一文读懂 5G 架构中的SDR和SDN

SDNLAB

发布于 2022-05-09 06:40:59

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随着 5G 时代的到来，无线通信将迎来新的变化，5G 的三大典型应用场景包括海量机器类通信 (mMTC)、超可靠低延迟通信 (URLLC) 和增强型移动宽带 (eMBB)。此外，5G 还将提供跨多技术网络的融合网络通信，以及与卫星、蜂窝网络、云、数据中心和家庭网关联合的开放通信系统。

5G网络架构

5G网络有接入网、承载网、核心网三部分。接入网一般是无线接入网(RAN)，主要由基站（Base station）组成。一个基站，通常包括BBU(主要负责信号调制)、RRU(主要负责射频处理)，馈线(连接RRU和天线)，天线(主要负责线缆上导行波和空气中空间波之间的转换)。

4G每个基站都有一个BBU，并通过BBU直接连到核心网。而在5G网络中，接入网不再是由BBU、RRU、天线这些东西组成了。而是被重构为以下3个功能实体：CU(Centralized Unit，集中单元)，DU(Distribute Unit，分布单元)，AAU(Active Antenna Unit，有源天线单元)。原来4G的RRU和天线合并成AAU，把BBU分离成CU和DU，DU下沉到AAU处，一个CU可以连接多个DU。

4G只有前传和回传两部分，在5G网络中则演变为三个部分，AAU连接DU部分称为5G前传（Fronthaul），中传（Middlehaul）指DU连接CU部分，而回传（Backhaul）是CU和核心网之间的通信承载。（见图1）。

图 1：5G 网络的三个组成部分

5G 核心网包含多个用于访问和控制的组件。在 SBA 架构中，组件排列在一组互连的网络功能 (NF) 中，包括NF存储库功能（NRF）、网络切片选择功能（NSSF）、策略控制功能（PCF）、用户平面功能（UPF）、会话管理功能（SMF）、接入和移动管理功能（AMF）和数据网络(DN)。在用户设备 (UE) 端，通过 gNB 节点控制和执行访问，这些节点通过 NG 接口与 AMF 和 UPF 服务通信。

NG接口分为NG-C接口（NG-RAN和5GC之间的控制面接口）和NG-U接口（NG-RAN和5GC之间的用户面接口），承载控制面和用户面协议：控制面控制会话和与网络的连接，包括服务请求和传输资源，用户面实现PDU（Protocol Data Unit）会话。

5G 是基于服务的架构，基于服务的特性比 4G/LTE 更具吸引力，它提供了网络切片、功能虚拟化、基于云的系统以及与 Open-RAN 技术更好的兼容性。此外，UPF 的实现解耦了网关控制和用户平面，AMF将会话管理与连接和移动性管理分开。在 5G 中，用户平面和控制平面是解耦的。

5G 最重要的方面之一是 RAN 元素的解耦和虚拟化，通过O-RAN架构，运营商可以在同一系统中结合不同的供应商，从而提高灵活性并让运营商可以自由地选择技术提供商。

在O-RAN中，基站分为两个：CU和DU（图2）。CU 负责处理非实时协议和服务，而 DU 负责处理物理层协议和实时服务。在链的末端，RRU管理所有 RF 通信和组件，例如调制、编码和避免干扰。在协议栈方面，CU处理高层，DU管理低层，RRU处理物理层。CU 和 DU 之间的开放接口称为高层拆分 (HLS)，而 DU 和 RRU 之间的连接由低层拆分 (LLS) 接口组成。所有 O-RAN 应用程序都在 RAN 智能控制器 (RIC) 上运行。RIC 平台提供对 RAN 组件的抽象，集成优化和自动化算法。

图 2：O-RAN

软件无线电 (SDR)

软件定义无线电（SDR）是由模拟无线电前端 (RFE)、基于 FPGA 的数字单元和混合信号接口组成的无线电系统。RFE 负责接收和发送 RF 信号的模拟部分，由 DAC/ADC 接口离散化。RFE 是电路的重要组成部分，它定义了信号范围、通道数和带宽。市场上性能最高的 RFE 可实现 3 GHz 的瞬时带宽，使用多达 16 个独立通道。

SDR 的核心是一个配置有 DSP 功能的 FPGA：调制/解调、上/下变频和数据分组。FPGA 是完全可重构的数字逻辑矩阵，因此同一系统可以支持多种处理算法、最先进的协议、甚至在不改变硬件的情况下实现人工智能。SDR 提供低延迟、灵活性、高互操作性和大规模 MIMO 功能（对于波束赋形和空间复用非常有用）。

在 5G 架构中，RRU 和BBU都可以包含一个或多个 SDR 单元。例如，在 gNB 5G BBU 中，通过eCPRI光纤实现与RRU的连接。在这些情况下，SDR 必须同时包含 eCPRI 和千兆以太网 (GBE) 端口，以及处理 MIMO 天线的能力。另一方面，RRU SDR 需要符合应用的频率范围，它可以属于 FR1 或 FR2 类别（FR1 (Frequency Range 1)的频段范围为600 ~ 6000mhz, FR2 (Frequency Range 2)的频段范围为24.25 ~ 52.6 GHz）。与 FR1 相比，FR2 频段适用于更短距离/更高带宽的应用。必须选择并配置 RRU SDR ，使其工作在所需的频谱范围内。

SDR 的重要性源于其在 O-RAN 系统中的作用。O-RAN 最重要的三个标志，解耦、虚拟化和软件化，其中软件化就是由 SDR 提供。软件化是实现 URLLC、eMBB 和 mMTC 的基础。此外，基于 SDR 的系统是灵活的、可升级的、可互操作的，无需不断更换硬件就可以控制 RAN。SDR 还遵守 RIC 生成的指令，这对于 RAN 优化和自动化至关重要。

软件定义网络 (SDN)

软件定义网络 (SDN) 是控制平面功能和转发功能之间的物理分离。典型的 SDN 架构分为三个部分：应用层、控制层和物理基础设施。各层之间通过 API 相互通信（北向 API 用于应用控制通信，南向 API 用于控制基础设施）。SDN 提高了可编程性并实现了更高水平的网络自动化和优化。它还提供类似云的功能，允许从物理层进行集中计算和网络控制抽象、数据分析算法，并通过虚拟overlay网络实现系统虚拟化，从而实现了5G最重要的功能之一：网络切片。

网络切片是指将物理网络划分为多个虚拟网络，这些虚拟网络是独一无二的，并且针对特定的服务或应用程序进行了优化。每个虚拟网络或切片只能配置执行特定任务所需的特定资源，例如自动驾驶汽车、物联网设备和移动服务。这种技术最明显的优势是资源分配的优化和调整，以满足特定客户和细分市场的需求。客户端服务可以分为 eMBB、mMTC 和 urLLC，每个类别都有自己的吞吐量、带宽、延迟和鲁棒性要求（图 3）。网络切片是通过结合使用 SDN、SDR、网络功能虚拟化（NFV）、数据分析和自动化来实现的。尤其是端到端的自动化对于实现实时网络适应性、设计和控制单个RAN中的大量切片至关重要。

图 3：5G 网络切片

NFV对于网络切片至关重要，NFV可以实现曾经由硬件执行的RAN 和核心网络功能的虚拟化。通过在软件中实现网络功能，运营商无需更换硬件即可使用最先进的算法不断更新网络功能，节省时间且成本更低。此外，NFV 允许通过网络切片实时重新调整用途和重新分配功能，以及对 RAN 资源进行切片间和切片内控制。

用于优化网络资源的 SDR 和 SDN/NFV

5G 系统所需的高吞吐量让LTE 网络不堪重负。例如，典型的基于 CPRI 的 LTE 前传通常处理约 10-20 MHz 的信道带宽，在 10 信道转换为大约 10 Gbps。而 5G 处理 100 MHz 到 500 MHz 范围内的带宽，并且通过大规模 MIMO 扩展，前传吞吐量可以达到 Tbps 范围。CPRI 光纤已经不够用了，需要优化技术，例如增强型 CPRI (eCPRI)。在 eCPRI 接口前传中，物理层功能在 RRU 和 DU 之间以优化的比例进行拆分，从而增加了 RUU 的复杂度，同时减少了前传的负载。性能优化的要求不仅限于前传，因为资源实例化的位置、访问和管理都很大程度上取决于服务切片的要求。在这种情况下，基于 SDR 和 SDN/NFV 的架构（图 4）可以提供帮助。

5G 优化有几种不同类型的编排和控制。例如，软件定义的 RAN (SD-RAN) 社区正在开发与 O-RAN 兼容的开源 RIC 控制器。SD-RAN 项目专注于开发近实时 RIC (nRT-RIC)，以优化网络控制的动态和延迟，其中最突出的是开源 µONOS-RIC。除了开源特性外，µONOS-RIC 还兼容基于 AI/ML 的应用程序，可针对大规模 MIMO、自组织网络 (SON) 和智能无线电资源管理 (RRM) 进行优化。另一种最近发展起来的优化技术是跨层控制器(cross layer - controller, CLC)，它根据实时监控的RAN条件，应用于网络片之间的资源分配和配对，通过SDR和SDN系统进行跨层管理，并根据一组目标KPI进行调整。

图 4：SDN/NFV 可应用于 5G RAN 以优化性能

在基于O-RAN的架构中，网络优化的主要目标是在各种情况下提高整体性能，防止网络不稳定，并以最小的损害解决问题。它通过不断测量 KPI 和众包信息，并做出相应的控制和调整决策，这可以防止拥塞、过载和干扰，并减少延迟。在 O-RAN 中，通过 nRT-RIC 执行优化。外部智能可以在 nRT-RIC 之上运行，根据 AI/ML 算法做出决策。AI/ML 驱动的 nRT-RIC 支持使用高级管理算法，例如动态频谱共享 (DSS) 和 NSSI 资源分配优化。

在 O-RAN 架构中，Split Option 7-2x LLS 符合多种优化技术，包括波束成形优化。波束成形可通过将射频波束聚焦到特定位置来提高数据吞吐量和并行连接数量，并提高网络的功率效率和信噪比。大规模 MIMO 天线在波束成形优化中发挥着重要作用。在这些系统中，控制器设定一个全局优化目标，每个 MIMO 单元对波束做出部分贡献。SDR BBU 是 MIMO 天线动态和相干协调的基础。

面向 O-RAN 的 5G 架构给网络设计带来了一些挑战。研究人员仍在尝试解决技术瓶颈，例如如何为 AI 代理提供短开销数据访问，如何设计稳健的数据驱动控制回路，以及每个 RAN 组件的确切角色和要求是什么。SD-RAN 社区是试图解决这些问题的研究团队之一。如前所述，SD-RAN 开发了一种与 AI/ML 应用程序兼容的开源 nRT-RIC，它为数据驱动的控制回路和智能分配提供了所需的技术和抽象。OpenRF 协会的目标是开发一个高度互操作的 5G 生态系统，包括射频硬件和软件，以降低集成成本、加快上市速度，同时保持足够的灵活性和定制化。SD-RAN 和 OpenRF 项目都需要强大的 SDR 和 SDN。

小结

本文讨论了 5G SBA 系统的编排、实施、管理和功能等多个方面，着重介绍了 Open-RAN 架构。目前Open-RAN 社区正在通过在 RRU 和 BBU 之间使用开放和解耦的接口标准来推动新型 5G 解决方案的开发。在这种情况下，SDR 和 SDN 能够提供灵活性、互操作性、软件化和虚拟化（实现网络切片和 DSS 等独特 5G 功能的基本工具）在 5G 革命中发挥重要作用。

*本文系SDNLAB编译自EDNASIA

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