5G RAN云化探讨及展望

［徐灿辉 江瑞仪］

1 背景

5G的时代虽然已经来临，但移动网络的发展并不是简单的新旧交替，多样性的技术将长期共存，包括3G、4G、5G以及WiFi等非授权频谱的接入技术，这势必会增加网络的复杂程度。在5G时代，需要支持多种业务场景，比如更高带宽更低时延的eMBB业务，支持海量用户的mMTC业务，支持超低时延、高可靠的工业物联网URLLC业务。

因此，未来的移动网络将面临多业务、多商业模式等新挑战，各业务对速率、连接数、时延等网络性能指标要求差异极大，这就要求网络能够支持快速弹性的扩容。这一切都将驱动移动网络架构的演进，从无线接入网的角度看，未来网络存在如下需求：

①灵活的无线资源管理需求

②空口协调和站点协作需求

③功能灵活部署及边缘计算的需求

④增强网络自动化管理的需求

运营商在未来逐渐向综合平台运营商转型，如何提供一个能够面向各类应用、高效、灵活、低成本、易维护、开放的网络平台，将是运营商在5G时代竞争力的核心所在。随着5G研究及标准化的深入推进，无线网络云化得到业界的高度认可和广泛支持，而通过无线接入网的云化则可实现无线网资源灵活调整、支持无线网络切片的创建，满足以用户为中心网络的MEC业务边缘部署的需求，实现资源的高效利用。

2 5G RAN云化需求及面临的挑战

无线网络云化的核心思想是实现资源与应用的解耦，云化有两层含义：一方面，全部处理资源可属于一个完整的逻辑资源池。资源分配不再像传统网络那样在单独的站点内进行。另一方面，空口的无线资源也可以抽象为一类资源，实现无线资源与无线空口技术的解耦，支持灵活无线网络能力调整。

为了应对5G的需求场景，并满足网络及业务发展需求，未来的5G网络将更加灵活、智能、融合和开放。在中国电信提出的5G技术白皮书中提到，5G目标网络逻辑架构可总结为“三朵云”网络架构，包括接入云、控制云和转发云三个逻辑域，如图1所示。

“三朵云”5G网络将是一个可依业务场景灵活部署的融合网络。控制云完成全局的策略控制、会话管理、移动性管理、策略管理、信息管理等，并支持面向业务的网络能力开放功能，实现定制网络与服务，满足不同新业务的差异化需求，并扩展新的网络服务能力。接入云将支持用户在多种应用场景和业务需求下的智能无线接入，并实现多种无线接入技术的高效融合，无线组网可基于不同部署条件要求，进行灵活组网，并提供边缘计算能力。转发云配合接入云和控制云，实现业务汇聚转发功能，基于不同新业务的带宽和时延等需求，转发云在控制云的路径管理与资源调度下，实现增强移动宽带、海量连接、高可靠和低时延等不同业务数据流的高效转发与传输，保证业务端到端质量要求。“三朵云”5G网络架构由控制云、接入云和转发云共同组成，不可分割，协同配合，并可基于SDN/NFV技术实现。

图1 5G“三朵云”网络架构示意图

5G接入云将是一个多拓扑形态、多层次类型、动态变化的网络，可针对各种业务场景选择集中式、分布式和分层式部署，可通过灵活的无线接入技术，实现高速率接入和无缝切换，提供极致的用户体验。

5G接入云功能需求包括新型无线接入技术、灵活资源协同管理、跨制式系统深度融合、无线网络虚拟化、边缘计算与无线能力开放等。5G无线网络部署需综合考虑业务应用属性、网络功能特性、网络环境条件等多重因素，将所选择的网络功能在5G无线网络物理节点进行合理部署，因此实际部署中面临以下挑战。

①有效的前传数据传输技术：灵活的云端是以从RRU/AAU到BBU的有效前传数据为前提的，向云端快速有效地传输数据将最终影响网络性能。

②硬件性能瓶颈：云化、虚拟化软件运行的硬件基础设施能否实现传统专有硬件那样可靠性和性能。

③架构及接口优化：虚拟化后的网络功能并不能简单平移传统架构，而是需要更进一步通过软件架构的优化，向上满足差异化业务诉求，向下实现与基础设施无关的电信级业务质量保障。

④数据的边缘处理：如果所有处理都上到云端，数据上下行的路程较长。如虚拟现实、增强现实等应用，若把数据处理都放到云端，将会占用了核心网络带宽，因此需根据业务类型分级处理、因地制宜，部分业务可在网络边缘层直接进行处理。

3 5G RAN云化探讨及展望

5G RAN网络需要构建快速、灵活、高效的协同机制，实现不同无线接入系统的融合，提升移动网络资源利用率，进而大大提升用户的业务体验。未来移动通信将是以用户为中心的全方位信息生态系统，通信技术与IT技术的深度结合，将IT计算与服务能力部署于移动接入网络边缘，逐步实现虚拟化和云化，为用户提供在各种环境下的个性化、多样化的优质移动宽带服务。

（1）构建基于CU/DU架构的RAN协同集群管理

为了满足5G网络的需求，运营商和主设备厂商等提出多种无线网络架构。按照协议功能划分方式，3GPP标准化组织提出了面向5G的无线接入网功能重构方案，引入CU-DU架构。5G 系统中采用CU-DU 分离架构后，传统BBU和RRU网元及其逻辑功能都会发生很大变化。其中，CU负责完成非实时的无线高层协议功能、部分核心网下沉功能和边缘应用；DU负责完成物理层功能，实时性需求的层2功能。部分物理层功能上移至 RRU/AAU，以节约DU 与RRU /AAU之间的传输功能。引入SDN/NFV实现含CU/DU 在内的端到端灵活资源编排能力和配置能力，构建云化接入网。

基于集中/分布单元 CU/DU的两级架构与无线云化的结合，将在未来构成5G RAN 的基本元素。以往RAN云化技术进展较慢的最大的原因是无线处理单元难以实现虚拟化，首先需要考虑的是CU设备的形态，CU设备通过基于功能软件、虚拟化层、通用硬件的三层解耦，如图2所示。

图2 CU云化示意图

运营商网络建设可采用大集中和小集中等各种组网方式,基站之间可建立更快、更灵活、更有效的合作机制,从而实现了小区之间资源调度和管理, 提高了网络资源的使用率以及用户体验。集中接入控制能提高接入网功能,干扰管理、网络能源效率、多RAT协调和基站缓存。因此，基于CU/DU 分离架构的5G网络，可以有效的支持多连接，基站间协同等技术，更好的提高网络吞吐量，降低干扰，提升用户体验，有效支持增强移动带宽业务；同时，通过将多个DU 或者RRU/AAU 连接到一个CU，由CU 进行区域物联网的集中管控，可实现对机器通信和物联网支持。最后，将RAN 的实时处理DU 和非实时处理功能单元CU 部署在更加靠近用户的位置，并配置相应的服务器和业务网关，满足特定的时延和可靠性需求，这种RAN架构可有效的支持低时延、高可靠业务。

（2）接入网虚拟化，采用云雾结合方式

尽管云计算拥有强大的计算和存储资源池，但云处理所在的数据中心往往是集中化的且距离终端设备较远，当面对大量的分布广泛的终端设备及所上传的海量数据时，不可避免地遇到了三大难题：

①网络拥塞：如果所有应用部署在云端，将会有海量的数据涌入核心网络，容易造成核心网络拥塞；

②高延迟： 终端设备与云端服务器数据传输距离大将导致较大的网络延迟时间，实时性要求高的应用时延要求难以保证；

③可靠性无法保证：可靠性和安全性要求较高的应用，若从终端到云端的距离远，在云端实时备份的可靠性难以保证。

为满足物联网和人工智能等应用的需求，作为云计算的延伸扩展，雾计算的概念应运而生。雾计算是一种分布式的计算模型，它提供计算、网络和存储设备，让基于云的服务可以离用户更近。雾计算主要使用边缘网络中的设备，可以是传统网络设备，也可以是专门部署的本地服务器。这些设备的资源能力都远小于一个数据中心，但是它们庞大的数量可以弥补单一设备资源的不足。

雾计算可以初步处理数据以便实时决策，提供临时存储以提升用户体验，而云计算则可以负责大运算量任务，与雾计算优势互补。通过雾计算，可以将一些并不需要放到云上的数据在网络边缘层直接进行处理和存储，提高数据分析处理的效率，降低时延，减少网络传输压力，提升安全性。

雾计算以其广泛的地理分布、带有大量网络节点的大规模支持高移动性和实时互动以及多样化的软硬件设备和云在线分析等特点，迅速被物联网和人工智能应用领域的企业所接受并获得广泛应用，例如，M2M、人机协同、智能电网、智能交通、智能家居、智能医疗、无人驾驶等应用。与边缘计算不同的是，雾计算可以将基于云的服务拓展到网络边缘，而边缘计算更多地专注于终端设备端。雾计算可以进行边缘计算，但除了边缘网络，雾计算也可以拓展到核心网络，也就是边缘和核心网络的组件都可以作为雾计算的基础设施。未来的网络需要云集中处理,同时也需要"雾计算"分级处理,根据业务不同因地制宜。

（3）构建以用户为中心的虚拟小区

以往的网络架构研究的关注点大都集中在如何统一管理不同制式的基站，而忽略了对用户的管理。用户依然需要繁琐的网络选择和优化才能拥有较好的通信质量。因此，RAN云化应构建以用户为中心的网络架构，考虑未来网络的演进需求和用户的接入需求，一方面利用集中式的方法统一控制不同制式的接入网络，另一方面针对每一个用户优化网络资源。

云化后接入网将支持用户在多种应用场景和业务需求下的智能无线接入，并实现多种无线接入技术的高效融合，无线组网可基于不同部署条件要求，进行灵活组网，并提供边缘计算能力。同时,建立以用户为中心的虚拟小区实现基于服务、终端、用户类型和接入点的灵活选择，用户可以与其通信范围内的所有基站通信，实现不同制式的基站协同为用户进行服务，避免用户面数据流在基站之间迂回和减少时延。该架构打破了以往以基站为中心的小区概念，改为针对每个用户进行无线资源管理和优化，提升用户体验。

另外，通过转发云配合接入云和控制云实现数据流的高速转发与处理，在转发云中业务使能单元与转发单元呈网状部署，一同接受控制云的路径管理控制，根据控制云的集中控制，基于用户业务需求，软件定义业务流转发路径，可实现转发网元与业务使能网元的灵活选择。转发云需周期或非周期地将网络状态信息上报进行集中优化控制，以保证转发云的转发效率。另外，考虑到某些对时延要求敏感的事件需要采用雾计算进行处理。

（4）无线网白盒化

随着传统网络向未来网络的过渡过程，白盒化成为一种重要的趋势，因此对于运营商而言解决通用化平台的转发能力的提升，将成为运营商推进网络重构中需要直面的问题之一。无线网白盒化可分为软件和硬件两部分，通过不同的方式去实现。

硬件方面的白盒化目标为实现网络功能软硬解耦后的硬件通用化。CU可被云化的部分引入通用计算平台可降低设备的硬件成本。硬件需求CU-U/CU-C承载非实时功能，可以运行在通用处理器上，实现软件和硬件解耦。在部署上可以不依赖硬件形态，即CU-U中PDCP和S1-U/NG-U接口的终结功能需要大量的包处理，需要硬件具备相应的处理能力，保证PDCP处理的性能不下降。而AAU/RRU部分则可尝试进行白盒化参考设计，厂商可快速制造大量廉价、通用的硬件，从而降低射频单元的采购成本。

软件方面的白盒化，运营商可根据自身需求通过完全自主研发或者基于开源码的二次研发实现自主开发软件功能与厂商已有软件功能的集成对接。无线设备的传统功能依然由主设备厂商研发，而运营商研发的软件功能是对既有传统设备的增量控制和管理功能，依靠新增功能可实现无线网功能的自主定制，从而提升无线网面向多类上层业务的支撑能力。

4 结论

当RAN发展为云RAN将有望迎来卓越的无线网络服务，如今运营商正逐步展开行动希望实现这一愿景。RAN云化实现从拓扑到资源分布完全弹性的新网络架构，从人机互联到万物互联；从单连接到多连接；从单一的资源调度转变为面向多客户群的多业务资源切片管理，运营商可更好地应对未来在技术、业务、商业各领域的转变。