3）可靠性：云提供商对其硬件和软件无故障执行不作任何保证。因此，使用C-RAN很难模拟无差错的MBS。

（4）安全性：云的资源由多个用户共享，永远不受单一权威的控制。因此，恶意用户可能容易访问C-RAN的控制层，将导致更严重的问题。

（5）可管理性：十分清楚，不安全的C-RAN可以被任何云用户接入，这对C-RAN的可管理性带来了额外的挑战。此外，在特定时间间隔内，云资源的动态分配是一个关键问题。否则，C-RAN可能会面临额外的延迟。

图1 5G网络中基于云的体系结构

3 5G网络中C-RAN架构

3.1 2层C-RAN架构

作者提出了两种基于MBS功能划分的C-RAN架构：①全集中的C-RAN，其中BBU和MBS的所有其他更高级功能位于云端，而RRH仅位于MBS中；②部分集中的C-RAN，其中RRU和BBU的一些功能位于MBS中，而BBU的其余功能和MBS更高级别的功能位于云端。因此，作者提出了仅使用2层，即实现C-RAN的控制层和数据层，如下所示[2]。

3.1.1 数据层

它包含异构物理资源（例如无线接口设备）和执行信号处理任务（例如信道解码，解复用和快速傅里叶变换）。

3.1.2 控制层

执行基带处理和资源管理（应用交付、QoS、实时通信、无缝移动、安全、网络管理、调节和功率控制）。

Rost等[3]介绍了具有控制层和数据层的RAN-as-aservice（RANaaS）概念。但是，在RANaaS中，根据网络要求和特性，云提供灵活和按需的RAN功能（如网络管理，拥塞控制，无线资源管理，媒体访问控制和物理层管理）。因此，不需要将功能提前分配给控制层和数据层，RANaaS提供了更多的弹性。

至此人们可以清楚C-RAN将如何工作。但是，为了实现实时性能，执行延迟关键型应用的RRH可能会连接到附近的小型云，而其他未遵守实时应用的RRH可能会连接到更大的云。软空气也是一个双层C-RAN，它执行移动性管理，资源有效的网络虚拟化以及云中的分布式和协作式流量平衡。

3.2 3层C-RAN架构

全集中的C-RAN架构有一些缺点，如数据层和控制层之间原始基带样本的连续交换，而控制层通常远离数据层，导致处理延迟。

为了消除这些缺点，Liu等[4]提出了云和蜂窝系统的融合（CONCERT）。在这个架构中，控制层的顶部引入了一个软件定义服务层。CONCERT中各层的功能如下。

3.2.1 数据层

与全集中的C-RAN数据层相同，RRH具有不太强大的计算资源，对应用级计算。

3.2.2 控制层

作为一个逻辑上集中的实体工作。控制层协调数据层资源，并提供软件定义的服务层的软件资源。控制层提供到数据层的服务有：无线接口管理，有线网络管理，位置感知计算管理。

3.2.3 软件定义的服务层

作为一个虚拟的基站（BS），向数据层提供服务（例如，应用交付，QoS，实时通信，无缝移动，安全，网络管理，调节和功率控制）。

Wu等[5]通过将整个RAN移动到云，增强了C-RAN架构和RANaaS。所提出的架构也有3层，其中数据层和控制层与C-RAN的各层相同。第三层称为服务层，在云中执行，并提供比文献[3]的软件定义服务层更多的功能，例如流量管理、小区配置、干扰控制、功能组件分配给物理元素，以及视频流媒体服务。

4 5G网络中C-RAN的优势

4.1 网络管理简单

C-RAN便于按需安装虚拟资源并执行基于云的资源，以动态管理干扰、流量、负载平衡、移动性以及做协作信号处理。

4.2 降低成本

部署和安装MBS来提高网络容量非常耗时，成本也很高。然而，C-RAN的部署无成本，并提供了像MBS一样的常规服务。因此，运营商只需要在MBS中部署、安装和操作RRH。

4.3 节省用户和MBS的能量

C-RAN允许用户和MBS将其耗能任务转移到附近的云，从而节省了用户和MBS的能量。

4.4 改善频谱利用率

C-RAN可以在参与的MBS之间共享CSI，流量数据和移动业务的控制信息，从而增加了MBS之间的协作，并减少了干扰。

5 结语

从数据层到控制层，基于MBS的功能选择是关键的一步。然而，选择在云和MBS中执行的功能是不平凡的。安全性和隐私问题与受云计算影响的C-RAN关联。因此，C-RAN的发展必须同时处理与云和无线蜂窝通信相关的、固有的挑战。

[参考文献]

[1]PANWAR N，SHARMA S，SINGH A K.A survey on 5G：The next generation of mobile communication[J]. Physical Communication，2016（18）：64-84.

[2]RAN C.The road towards green RAN[EB/OL].（2017-05-06）[2018-03-13].http://labs.chinamobile.com/cran/wp-content/uploads/CRAN_white_paper_v2_5_EN.pdf.

[3]ROST P，BERNARDO S C J，DOMENICO A D，et al.Cloud technologies for flexible 5G radio access networks[J].Communications Magazine，2014（5）：68-76.

[4]LIU J，ZHAO T，ZHOU S，et al.Concert: a cloud-based architecture for next-generation cellular systems[J].Wireless Communications，2014（6）：14-22.

[5]WU J，ZHANG Z，HONG Y，et al.Cloud radio access network（C-RAN）：a primer[J].Network，2015（1）：35-41.