［徐燦輝 江瑞儀］

1 背景

5G的時(shí)代雖然已經(jīng)來(lái)臨，但移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展并不是簡(jiǎn)單的新舊交替，多樣性的技術(shù)將長(zhǎng)期共存，包括3G、4G、5G以及WiFi等非授權(quán)頻譜的接入技術(shù)，這勢(shì)必會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。在5G時(shí)代，需要支持多種業(yè)務(wù)場(chǎng)景，比如更高帶寬更低時(shí)延的eMBB業(yè)務(wù)，支持海量用戶的mMTC業(yè)務(wù)，支持超低時(shí)延、高可靠的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)URLLC業(yè)務(wù)。

因此，未來(lái)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將面臨多業(yè)務(wù)、多商業(yè)模式等新挑戰(zhàn)，各業(yè)務(wù)對(duì)速率、連接數(shù)、時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)要求差異極大，這就要求網(wǎng)絡(luò)能夠支持快速?gòu)椥缘臄U(kuò)容。這一切都將驅(qū)動(dòng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)，從無(wú)線接入網(wǎng)的角度看，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)存在如下需求：

①靈活的無(wú)線資源管理需求

②空口協(xié)調(diào)和站點(diǎn)協(xié)作需求

③功能靈活部署及邊緣計(jì)算的需求

④增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化管理的需求

運(yùn)營(yíng)商在未來(lái)逐漸向綜合平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商轉(zhuǎn)型，如何提供一個(gè)能夠面向各類應(yīng)用、高效、靈活、低成本、易維護(hù)、開放的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將是運(yùn)營(yíng)商在5G時(shí)代競(jìng)爭(zhēng)力的核心所在。隨著5G研究及標(biāo)準(zhǔn)化的深入推進(jìn)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)云化得到業(yè)界的高度認(rèn)可和廣泛支持，而通過(guò)無(wú)線接入網(wǎng)的云化則可實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)資源靈活調(diào)整、支持無(wú)線網(wǎng)絡(luò)切片的創(chuàng)建，滿足以用戶為中心網(wǎng)絡(luò)的MEC業(yè)務(wù)邊緣部署的需求，實(shí)現(xiàn)資源的高效利用。

2 5G RAN云化需求及面臨的挑戰(zhàn)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)云化的核心思想是實(shí)現(xiàn)資源與應(yīng)用的解耦，云化有兩層含義：一方面，全部處理資源可屬于一個(gè)完整的邏輯資源池。資源分配不再像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)那樣在單獨(dú)的站點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行。另一方面，空口的無(wú)線資源也可以抽象為一類資源，實(shí)現(xiàn)無(wú)線資源與無(wú)線空口技術(shù)的解耦，支持靈活無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能力調(diào)整。

為了應(yīng)對(duì)5G的需求場(chǎng)景，并滿足網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)發(fā)展需求，未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)將更加靈活、智能、融合和開放。在中國(guó)電信提出的5G技術(shù)白皮書中提到，5G目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu)可總結(jié)為“三朵云”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括接入云、控制云和轉(zhuǎn)發(fā)云三個(gè)邏輯域，如圖1所示。

“三朵云”5G網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)可依業(yè)務(wù)場(chǎng)景靈活部署的融合網(wǎng)絡(luò)?？刂圃仆瓿扇值牟呗钥刂?、會(huì)話管理、移動(dòng)性管理、策略管理、信息管理等，并支持面向業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)能力開放功能，實(shí)現(xiàn)定制網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)，滿足不同新業(yè)務(wù)的差異化需求，并擴(kuò)展新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。接入云將支持用戶在多種應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求下的智能無(wú)線接入，并實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線接入技術(shù)的高效融合，無(wú)線組網(wǎng)可基于不同部署條件要求，進(jìn)行靈活組網(wǎng)，并提供邊緣計(jì)算能力。轉(zhuǎn)發(fā)云配合接入云和控制云，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)匯聚轉(zhuǎn)發(fā)功能，基于不同新業(yè)務(wù)的帶寬和時(shí)延等需求，轉(zhuǎn)發(fā)云在控制云的路徑管理與資源調(diào)度下，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、海量連接、高可靠和低時(shí)延等不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的高效轉(zhuǎn)發(fā)與傳輸，保證業(yè)務(wù)端到端質(zhì)量要求?！叭湓啤?G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由控制云、接入云和轉(zhuǎn)發(fā)云共同組成，不可分割，協(xié)同配合，并可基于SDN/NFV技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖1 5G“三朵云”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

5G接入云將是一個(gè)多拓?fù)湫螒B(tài)、多層次類型、動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)，可針對(duì)各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景選擇集中式、分布式和分層式部署，可通過(guò)靈活的無(wú)線接入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速率接入和無(wú)縫切換，提供極致的用戶體驗(yàn)。

5G接入云功能需求包括新型無(wú)線接入技術(shù)、靈活資源協(xié)同管理、跨制式系統(tǒng)深度融合、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)虛擬化、邊緣計(jì)算與無(wú)線能力開放等。5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)部署需綜合考慮業(yè)務(wù)應(yīng)用屬性、網(wǎng)絡(luò)功能特性、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件等多重因素，將所選擇的網(wǎng)絡(luò)功能在5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)物理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理部署，因此實(shí)際部署中面臨以下挑戰(zhàn)。

①有效的前傳數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)：靈活的云端是以從RRU/AAU到BBU的有效前傳數(shù)據(jù)為前提的，向云端快速有效地傳輸數(shù)據(jù)將最終影響網(wǎng)絡(luò)性能。

②硬件性能瓶頸：云化、虛擬化軟件運(yùn)行的硬件基礎(chǔ)設(shè)施能否實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)專有硬件那樣可靠性和性能。

③架構(gòu)及接口優(yōu)化：虛擬化后的網(wǎng)絡(luò)功能并不能簡(jiǎn)單平移傳統(tǒng)架構(gòu)，而是需要更進(jìn)一步通過(guò)軟件架構(gòu)的優(yōu)化，向上滿足差異化業(yè)務(wù)訴求，向下實(shí)現(xiàn)與基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)關(guān)的電信級(jí)業(yè)務(wù)質(zhì)量保障。

④數(shù)據(jù)的邊緣處理：如果所有處理都上到云端，數(shù)據(jù)上下行的路程較長(zhǎng)。如虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用，若把數(shù)據(jù)處理都放到云端，將會(huì)占用了核心網(wǎng)絡(luò)帶寬，因此需根據(jù)業(yè)務(wù)類型分級(jí)處理、因地制宜，部分業(yè)務(wù)可在網(wǎng)絡(luò)邊緣層直接進(jìn)行處理。

3 5G RAN云化探討及展望

5G RAN網(wǎng)絡(luò)需要構(gòu)建快速、靈活、高效的協(xié)同機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同無(wú)線接入系統(tǒng)的融合，提升移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資源利用率，進(jìn)而大大提升用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。未來(lái)移動(dòng)通信將是以用戶為中心的全方位信息生態(tài)系統(tǒng)，通信技術(shù)與IT技術(shù)的深度結(jié)合，將IT計(jì)算與服務(wù)能力部署于移動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò)邊緣，逐步實(shí)現(xiàn)虛擬化和云化，為用戶提供在各種環(huán)境下的個(gè)性化、多樣化的優(yōu)質(zhì)移動(dòng)寬帶服務(wù)。

（1）構(gòu)建基于CU/DU架構(gòu)的RAN協(xié)同集群管理

為了滿足5G網(wǎng)絡(luò)的需求，運(yùn)營(yíng)商和主設(shè)備廠商等提出多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。按照協(xié)議功能劃分方式，3GPP標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了面向5G的無(wú)線接入網(wǎng)功能重構(gòu)方案，引入CU-DU架構(gòu)。5G 系統(tǒng)中采用CU-DU 分離架構(gòu)后，傳統(tǒng)BBU和RRU網(wǎng)元及其邏輯功能都會(huì)發(fā)生很大變化。其中，CU負(fù)責(zé)完成非實(shí)時(shí)的無(wú)線高層協(xié)議功能、部分核心網(wǎng)下沉功能和邊緣應(yīng)用；DU負(fù)責(zé)完成物理層功能，實(shí)時(shí)性需求的層2功能。部分物理層功能上移至 RRU/AAU，以節(jié)約DU 與RRU /AAU之間的傳輸功能。引入SDN/NFV實(shí)現(xiàn)含CU/DU 在內(nèi)的端到端靈活資源編排能力和配置能力，構(gòu)建云化接入網(wǎng)。

基于集中/分布單元 CU/DU的兩級(jí)架構(gòu)與無(wú)線云化的結(jié)合，將在未來(lái)構(gòu)成5G RAN 的基本元素。以往RAN云化技術(shù)進(jìn)展較慢的最大的原因是無(wú)線處理單元難以實(shí)現(xiàn)虛擬化，首先需要考慮的是CU設(shè)備的形態(tài)，CU設(shè)備通過(guò)基于功能軟件、虛擬化層、通用硬件的三層解耦，如圖2所示。

圖2 CU云化示意圖

運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)可采用大集中和小集中等各種組網(wǎng)方式,基站之間可建立更快、更靈活、更有效的合作機(jī)制,從而實(shí)現(xiàn)了小區(qū)之間資源調(diào)度和管理, 提高了網(wǎng)絡(luò)資源的使用率以及用戶體驗(yàn)。集中接入控制能提高接入網(wǎng)功能,干擾管理、網(wǎng)絡(luò)能源效率、多RAT協(xié)調(diào)和基站緩存。因此，基于CU/DU 分離架構(gòu)的5G網(wǎng)絡(luò)，可以有效的支持多連接，基站間協(xié)同等技術(shù)，更好的提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低干擾，提升用戶體驗(yàn)，有效支持增強(qiáng)移動(dòng)帶寬業(yè)務(wù)；同時(shí)，通過(guò)將多個(gè)DU 或者RRU/AAU 連接到一個(gè)CU，由CU 進(jìn)行區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)的集中管控，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器通信和物聯(lián)網(wǎng)支持。最后，將RAN 的實(shí)時(shí)處理DU 和非實(shí)時(shí)處理功能單元CU 部署在更加靠近用戶的位置，并配置相應(yīng)的服務(wù)器和業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)，滿足特定的時(shí)延和可靠性需求，這種RAN架構(gòu)可有效的支持低時(shí)延、高可靠業(yè)務(wù)。

（2）接入網(wǎng)虛擬化，采用云霧結(jié)合方式

盡管云計(jì)算擁有強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)資源池，但云處理所在的數(shù)據(jù)中心往往是集中化的且距離終端設(shè)備較遠(yuǎn)，當(dāng)面對(duì)大量的分布廣泛的終端設(shè)備及所上傳的海量數(shù)據(jù)時(shí)，不可避免地遇到了三大難題：

①網(wǎng)絡(luò)擁塞：如果所有應(yīng)用部署在云端，將會(huì)有海量的數(shù)據(jù)涌入核心網(wǎng)絡(luò)，容易造成核心網(wǎng)絡(luò)擁塞；

②高延遲： 終端設(shè)備與云端服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸距離大將導(dǎo)致較大的網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間，實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用時(shí)延要求難以保證；

③可靠性無(wú)法保證：可靠性和安全性要求較高的應(yīng)用，若從終端到云端的距離遠(yuǎn)，在云端實(shí)時(shí)備份的可靠性難以保證。

為滿足物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等應(yīng)用的需求，作為云計(jì)算的延伸擴(kuò)展，霧計(jì)算的概念應(yīng)運(yùn)而生。霧計(jì)算是一種分布式的計(jì)算模型，它提供計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)設(shè)備，讓基于云的服務(wù)可以離用戶更近。霧計(jì)算主要使用邊緣網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，可以是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，也可以是專門部署的本地服務(wù)器。這些設(shè)備的資源能力都遠(yuǎn)小于一個(gè)數(shù)據(jù)中心，但是它們龐大的數(shù)量可以彌補(bǔ)單一設(shè)備資源的不足。

霧計(jì)算可以初步處理數(shù)據(jù)以便實(shí)時(shí)決策，提供臨時(shí)存儲(chǔ)以提升用戶體驗(yàn)，而云計(jì)算則可以負(fù)責(zé)大運(yùn)算量任務(wù)，與霧計(jì)算優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。通過(guò)霧計(jì)算，可以將一些并不需要放到云上的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)邊緣層直接進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，提高數(shù)據(jù)分析處理的效率，降低時(shí)延，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力，提升安全性。

霧計(jì)算以其廣泛的地理分布、帶有大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模支持高移動(dòng)性和實(shí)時(shí)互動(dòng)以及多樣化的軟硬件設(shè)備和云在線分析等特點(diǎn)，迅速被物聯(lián)網(wǎng)和人工智能應(yīng)用領(lǐng)域的企業(yè)所接受并獲得廣泛應(yīng)用，例如，M2M、人機(jī)協(xié)同、智能電網(wǎng)、智能交通、智能家居、智能醫(yī)療、無(wú)人駕駛等應(yīng)用。與邊緣計(jì)算不同的是，霧計(jì)算可以將基于云的服務(wù)拓展到網(wǎng)絡(luò)邊緣，而邊緣計(jì)算更多地專注于終端設(shè)備端。霧計(jì)算可以進(jìn)行邊緣計(jì)算，但除了邊緣網(wǎng)絡(luò)，霧計(jì)算也可以拓展到核心網(wǎng)絡(luò)，也就是邊緣和核心網(wǎng)絡(luò)的組件都可以作為霧計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施。未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)需要云集中處理,同時(shí)也需要"霧計(jì)算"分級(jí)處理,根據(jù)業(yè)務(wù)不同因地制宜。

（3）構(gòu)建以用戶為中心的虛擬小區(qū)

以往的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究的關(guān)注點(diǎn)大都集中在如何統(tǒng)一管理不同制式的基站，而忽略了對(duì)用戶的管理。用戶依然需要繁瑣的網(wǎng)絡(luò)選擇和優(yōu)化才能擁有較好的通信質(zhì)量。因此，RAN云化應(yīng)構(gòu)建以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，考慮未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)需求和用戶的接入需求，一方面利用集中式的方法統(tǒng)一控制不同制式的接入網(wǎng)絡(luò)，另一方面針對(duì)每一個(gè)用戶優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源。

云化后接入網(wǎng)將支持用戶在多種應(yīng)用場(chǎng)景和業(yè)務(wù)需求下的智能無(wú)線接入，并實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線接入技術(shù)的高效融合，無(wú)線組網(wǎng)可基于不同部署條件要求，進(jìn)行靈活組網(wǎng)，并提供邊緣計(jì)算能力。同時(shí),建立以用戶為中心的虛擬小區(qū)實(shí)現(xiàn)基于服務(wù)、終端、用戶類型和接入點(diǎn)的靈活選擇，用戶可以與其通信范圍內(nèi)的所有基站通信，實(shí)現(xiàn)不同制式的基站協(xié)同為用戶進(jìn)行服務(wù)，避免用戶面數(shù)據(jù)流在基站之間迂回和減少時(shí)延。該架構(gòu)打破了以往以基站為中心的小區(qū)概念，改為針對(duì)每個(gè)用戶進(jìn)行無(wú)線資源管理和優(yōu)化，提升用戶體驗(yàn)。

另外，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)云配合接入云和控制云實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的高速轉(zhuǎn)發(fā)與處理，在轉(zhuǎn)發(fā)云中業(yè)務(wù)使能單元與轉(zhuǎn)發(fā)單元呈網(wǎng)狀部署，一同接受控制云的路徑管理控制，根據(jù)控制云的集中控制，基于用戶業(yè)務(wù)需求，軟件定義業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)路徑，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元與業(yè)務(wù)使能網(wǎng)元的靈活選擇。轉(zhuǎn)發(fā)云需周期或非周期地將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息上報(bào)進(jìn)行集中優(yōu)化控制，以保證轉(zhuǎn)發(fā)云的轉(zhuǎn)發(fā)效率。另外，考慮到某些對(duì)時(shí)延要求敏感的事件需要采用霧計(jì)算進(jìn)行處理。

（4）無(wú)線網(wǎng)白盒化

隨著傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)向未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)渡過(guò)程，白盒化成為一種重要的趨勢(shì)，因此對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言解決通用化平臺(tái)的轉(zhuǎn)發(fā)能力的提升，將成為運(yùn)營(yíng)商推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)中需要直面的問(wèn)題之一。無(wú)線網(wǎng)白盒化可分為軟件和硬件兩部分，通過(guò)不同的方式去實(shí)現(xiàn)。

硬件方面的白盒化目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能軟硬解耦后的硬件通用化。CU可被云化的部分引入通用計(jì)算平臺(tái)可降低設(shè)備的硬件成本。硬件需求CU-U/CU-C承載非實(shí)時(shí)功能，可以運(yùn)行在通用處理器上，實(shí)現(xiàn)軟件和硬件解耦。在部署上可以不依賴硬件形態(tài)，即CU-U中PDCP和S1-U/NG-U接口的終結(jié)功能需要大量的包處理，需要硬件具備相應(yīng)的處理能力，保證PDCP處理的性能不下降。而AAU/RRU部分則可嘗試進(jìn)行白盒化參考設(shè)計(jì)，廠商可快速制造大量廉價(jià)、通用的硬件，從而降低射頻單元的采購(gòu)成本。

軟件方面的白盒化，運(yùn)營(yíng)商可根據(jù)自身需求通過(guò)完全自主研發(fā)或者基于開源碼的二次研發(fā)實(shí)現(xiàn)自主開發(fā)軟件功能與廠商已有軟件功能的集成對(duì)接。無(wú)線設(shè)備的傳統(tǒng)功能依然由主設(shè)備廠商研發(fā)，而運(yùn)營(yíng)商研發(fā)的軟件功能是對(duì)既有傳統(tǒng)設(shè)備的增量控制和管理功能，依靠新增功能可實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)功能的自主定制，從而提升無(wú)線網(wǎng)面向多類上層業(yè)務(wù)的支撐能力。

4 結(jié)論

當(dāng)RAN發(fā)展為云RAN將有望迎來(lái)卓越的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如今運(yùn)營(yíng)商正逐步展開行動(dòng)希望實(shí)現(xiàn)這一愿景。RAN云化實(shí)現(xiàn)從拓?fù)涞劫Y源分布完全彈性的新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從人機(jī)互聯(lián)到萬(wàn)物互聯(lián)；從單連接到多連接；從單一的資源調(diào)度轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蚨嗫蛻羧旱亩鄻I(yè)務(wù)資源切片管理，運(yùn)營(yíng)商可更好地應(yīng)對(duì)未來(lái)在技術(shù)、業(yè)務(wù)、商業(yè)各領(lǐng)域的轉(zhuǎn)變。