5G无线网络架构及其虚拟化技术

910412506

基带非实时处理位于集中单元节点（CentralUnit，
CU），而基带实时处理位于分布单元节点（Distributed
Unit，DU）。
? DU需要较高的实时性，与传统BBU类似，将采用专用硬
件平台，支撑高密度数学运算能力。
? CU的实时性要求较低，可采用虚拟化技术，采用通用处
理平台。
3GPPTR38.801
不同划分方案的目标
引入CU/DU架构的好处
? 尽可能的减少传输带宽需求
? 尽可能的满足协议层之间传输时延的要求
? 由于集中程度不同，协作化算法（如联合调度、联合接收、联合
发送)的支撑程度和所获增益不同
不同划分方案的目标
引入CU/DU架构的好处
? CU集中虚拟化可充分利用硬件资源，方便
网络扩缩容和在线迁移等
? CU作锚点，更有利于实现多RAT融合和无
缝移动性管
做世界级综合信息服务提供商
发送)的支撑程度和所获增益不同
? CU节点的虚拟化资源集中程度不同，对通用平台服务器要求不同
缝移动性管理
? 有利于支撑灵活的资源协调和配置
<3>
不同CU/DU功能划分方案对比（2）
Protocol
Split option
Required
bandwidth
Max. allowed one
way latency [ms]
Option 1 [DL: 4Gb/s]
[UL 3Gb/ ]
[10ms]
Items Assumption Applicability
Channel
Bandwidth
[100MHz(DL/UL)] All options
计算带宽的假设条件
[UL: 3Gb/s]
Option 2 [DL: 4016Mb/s]
[UL:3024 Mb/s]
[1.5~10ms]
Option 3 [lower than option 2 [1.5~10ms]
Modulation [256QAM(DL/UL)]
Number of
MIMO layer
[8(DL/UL)]
IQ bitwidth [2*(7~16)bit(DL), Option 7a
Option 3 [lower than option 2
for UL/DL]
[1.5 10ms]
Option 4 [DL:4000Mb/s]
[UL:3000Mb/s]
[approximate
100us]
O ti 5 [DL 4000Mb/ ] [h d d f
2*(10~16)bit(UL)] Option 7b
Option 7c
[2*16bit(DL/UL)] Option 8
Option 5 [DL: 4000Mb/s]
[UL: 3000 Mb/s]
[hundreds of
microseconds]
Option 6 [DL: 4133Mb/s]
[UL:5640 Mb/s]
[250us]
Number of
antenna port
[32(DL/UL)] Option 7b
Option
7c(UL)
[UL:5640 Mb/s]
Option 7a [DL:10.1~22.2Gb/s]
[UL:16.6~21.6Gb/s]
[250us]
Option 7b [DL:37.8~86.1Gb/s]
[UL 53 8 86 1 Gb/ ]
[250us]
Option 8
3GPPTR38.801AnnexA
[UL:53.8~86.1 Gb/s]
Option 7c [DL:10.1~22.2Gb/s]
[UL:53.8~86.1Gb/s]
[250us]
Option 8 [DL:157.3Gb/s] [250us]
做世界级综合信息服务提供商 <4>
p [ ]
[UL: 157.3Gb/s]
[ ]
CU/DU分离架构标准化进展
? SI阶段：完成8种方案的评估分析（2017年3月冻结）
? Option1-4为高层划分方案，Option5-8为低层划分方案
? 评估分析给出了8种方案对传输网络带宽和时延要求
? WI阶段：确定Option2为高层划分方案（2017年4月开始）
? 3GPP确定Option2（PDCP-RLC划分）为CU-DU之间的划分方案，作
为R15NRWI阶段的标准化工作重点
? 在R15阶段，DoCoMo牵头底层划分方案的SI研究，希翼打开DU和
AAU之间的接口
? 目前3GPP已确定相关文档编号，接口和功能划分的细节还在讨论中
TS 38.401 NG-RAN;Architecturedescription
TS 38.470 NG-RAN;F1generalaspectsandprinciples
4 ; 1 r TS 38.471 NG-RAN;F1layer1
TS 38.472 NG-RAN;F1signallingtransport
TS 38.473 NG-RAN;F1ApplicationProtocol(XnAP)
TS 38.474 NG-RAN; F1 data transport
做世界级综合信息服务提供商 <5>
TS 38.474 NG RAN;F1datatransport
TS 38.475 NG-RAN;F1interfaceuserplaneprotocol
CU/DU分离架构与接口
? 架构特点
? CU/DU通过F1接口进行连接
5GC
NG NG
? 控制面消息采用SCTP
? 用户面消息采用GTP-U
? 一个CU可以控制多个DU，现阶段一个逻辑DU仅
能连接到 个
Xn
NG-RAN
gNB-CU
gNB
gNB-CU
gNB
能连接到一个CU
? 不标准化独立的DU-ID
? CU可以分裂成CU-C和CU-P两个部分，C和P的
部分 接 进行连接
gNB-DU gNB-DU
F1 F1
gNB-DU gNB-DU
F1 F1
部分采用E1接口进行连接
? Xn和NG接口都终结于gNB-CU中
? 架构黑盒：CU和DU的结构对外不可见，外部仅
能 实体
Central UP entity Central CP entity
NG-C NG-U
NG-C NG-U
CP/UP分离的CU架构
能看见一个gNB实体
? 独立网管接口：CU和DU都具有独立的OMC接口
? 3G中，仅有RNC有OMC接口
Distributed entity
Xn-C Xn-U
F1-C F1-U
E1
NG RAN Node
Xn-U Xn-C CU-C CU-U
? 5G中要求CU和DU异厂家且DU发起F1接口建立，促
使CU和DU具有独立接口
Distributed entity
„NG-RAN Node –
NR mode“
DU
2017年6月 3GPP TR38 401
2017年6月， VDF和Ericsson推动CU侧
做世界级综合信息服务提供商 <6>
2017年6月， 3GPPTR38.401
开始定义5GRAN架构的标准
年 月， 和 推动 侧
CP/UP分离SI立项通过
CU/DU分离架构的驱动力：云化和虚拟化趋势
PDCP
RRC CU设备
基带非实时处理
PDCP
F1
通用硬件平台，NFV虚拟化实现
MAC
RLC
F1 F1
PHY
CPRI或eCPRI
RF
DU设备，基带实时处理，专用硬件平台
时延：eMBB(百微妙级 ) uRLLC(几十微妙 )
时延：eMBB(几毫秒 )
前传带宽：eMBB(约二十几Gbps@100MHz )
中传带宽：eMBB(几Gbps@100MHz )
做世界级综合信息服务提供商 <7>
中传带宽：eMBB(几Gbps@100MHz )
CU/DU分离架构的驱动力：更好适应5G业务发展
用户面集中，更好的DC
分流：
用户面集中，更好的DC
分流：
4G/5G/其他接入方式之间的
边缘计算使能新业务的敏捷
部署：
边缘计算使能新业务的敏捷
部署：
RAN的控制面 用户面锚点可
支撑更智能的网络运维：
网络功能的管理和专用硬件解耦，
Cloud和NFV使能高效的资
源管理：
Cloud和NFV使能高效的资
源管理：
通过高层切分 CU侧主要包含 4G/5G/其他接入方式之间的
DC，是提升用户体验，并在
5G部署初期保持更好的业务
连续性的重要手段。
RAN的控制面、用户面锚点可
以和分布式网关，甚至是
Application共部署，提供更开
放的接口，使能更多的
Application。
网络功能的管理和专用硬件解耦，
网元集中管理可以使网络的管理
更智能。
通过高层切分，CU侧主要包含
的是RAN非实时处理部分，可以
云化部署. 通过更灵活的Scale in
/ Scale out，以及支撑和其他
VNF共部署，提升计算资源的利
效率
OSS
用效率
RAN-
RT
RAN-
RT
RAN-
RT
RAN-
RT
RAN-
RT
RAN-
RT
RAN-NRT AC
LT Wi
ii
5 5
G
gNB eNB
Logical NE management centralized in CU
RAN- - RAN- -
RAN-NRT D-GW
APP
Server
APP
Server
……
E Fii G
DU DU DU
……
Hardware management
E9000 Scale Out
• 云化之后，CU的处理能力可以更
RAN
RT
RAN
RT
• 避免用户面数据流在基站之间
迂回；
避免用户面数据流在基站之间
迂回；
• 避免由于数据迂回产生额外的
• 增加、删除、更换BBU不再和重新配
置eNB/gNB网元相对应.
增加、删除、更换BBU不再和重新配
置eNB/gNB网元相对应.
• CU 部分在云上可以存储更多的管理、
测量和性能统计信息，为后续产生更
容易的Scale out;
CU 部分在云上可以存储更多的管理、
测量和性能统计信息，为后续产生更
容易的Scale out;
• 通过云化，CU的处理和硬件解耦，
只要有足够的计算资源，CU的
Scale in和Scale out可以自动进
通过云化，CU的处理和硬件解耦，
只要有足够的计算资源，CU的
Scale in和Scale out可以自动进
• 通过业务边缘部署大幅缩短E2E时
延;
通过业务边缘部署大幅缩短E2E时
延;
• 通过集中和云化，RAN方便提供开
时延
智能的运维特性提供了条件. 行.
放接口. 时延
智能的运维特性提供了条件. 行.
放接口.
做世界级综合信息服务提供商 <8>
CU/DU分离架构下的5GNSA到SA演进
做世界级综合信息服务提供商 <9>
汇报提纲
5G无线网络CU/DU分离架构 1
无线网络虚拟化技术 2
做世界级综合信息服务提供商 <10>
什么是虚拟化
一M：N 套机制实现资源 的映射，提供给不同客户端以满足不同的需求
做世界级综合信息服务提供商 <11>
IT领域的虚拟化
虚拟化是指将物理
CPU、内存、网卡
等计算机资源通过
一定的方法生成虚
拟的CPU、内存、
网卡，提供给不同
的客户端。
hypervisor
虚拟化技术实现在相同的物理
服务器上运行多个不同的操作
系统，它们既共享底层的物理
硬件，同时又被隔离在不同的
虚拟机上
做世界级综合信息服务提供商 <12>
虚拟机上
不同的虚拟化类型
做世界级综合信息服务提供商 <13>
CPU虚拟化
做世界级综合信息服务提供商 <14>
内存虚拟化
做世界级综合信息服务提供商 <15>
IO虚拟化
做世界级综合信息服务提供商 <16>
虚拟化的好处
共享
Run multiple operating system on
one physical server
封装
The entire virtual server is
merely an image file and a one physical server
Improve the utilization of the
hardware capacity
merely an image file and a
configuration file
Fast deployment
硬件无关 隔离
Fault and security isolation
Resource scheduling
硬件无关
heterogeneous system can co-
exist on the same physical
pltfrm p at o
Build once, run everywhere
Hardware and software can
evolve independently
做世界级综合信息服务提供商 <17>
ETSINFV架构
做世界级综合信息服务提供商 <18>
ETSINFV架构
? 基础设施层：为VNF提供部署、管理和实行环境，并实现对NFVI资源（包
的理监控 含硬件资源和虚拟资源） 管 和
? NFVI：包括硬件资源层、虚拟化层及其上的虚拟资源层，实现对虚拟网络层业务网元的承载
? VIM：实现对NFVI资源的管理、调度、编排和监控功能
? 虚拟网络层：基于底层云化基础设施实现业务能力
? VNF是基于NFVI虚拟资源部署的业务网元
? EMS是VNF业务网络管理系统，提供网元管理功能
? VNFM是VNF管理系统，负责VNF生命周期管理以及VNFD的生成与解析
? 运营支撑层：实现对业务的编排、运维与管理
? OSS/BSS是业务网络支撑系统，实现与NFVO的交互，共同完成维护与管理功能
? NFVO主要负责跨VIM的NFVI资源编排及网络业务的生命周期管理和编排，并负责NSD的生
成与解析
NFVO、VNFM与VIM合称NFV管理和编排（MANO），负责虚拟业务网络的部署、
做世界级综合信息服务提供商 <19>
调度、运维和管理
无线网络虚拟化带来的好处
? ? RAN 虚拟化将成为 移动网络演进 的 一种 趋
势
虚拟化将成为 移动网络演进 的 一种 趋
势
? 为了支撑业务快速部署、降低网络建设运维成
Service
HSS
VM
IMS
VM
MSCS
VM
MME
VM
VM
MM
E
VM
VM
? 为了支撑业务快速部署、降低网络建设运维成
本和复杂度、满足未来业务差异化、定制化需
求，提升运营商竞争力，采用通用硬件平台，
通过虚拟化技术实现软硬件解耦，使得网络具
有灵活的 扩展性 开放性和演进能力
MM
E
VM
MME
VM
MM
E
VM
SGW
VM
MM
E
VM
PGW
VM
MM
E
VM
PCRF
VM
MM
E
VM
HSS
VM
V-EPC
有灵活的可扩展性、开放性和演进能力。
? ? RAN 虚拟化是实现 5G 移动网络端到端虚拟
化 的重要环节
移动网络端到端虚拟
化 的重要环节
V-RAN MM
E
eNB
Physical eNB
Virtualization
? 通过“用户↔无线接入网↔核心网↔业务平台”
端到端的虚拟化，虚拟出多个虚拟网络，实现
资源的共享与隔离，提供给虚拟运营商/业务提
供商 RAN虚拟化是实现端到端网络切片的重
Operator A
VM
VM
Radio Resource
Virtualization
供商。RAN虚拟化是实现端到端网络切片的重
要环节。
Operator B
Time
Frequency
Virtualization
? RAN 虚拟化有利于新业务开发验证
? 虚拟化可以将资源虚拟为不同的切片，每个切片实现了资源的共享与隔离，因此，新业务可
以在现网进行开发和实验，这又不会对现有网络的业务造成影响。此外，作为未来网络架构
不可或缺的无线接入技术，通过虚拟化技术的引入，也可以实现新的无线接入技术在现有的
虚拟化网络中进行规模验证实验，缩短开发验证周期，加快网络的演进步伐，同时又不影响
做世界级综合信息服务提供商 <20>
现网运营。
无线网络虚拟化面临的挑战
? 基于通用处理器的虚拟机处理无线信号时面临性能挑战
? 对于密集型计算能力，DSP核的效率远高于CPU核，而同主频的DSP Core面积功耗也远
小于Intel CPU Core。RAN对计算实时性要求高，虚拟化技术难度大
? I/O虚拟化性能面临挑战
? 无线协议栈不同层间、不同网元间需要高速数据转发，当虚拟化之后，VM之间以及VM
与I/O设备之间的数据交换均需要虚拟化层App的调度处理，会成为转发性能的瓶颈
? 虚拟机的在线迁移和热备份需要满足的严格实时性和高可靠性要求
? 传统IT领域虚拟机的在线迁移所花时间较长，会导致连接中断或者性能下降。
? 多种类型的虚拟层hypervisor产品评估和选择
? IT界存在多种hypervisor如Xen, Vmware, Oracle VirtualBox, KVM和Docker等，究竟
哪一种适合RAN虚拟化，需要从虚拟化类型、操作系统、商用化程度等各个方面评估