VRAN技术在5G网络的实现

马颖

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

VRAN技术在5G网络的实现

马颖

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

5G VRAN基于CU的云化部署，引入虚拟化网络功能，灵活部署业务需求。分析了5G无线接入网架构，研究了网络逻辑功能划分，探讨了VRAN技术的具体实现方法。

虚拟化无线接入网 中心单元 分布单元 虚拟网络功能 软件定义网络

1 引言

随着移动互联网和物联网业务的快速发展，未来新的承载网络——5G网络，需要承接日益提升的高速率、高连接密度、低时延及高可靠性的业务。5G网络需要支持eMBB超高带宽业务（10 Gb/s）、mMTC超大连接业务（1 million/km²）和URLLC高可靠超低时延业务（99.999%,1 ms）等多样化的业务。各类业务对空口速率、连接数、时延等网络性能指标要求差异极大，为了满足不同业务的差异化需求，未来的5G无线网络需要具备灵活部署和多连接分流集中的能力，以及针对多样性空口统一管理的能力。如图1所示，和现有网络相比，5G网络架构将发生变化，需要从专用的电信网络向通用的电信网络平台转变。

现有2G/3G/4G网络采用专用的电信网络平台，以网元为中心进行设计，包括RAN网元、core网元、独立的CS和PS处理。

5G网络支持更多面向用户的业务和各种不同应用的快速部署，以及支持高标准的5G性能指标，因此需要一个以平台为特性的移动网络。在这个平台基础上，进行简单开发和适配以便支持各种纷繁复杂的应用，而实现平台化的网络，关键就是网络虚拟化技术。

网络虚拟化是未来5G网络的关键技术，其核心是根据不同的场景和业务需求将5G网络物理基础设施资源虚拟化，实施时需要基于SDN（Software Defined Network）技术，支持网络功能的可编程、定制剪裁和相应网络资源的编排管理。5G无线侧VRAN（VirtualRAN）是网络虚拟化在无线接入网的具体应用。VRAN的引入将极大地改变现有网络架构与基站形态，基于集中化处理、协作式无线电和实时云计算构架，可进一步提升移动通信网络的灵活性与网络指标性能，网络容量也将更具弹性，从而使未来的5G网络能够更为灵活地应对移动数据流量井喷式爆发。

图1 5G网络与现有网络的基本架构对比

2 5G无线接入网络架构

5G无线网络基站重构为CU（Centralized Unit）和DU（Distributed Unit）两个逻辑网元，具体如图2所示，网元之间的网络功能进行重构，部分核心网功能下沉至CU，BBU部分功能上移至RRU/AAU。

图2 5G无线接入网架构

CU与DU功能的切分以处理内容的实时性进行区分。

（1）CU侧重无线通信中非实时部分的功能，主要包括无线高层协议栈功能，同时也支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署。CU适于向基于IT平台的虚拟化和云化方向发展，实现软件和硬件解耦，也就是所要说的虚拟化无线接入网VRAN。CU可以运行在通用处理器上，以虚拟网络功能VNF（Virtual Network Function）形式存在，CU支持组pool的能力，支持一个CU连接的所有小区的RRC连接和PDCP包处理的资源共享，需满足CU所需处理资源、切片能力支持以及解耦功能要求等部署功能。CU的VNF软件通过组合、排列、扩展等一系列编排操作，可创建支持多样化上层业务需求的无线网络服务。

在VRAN中，CU将非实时功能进行集中化处理，实施虚拟化和云化具有如下好处：

1）可扩展性，支持功能的按需灵活部署和网络能力的弹性伸缩。

2）聚合性，利用其强计算能力支持制式内和多个接入制式间的无缝协同，如负荷分担，实现用户体验最优化和资源效率最大化。

3）编排性，简化新空口技术的引入流程，实现新接入制式的快速部署。

4）通用性，降低接入制式对核心网的影响，可以实现无线接入网与核心网异厂商的互操作。

（2）DU应包括除CU功能之外的无线基站功能，主要处理物理层功能和实时性需求的层2功能，侧重高实时性的基带信号处理，可采用专用硬件实现。DU硬件可以是一个集成了多块处理单板的机框，也可以是一块独立的处理单板。DU硬件实体应具有连接CU的网络端口，配合CU-VNF软件可完整实现不少于1个NR（New Radio）小区的基站功能，需被管理编排器MANO（Management and Orchestration）识别为一个物理网络功能PNF（Physical Network Function）。DU适合向专用或基于IT平台的趋势发展。

为节省RRU/AAU和DU间的传输资源，部分物理层功能也可上移至RRU实现。RRU硬件主要实现射频功能，与DU硬件间采用CPRI或eCPRI连接，并配合DU进行工作。RRU与DU均由简化的EM管理和配置，可与MANO协调工作，实现动态创建无线网服务的能力。

图3 5G RAN逻辑功能

3 5G RAN逻辑功能及灵活按需部署

未来无线接入网的网络功能设计要遵循如下原则：实现网络功能的按需灵活部署、网络能力的弹性伸缩和新接入制式的快速引入，以满足未来无线接入网业务多样化和场景多样化的需求，使得新业务能够快速上线。为了更好地满足未来无线网络的需求，5G RAN网络功能进行了重新划分，包括4个大逻辑功能：CU-C（Central Unit Controlplane）功能、CU-U（Central Unit Userplane）功能、DU（Distributed Unit）功能和RF（Radio Frequency）功能，具体如图3所示。

根据运营商不同场景的需求，CU-C、CU-U以及DU包括的功能可以进行灵活部署。

DU主要为实时功能，比如MAC包括的HARQ和RLC包括的ARQ，对时延敏感，一般建议DU靠近空口部署，但在光纤发达的区域也可以部署到CO（Central Office）机房。

CU-C/CU-U主要包括非实时功能，如PDCP的多连接分流、加解密、缓存、头压缩等功能。RRC、Traffic Steering和连接管理等信令控制功能，对于时延相对不敏感，但是控制面功能（如RRC）和用户面功能（如PDCP）存在很大的差异。控制面功能可以通过集中部署简化网络管理，利用资源池提升资源效率；用户面功能可以通过分布式部署满足不同业务的时延需求，因此，需要进行用户面功能和控制面功能的按需灵活部署。

如果业务对于端到端的时延要求高，可以靠近空口部署，如URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communication）类业务。CU-C的部署位置越高，集中管理程度越高，资源池增益越大，但对设备的规格要求越高。CU-U的部署位置越高，资源池增益越大，但业务的时延也越大。由于RDC（Regional Data Center）位置很高，从减小信令面时延影响的角度出发，一般不建议CU-C和CU-U部署到RDC。

4 VRAN技术的实现方法

由前文所述，VRAN具体的实现在于CU部分的虚拟化及云化部署。VRAN系统中引入了软件定义网络SDN技术，如图4所示。从满足端到端CU云化场景业务需求的角度考虑，对于网络的管理和编排可以分解如下：

（1）到DU机房之间的物理承载网络（ Front -haul-I）的编排和控制。

（2）DU到CU机房之间物理承载网络（Fronthaul-II）的编排和控制。

（3）CU机房内网络功能虚拟化基础设施（NFVI，Network Functions Virtualisation Infrastructure）的管理。

（4）CU机房到CN机房之间物理承载网络（Backhaul）的编排和控制。

（ 5）CN机房内网络功能虚拟化基础设施（NFVI）的管理。

Fronthaul-I网络有高带宽低延时的严格要求，通过光纤直连可以避免引入SDN技术带来的额外开销。

图4 vRAN平台中SDN管理编排支持系统架构示意图

引入SDN技术主要是用来管理和控制Fronthaul-II（承载物理网络面向低时延高带宽业务）和Backhaul物理网络，以及在CU和CN机房中虚拟化基础设施中的Underlay网络（指的是数据中心网络基础设施中通过物理交换机、路由器和网卡建立的物理基础层）和Overlay网络（指的是建立在Underlay网络之上用逻辑节点和逻辑链路构成的虚拟网），以提高网络的可编程性和灵活性。

从实现角度考虑，可以把4个涉及SDN技术的平台划分为SDN和NFV两个主要域，由全局编排器（Global Orchestrator）负责统一协调这两个域之间的业务协同，管理系统中的计算、存储和网络资源。

（1）SDN域负责编排和控制DU到CU并到CN机房之间的高性能物理网络。SDN编排器（SDN Orchestrator，SDNO）作为网络资源管理平台，通过其北向接口接收Global Orchestrator下发的网络资源请求，并通过控制器对DU与CU之间的Fronthaul-II网络以及CU与CN之间的Backhaul网络资源进行配置、管理和监控。同时SDNO与不同逻辑功能的SDN Controller之间采用标准SDN北向接口，屏蔽SDN Controller差异。SDN Controller作为逻辑集中的控制实体（物理上可集中式资源实现或分布式资源实现），将SDNO的业务请求转化为转发层的转发策略并配置到转发层网元中，接收转发层的状态、统计和告警等信息，综合各类信息完成包括路径计算、流量统计、策略制定和配置等功能。SDN Controller与转发层之间采用标准SDN南向接口。

（2）NFV域可进一步细分为CU机房和CN机房两个NFV子域，在两个子域内的NFVO负责和本域内的SDN控制器互通互联以达到控制域内的Underlay和Overlay网络的目的。引入SDN技术来管理和控制Underlay和Overlay网络可以提高虚拟网元之间流量调度的灵活性。目前，ETSI NFV MANO规范至上而下定义了网络功能虚拟化编排器（NFV Orchestrator），虚拟网络功能管理器（VNFM）和虚拟化基础设施管理器（VIM）三层。其中，NFVO提供的接口可对接OSS/BSS，VNFM负责对虚拟网元的生命周期进行管理，而VIM需对承载虚拟网元的网络进行抽象、管理和控制。

在NFV基础设施内，主要存在承载传统物理网络功能的Underlay网络和在Underlay网络之上以虚拟交换为核心的Overlay网络。负责无线业务的VNF是利用Underlay和Overlay网络来进行互通互联的。端到端的虚拟化无线场景编排的优化，如网络分片技术，涉及到在NFV域中部署不同业务和功能的VNF到不同服务器，不同机柜甚至不同地域的机房中，需要一个灵活的可编程的网络来支持按需分配的网络资源，如用链路和带宽来保证高性能、高可靠的网络基础设施来支撑无线业务VNF。

无线NFV域引入SDN编排的总体思路是，采取逐渐过渡的方法从管理Overlay网络开始扩展到Underlay网络，逐渐从单向的网络控制过渡到结合网络遥感形成闭环可优化的网络。DC SDN控制器引入可分为三个阶段：第一阶段，对接MANO仅管理Overlay网络；第二阶段，扩展到控制Underlay网络，即物理交换机、路由器等L2/L3的物理网络设备；第三阶段，引入遥感技术来支撑优化网络。

此外，部分核心网功能如UPF、MEC等可能会从CN机房下沉到CU机房，即一些核心网网元会被部署到无线边缘网络，在地理位置上和无线接入网网元位于同一个CU机房内。

5 结束语

VRAN实际上是指无线接入网部署了虚拟网络功能VNF，其特点是软硬件解耦、可管理编排，主要针对无线通信中非实时部分的功能，比如RRC等。在5G网络中，VRAN实际上是CU云化部署，网络架构向集中式、虚拟化演进。采用实时与非实时调度分层，网络功能单元按业务需求灵活部署，充分发挥虚拟化、云化资源池的作用，实现弹性网络，灵活扩展。具体实施网络虚拟化时，需要引入SDN技术。VRAN的应用和实现具备很多优势，但是，也应持续关注5G CU引入可能会给网络带来的一些挑战，比如承载网络的改造方案等，以便更好地优化5G网络建设方案。

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Implementation of VRAN Technology in 5G Networks

MA Ying
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

Based on cloud deployment of CU, 5G VRAN introduces the virtualized network function to fl exibly deploy service requirements. 5G RAN architecture was analyzed, the network logical function classi fi cation was investigated and the detailed implementation method of VRAN technology was discussed.

VRAN CU DU VNF SDN

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.012

TN929.53

A

1006-1010(2017)20-0069-05

马颖. VRAN技术在5G网络的实现[J]. 移动通信, 2017,41(20)： 69-73.

2017-06-30

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

马颖：高级工程师，硕士学位，现任职于中国移动通信集团设计院有限公司无线所，主要研究方向为无线网络演进技术、蜂窝物联网规划设计。