隨著技術(shù)的不斷變遷，專有無線接入網(wǎng)絡(luò)的時代正在逐漸消失。運營商希望能在降低成本的同時增加靈活性，其需要易于部署且經(jīng)濟(jì)實惠的網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)組件，這也導(dǎo)致整個行業(yè)從4G專用硬件和專有軟件開始轉(zhuǎn)向安裝在COTS硬件平臺上的開放軟件棧。

4G的專有組件

從核心網(wǎng)和RAN的角度來看待無線網(wǎng)絡(luò)的話，核心網(wǎng)包括骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)(圖1)。早期，網(wǎng)絡(luò)使用固定交換機(jī)和路由器來傳輸數(shù)據(jù)，如今核心網(wǎng)在RAN的邊緣聚合數(shù)據(jù)，RAN將聚合的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o線電塔。

4G網(wǎng)絡(luò)在1GHz至4GHz的頻帶上運行，每座發(fā)射塔都配備了一個基帶單元(BBU)，從核心網(wǎng)收集數(shù)據(jù)，并將其傳送到遠(yuǎn)程無線電單元(RRU)。

4G在很大程度上是通過運行專有軟件棧的自定義硬件來實現(xiàn)的，這種方法對于4G網(wǎng)絡(luò)來說是可以接受的，但是考慮到5G以及所需成本，運營商已經(jīng)著手開發(fā)開源解決方案。5G的目標(biāo)是可互換的COTS ARM或運行開源軟件棧的x86服務(wù)器。

5G網(wǎng)絡(luò)

5G網(wǎng)絡(luò)與4G LTE有本質(zhì)上的不同，頻段上，5G覆蓋了從6GHz到300GHz的頻段。由于頻率越高，信號傳播過程中的衰減也越大，所以5G網(wǎng)絡(luò)的基站密度將更高。

5G將4G BBU拆分為無線單元(RU)、分布式單元(DU)和集中式單元(CU)(圖2)。解耦這些功能為運營商帶來了很大的靈活性，因為它們可以根據(jù)需要將RU、DU和CU部署在不同的位置，例如，要求低邊緣延遲的網(wǎng)絡(luò)可以將RU、CU和DU一起部署在邊緣，這將最大限度地提高遠(yuǎn)端連接用戶應(yīng)用程序的性能。另外，一個DU可以為多個RU提供服務(wù)，從而降低了網(wǎng)絡(luò)成本，同時在可接受的最大延遲范圍內(nèi)提供了足夠的性能。針對不同的市場和地區(qū)，運營商可以部署不同的架構(gòu)。

下圖更深入地展示了5G網(wǎng)絡(luò)的硬件和互連。

5G RU包含一個RF發(fā)射器和一個LO PHY模塊，通常作為一個為數(shù)據(jù)包管理優(yōu)化的FPGA或ASIC實現(xiàn)，它可以提供小于1毫秒的延遲，RU和DU之間就是前傳。

DU的無線數(shù)據(jù)包通過前傳鏈路與RU進(jìn)行往返傳輸。DU的主要組成部分是無線鏈路控制器(RLC)、媒體訪問控制器(MAC)和HI PHY。MAC集成了與RLC通信的軟件和與PHY通信的硬件模塊。它可以整合諸如GPU或FPGA之類的硬件加速器，并且可以在延遲小于5毫秒的情況下運行。DU通過F1中傳接口連接到CU 。一個DU COTS實現(xiàn)將包括一個帶有硬件加速PCIe卡的服務(wù)器機(jī)箱和一個開源的MAC/RLC棧。

CU由一個控制平面(CP)和一個用戶平面(UP)組成。該配置與LTE類似，使得5G網(wǎng)絡(luò)與4G LTE網(wǎng)絡(luò)的集成整合更加容易，另外它還為5G RAN配置提供了靈活性。CP和UP作為CU的一部分連接在CU box 中，它們可以以大約10毫秒的延遲運行。

RAN智能控制器(RIC)位于CU的上游，該功能將無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化為一系列可由上游核心控制器訪問的功能。

向開放的轉(zhuǎn)變

RU、DU和CU包含SDN或虛擬RAN(vRAN)所需的所有功能和接口。但是，核心的網(wǎng)絡(luò)編排和自動化層確實需要軟件來管理流程。LTE網(wǎng)絡(luò)通過專有的硬件和軟件來管理此任務(wù)。由于5G的成本限制，運營商開始尋找利用COTS硬件的標(biāo)準(zhǔn)化開源方案。于是，出現(xiàn)了這幾個關(guān)鍵的開源項目：Akraino Edge Stack、O-RAN聯(lián)盟、ONAP和OCP，另外近期也新成立了一個組織叫OpenRAN政策聯(lián)盟。

Akraino Edge Stack

Akraino Edge Stack于2018年推出，專注于為網(wǎng)絡(luò)邊緣開發(fā)開放式軟件棧，現(xiàn)已成為LF Edge計劃的一部分。該組織強調(diào)模塊化設(shè)計，支持軟件組件的重用。這些堆棧被稱為Akraino藍(lán)圖，服務(wù)于邊緣云基礎(chǔ)架構(gòu)的各個子集，包括企業(yè)邊緣、over-the-top-edge、供應(yīng)商邊緣和運營商邊緣。當(dāng)安裝在“裸機(jī)”服務(wù)器上時，該藍(lán)圖將機(jī)器轉(zhuǎn)換為特定于應(yīng)用程序的設(shè)備。

Akraino致力于打造可加速RAN部署的5G電信設(shè)備，目前正在開發(fā)多個運營商的藍(lán)圖。該組織最近發(fā)布了Akraino無線電邊緣云(REC)藍(lán)圖，為管理、編排和自動化層提供了與vRAN交互的基本組件。

REC在Linux CentOS發(fā)行版上運行，與管理和監(jiān)視軟件一起工作，這些軟件包含在Kubernetes中并由Kubernetes管理。堆棧將裸機(jī)服務(wù)器虛擬化，以便將其抽象為軟件服務(wù)。上層控制層可以調(diào)用這些API，從而使其能夠與網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)平面進(jìn)行交互。

O-RAN聯(lián)盟

O-RAN聯(lián)盟致力于實現(xiàn)一個開放、智能的RAN。聯(lián)盟正在開發(fā)開放式虛擬化網(wǎng)絡(luò)元素，如開放式DU和開放式CU。與Akraino一樣，重點在于構(gòu)建可重用和標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化參考設(shè)計。這種方法不僅加快了集成和部署的速度，而且還使開發(fā)人員可以跳過編寫通用功能的代碼塊，從而使他們騰出時間進(jìn)行創(chuàng)新。

O-RAN的工作與Akraino藍(lán)圖的開發(fā)緊密相關(guān)，其思想是Akraino的藍(lán)圖對硬件層進(jìn)行抽象，然后O-RAN / ONAP軟件棧在該層之上運行并與API進(jìn)行交互(圖4)。

O-RAN解決的關(guān)鍵軟件開發(fā)之一是RAN智能控制器(RIC)，RIC在5G核心的RAN控制器與接入網(wǎng)之間提供了接口，從而實現(xiàn)了策略驅(qū)動的閉環(huán)自動化。RIC是將RU、DU和CU轉(zhuǎn)換為vRAN的接口部件，可提供更快、更敏捷的服務(wù)部署和可編程性。

RIC與CU位于同一位置，它通過回程連接到核心網(wǎng)的編排和自動化堆棧，并通過中傳連接到CU和DU。它將運行在Akraino REC的藍(lán)圖之上，該藍(lán)圖經(jīng)過優(yōu)化以最大程度地減少了RIC和DU / CU之間的延遲(圖5)。Akraino REC與位于核心網(wǎng)邊緣的區(qū)域控制器集成在一起，可將REC全自動部署到邊緣站點。

ONAP

5G網(wǎng)絡(luò)將支持各種截然不同需求的應(yīng)用程序。例如，移動設(shè)備上的流媒體視頻對延遲沒有很大的需求，但可能需要具有很高的移動性;智能工廠不會移動，但要求盡可能低的延遲;自動駕駛汽車面臨著超高可靠性和超低延遲的雙重挑戰(zhàn)。當(dāng)然還有一些其他的因素，包括帶寬和成本等。有效地服務(wù)于這些多樣化的應(yīng)用程序需要虛擬化網(wǎng)絡(luò)的能力，這樣網(wǎng)絡(luò)就可以作為網(wǎng)絡(luò)切片的集合，每個網(wǎng)絡(luò)切片都可以動態(tài)地重新配置，以提供每個應(yīng)用程序所需的服務(wù)質(zhì)量。

到目前為止討論的構(gòu)建塊提供了一種創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)切片的方法，但是它們需要一個位于核心的頂級控制結(jié)構(gòu)來編排和管理服務(wù)。ONAP是Linux基金會主辦的一個開源網(wǎng)絡(luò)項目，旨在解決這一需求。

ONAP對于5G部署至關(guān)重要，它支持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的編排、自動化和端到端生命周期管理。它非常復(fù)雜且計算量很大，僅運行一個ONAP實例就需要140個內(nèi)核和140 GB的RAM。ONAP與RAN的接口如圖6所示。

OCP

在網(wǎng)絡(luò)世界中創(chuàng)建互操作性需要標(biāo)準(zhǔn)化外形尺寸和接口。OCP的啟動就是為了建立硬件規(guī)范來實現(xiàn)這一標(biāo)準(zhǔn)化。OCP即將推出的規(guī)范之一是openEDGE機(jī)箱(圖7)。其低功耗要求和處理密度都針對電信和邊緣應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。

OpenRAN政策聯(lián)盟

近日，31個國外知名運營商和技術(shù)公司在美國成立了Open RAN政策聯(lián)盟(OpenRAN Policy Coalition)，推廣開放概念RAN。

Open RAN政策聯(lián)盟的成員包括AT&T、亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、Facebook、谷歌、IBM、英特爾、微軟、高通、樂天移動、三星電子美國、Telefonica、Verizon和沃達(dá)豐等。

Open RAN政策聯(lián)盟的目標(biāo)是為其他致力于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的Open RAN組織(例如O-RAN聯(lián)盟和TIP項目)提供以政策為中心的支持。

5G有望帶來巨大的性能提升，從根本上改變?nèi)蛲ㄐ?，為電信運營商提供了創(chuàng)造新市場和消費者服務(wù)的機(jī)會。為了在5G中取得成功，運營商需要改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，使其具有靈活性、低成本和快速的上市時間。開放的5G硬件和軟件可以幫助其實現(xiàn)這些目標(biāo)。