基于树莓派的小型5G系统研究

王鹏 王齐 赵鑫 李昌骏

摘要：5G系统以其大吞吐低延迟的特性为自动驾驶、工业“智”造以及“元宇宙”等新概念提供了有力的支撑。因此，面向5G系统的学习及研究对于持续支撑新型业务的发展具有非常重要的意义。然而，现有的5G系统以大型商用系统为主，使得如本科生研究小组这种小型研究团队难以开展针对5G系统的研究及优化。为此，文章借助树莓派，将复杂开源5G项目进行解耦，并对其结构进行重构，设计了一套面向学习实践的小型5G系统——RespG。该系统为5G学习有需求的用户开辟了一条新的学习道路。实验数据表明，该系统可实现与802.11ax相当的性能，验证了项目的可行性。

关键词：5G；5G核心网；O-RAN；Free5GC；树莓派

中图分类号：TP393；TN914  文献标志码：A

0 引言

随着第五代通信技术的愈发成熟，各大商业公司（移动、电信等通信公司）逐步开始布局商用5G领域。5G商用设施于2020年开始全面落地。国家制定了全面开展5G和千兆光纤网等新一代通信基础设施的建设与普及政策，在基于第五代移动通信的高速度、低功耗、低延迟和万物互联等特点建设数字中国等方面给予一定的政策支持，鼓励市场和企业参与5G研发、部署和使用。

为此，本文提出了一套基于树莓派的小型化5G系统——RespG。本系统拥有模型小型化、结构简单化等特点。笔者通过对开源项目Free5GC的功能进行精简及包装，保留关键和必要的功能，将其部署在虚拟机中，将装有开源项目UERANSIM的树莓派与计算机连接，从而实现5G核心网和RAN的连接，最终实现了5G系统的部署。本系统为教育界相关5G系统、5G核心网的教学与讲解提供模型基础。

1 现有5G系统存在的问题

1.1 不能直接实现接入网运行的系统

在目前所运行的大部分5G系统中，5G核心网与5G接入网是两个不同的系统。其中，5G核心网用于处理申请、实现功能、反馈信息。5G接入网是通过基站将信号进行转换从而实现收发功能［1］。本文则将5G核心网与5G接入网看作一个整体。

1.2 结构较为复杂，不利于针对性地研究5G系统原理

现有的5G系统开源项目都在不断增加核心网的功能，使得核心网的功能可以更加完善灵活、适应更多的场景，但这也导致了核心网的功能过于冗杂，不利于初学者对5G核心网的原理进行针对性的研究［2］。

1.3 没有全方位普及，不方便研究者学习

从目前存在的5G信号覆盖场所来看，仍有些地区未被5G信号覆盖，而且已经存在5G信号的场所所用的5G系统大多为复杂、企业私有的系统。对于研究者而言，目前缺少一个便捷、简练的5G模拟环境。

2 关于5G核心网的相关研究

目前关于5G核心网的研究大致可以分为对核心网的搭建和核心网功能的拓展。

2.1 核心网的搭建

对于核心网搭建的研究，部分是为了使核心网更加灵活，可以满足现今更多的需求，主要是通过将基于服务的架构引入移动网络实现。

2.2 核心网功能的拓展

核心网功能拓展的研究大部分都是针对网络切片功能实现的［3］，也有对5G核心网中网络切片的可拓展性和性能分析，如通过引入基于PEPA的新复合结构构建模型来维护和提升现有服务的切片容量。

5G核心网的不同之处在于网络功能虚拟化基础设施的云化DC建设，对应用层和核心网实现云化，将5G核心网进行虚拟化部署是5G核心网部署的关键。5G核心网的下沉、CU（即eNB的中心单元）、DU（即eNB的分布单元）的合并集中虚拟化部署是5G技术的关键，如图1所示。

3 基于树莓派的小型化5G系统设计

3.1 模块设计

在实验的设计上，本文借用了Github的开源项目——Free5GC和UERANSIM。本实验的目标如下：

3.1.1 系统小型化

当前的5G核心网功能繁多，如流量使用报告、分组路由和转发等，不利于初学者对5G核心网的学习。

本实验通过删除核心网的非必要功能，如流量使用报告、转发等功能，只保留核心网用户信息的注册、管理和实现用户接入网络的功能，使得整个核心网变得更加简洁明了，更便于初学者的学习和使用。

3.1.2 结构简单化

本实验将传统的5G信号收发系统转换为大型基站，简化为3个模块，即核心网功能实现模块、射频信号与数字信号转译模块和射频信号收发模块，以实现核心网、O-RAN和射频基站的功能，从而实现5G系统的部署。

3.2 核心网功能实现模块

本实验将Free5GC安装在虚拟机中，以实现5G核心网的虚拟化功能。对于核心网的数据接收与发送功能的实现，本实验采用了光纤的方式将搭载信号转译模块的树莓派与搭载5G核心网的Linux虚拟机相连，通过N2接口从收到的射频信号中提取NAS数据传输到核心网中的接入和移动管理功能（Access and Mobility Management Function，AMF）模块中，并逐步将功能信息传输到对应的功能模块中，在功能模块中实现该功能后，再通过AMF和N2接口传回树莓派。

3.3 射频信号与数字信号转译模块

信号转译模块即5G基站中的RAN功能。本实验通过将开源项目UERANSIM安装在树莓派上来实现O-RAN，即把CU和DU存放在树莓派内部的Linux运行系统中，实现CU和DU的虚拟化，进而实现对收到的射频信号的转译和对核心网发出信号的编译。

3.4 實验装置搭建

核心网功能的实现是通过安装Free5GC于本地虚拟机中并进行配置修改。O-RAN功能的实现是通过在树莓派安装UERANSIM配置修改，从而使树莓派拥有O-RAN的功能，实现接入网（基站）。最后通过核心网以及接入网互相更改IP地址实现二者的连接。

4 系統实现

4.1 实验流程

本实验进行了Free5GC和UERANSIM的安装并修改了相关配置。通过启动充当5G核心网的Free5GC和充当O-RAN的UERANSIM，并将O-RAN与核心网相连接，再从O-RAN注册一个UE并接收返回的虚拟网卡，通过该通道实现互联网连接。

4.2 Free5GC与该实验的适配方法

首先，克隆Free5GC开源项目到本地文件中。其次，由于UE需要向AMF组件发送注册请求以及和SMF、UPF的交互，所以需要将本地相关配置文件中的接口IP地址改为当前虚拟机分配的IP地址。最后，通过启动WebConsole进入网页控制台添加UE（相关配置可自行改动）。

4.3 UERANSIM与该实验的适配方法

首先，将UERANSIM克隆到树莓派所安装的系统中。其次，由于系统需要与核心网连接，所以需要修改相关接口的IP地址（包括树莓派分配的IP地址以及AMF的IP地址），在确保一致的情况下即可启动相关程序进行实验。

4.4 系统测试

本文利用iperf 3工具对该小型5G系统进行了数据传输测试，以此证明该5G系统的可用性。

为了解核心网性能的情况，本文对实验核心网与本地核心网进行了基于TCP协议吞吐量测试，以此获取该5G系统的核心网与本地核心网文件传输效率。为了减小误差，该测试每项数据都经过了5次测试取平均值。经过测试并统计得出了该5G系统核心网的TCP上行平均吞吐率为75 Mb/s，TCP下行平均吞吐率为85 Mb/s，本地核心网上行平均吞吐率为85 Mb/s，本地核心网下行平均吞吐率为95 Mb/s。结果如图2所示，设备数据传输速率较为稳定，没有出现断层现象，平均吞吐量与本地数据情况相差不大，能够支持设备正常应用。其他项目受TCP拥塞控制算法的影响，在路径上运行的吞吐率约为200 Mb/s，辅助吞吐量802.11 n，标称吞吐率约为70 Mb/s，略低于本实验的结果，表明该系统对文件的网络实际数据传输速率足够支持设备的正常使用。

本实验分别对核心网进行了基于UDP协议的上行和下行的吞吐量测试和延迟抖动测试，以此测试该系统核心网的即时通信、在线视频音频播放传输等功能。经过测试并统计得出了该5G系统核心网的UDP平均上行吞吐量为120 Mb/s，UDP平均下行吞吐量为110 Mb/s，UDP上行延迟抖动平均为0.2 ms，UDP下行延迟抖动平均为0.25 ms。设备数据传输  速率较为稳定，可靠性能高。平均吞吐量能正常满足需求，表明该系统对即时通信、在线视频和音频播放传输等功能的网络实际数据传输速率足够支持设备的正常使用。

本实验对实验接入网进行了基于TCP协议的吞吐量测试，以此测试该5G系统的接入网文件传输效率。经过测试并统计得出了该5G系统接入网的TCP上行平均吞吐率为5.5 Gb/s，TCP下行平均吞吐率为10 Gb/s，本地接入网的TCP上下行平均吞吐率为18 Gb/s。从实验结果来看，实验设备的接入网TCP吞吐量仍能支持设备应用的正常使用，设备数据传输速率也较为稳定。本文在实验的过程中，对接入网UDP数据也同样进行了测试，由于结果与TCP结果趋势相同，本文不再重复叙述接入网UDP结果数据。

5 结语

本文对该5G系统的基本功能进行了一系列的测试，如对接入网和核心网的TCP和UDP吞吐量测试和延迟抖动测试，证明了该系统是可行的。本实验的研究为教育界提供了一套较为完善的基础5G核心网和5G系统，可以通过树莓派和虚拟机进行快速部署，以此来达到模拟5G系统模型的实现，进行5G教学。

参考文献

［1］张健，李承基，王涛.广电5G核心网规划思考［J］.广播电视网络，2022（6）：33-35.

［2］郎睿.5G核心网创新技术研究及应用探索［J］.中国新通信，2022（3）：81-83.

［3］SATTAR D，MATRAWY A . Optimal slice allocation in 5G core networks［J］.IEEE Networking Letters， 2019（2）：48-51.

（编辑 王雪芬）

Research on a small 5G system based on Raspberry Pi

Wang Peng， Wang Qi， Zhao Xin， Li  Changjun

（School of Computing， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100101， China）

Abstract： The 5G system provides strong support for new concepts such as autonomous driving， industrial “intelligent” manufacturing， and “Metaverse” due to its high throughput and low latency characteristics. Therefore， learning and research on 5G systems is of great significance for continuously supporting the development of new businesses. However， the challenge is that existing 5G systems are mostly commercial systems， making it difficult for small research teams like undergraduate student research groups to study 5G systems. To this end， the paper utilizes Raspberry Pi to decouple complex open source 5G projects and restructure their structure， designing a small 5G system for learning and practice：RespG. This system paves the way for learning 5G simply and easily. Experimental results indicate that the system can achieve comparable performance to 802.11ax.

Key words： 5G; 5G core network; O-RAN; Free5GC; Raspberry pi