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5G分割RAN架构

1、引言:发展5G RAN分割架构的背景

 

随着4G的不断演进与5G技术的发展,移动通信RAN(无线接入网)正在经历一场架构变革,以提高部署灵活性、增强网络动态性,使得将来的5G网络能够满足各类业务(包括极速MBB(移动宽带)、IoT(物联网)与大规模MTC(机器类通信))不断增长的性能需求。RAN架构变革的方向包括将某些功能“下沉”部署到网络边缘、增加RAN的弹性等。同时控制好TCO(总体拥有成本),其中,购买无线频谱资源、建设基站这两项就占了一大部分——从而,新兴RAN架构应能提高频谱资源利用率、硬件设备性能、能效。

 

下文就介绍一种先进的、可部署于通用及专用硬件设备并可用软件进行配置的、可支持网络切片的、功能具有最大化可扩展能力的RAN分割架构方案。

 

25G RAN分割架构应具备的4大能力

 

1)对无线资源的“无缝”管理

 

需要跨所有的接入网络技术、天线、基站,很好地结合移动宽带用户周围空间的所有无线电波束为其提供连接服务。这种能力可通过载波聚合、双连接、CoMP(多点协作式传输)、规模/大规模MIMO(多天线)、波束成型等技术来实现。

 

2)功能分割

 

某些5G业务的性能要求很苛刻(比如超低延迟、超高吞吐),这就需要RAN架构与拓扑高度灵活。可通过分割RAN的功能来实现,包括分离UP(用户平面)与CP(控制平面)。

 

3)动态的、软件定义的RAN

 

将来可以通过软件命令来对逻辑节点进行配置、扩容与重新配置,以使得5G RAN能动态地适应网络数据流量的不断变化、硬件故障、新的业务性能需求。可以这样来实现上述功能:①分离出逻辑节点,并将其虚拟化之后再部署于GPP(通用处理器);②设计出可于SPP(专用处理器)中动态配置或重新再配置的相关功能。

 

4)部署灵活性

 

如果具备了“部署灵活性”,无论拓扑结构、传输网络性能、频谱场景如何,5G RAN的部署及配置,将会获得最大的频谱效率和业务性能。可以这样来实现:把RAN架构合理分割成多个逻辑节点,并在考虑物理拓扑与业务需求的前提下,灵活、按需地把每个类型的逻辑节点部署到最合适的站点。

 

其中,上述的“RAN架构合理分割”,有着以下流程/步骤:①梳理组成5G RAN的各逻辑功能;②选择出需要部署到距离天线单元仅少量TTIs(传输时间间隔)的延迟敏感型功能;③选择出对于延迟需求较为宽松的逻辑功能;④研究在用户平面的何处部署软合并、载波聚合以及双连接的锚点;⑤确定哪些逻辑节点可以作为VNFs(虚拟网络功能)来实施。然而,由于作了功能分割,在上述的过程之中,容易产生新的节点间干扰。为确保底层传输网络能支撑各种业务部署场景,需仔细考量相关干扰的特性。

 

34G/5G RAN的逻辑架构

 

移动通信国际标准组织3GPPRAN域的外部接口(与运营支撑系统OSS的接口除外)作了标准化,将RAN域的功能特性作为一个整体。3GPP在相关顶层规范中预留了创新空间,以期以RAN内部增值特性来使网络得到增强演进,包括频谱效率(以调度算法、功率控制算法、各种无线资源管理RRM特性等形式)和能效的提升,以及对业务特性的增强(比如降低延迟)。图14G/5G RAN的逻辑架构。最优的RAN架构分割方案需最终由3GPP确定。

 

1  4G/5G的逻辑RAN架构

 

1RAN锚点

 

1描述了上行与下行各个功能的实例化,其中实线代表的是用户平面功能。下行方向,PDUs(协议数据单元)通过S1-U接口(右)进入RAN域,并由空口传送至终端(左)。多径处理功能是“双连接”的锚点,用于把同一用户数据流中的多个PDCP(分组数据聚合协议)PDUs调度至不同的RLC(无线链路控制)实例(可能在不同的无线接入网中)。这样,用户终端就可以通过不同的无线信道(比如连接至不同基站的NR(下一代无线接入网)与LTE)来同时接收和发送数据。此外,MAC(媒质接入控制)功能是载波聚合的锚点,将用于通过多个4G/5G载波为每个用户终端发送MAC PDUs,处理CoMP与多波束传输。而在上行方向,L1/物理层PHY功能则执行软合并,MAC功能以载波聚合来汇聚上行数据,“多径处理”功能则汇聚从双连接上行数据流中接收到的数据。

 

2HARQ(混合式自动重传请求)环

 

3GPP对终端与网络在无线层面的重传周期与响应时间作了规范,并称之为“HARQ环”,包括空口传输时间、对RF-L1/PHY-MAC功能的竞争时间、用户终端的RF-L1/PHY-MAC功能。LTE网络中,HARQ环的来回延迟预算被标准化为3毫秒,而对于下一代无线接入网则降至200微秒。环中的所有RAN功能与空口TTI同步工作,而PDCP与多径处理功能则向PLC层异步发送和接收数据——这对于RAN分割架构有较大意义。

 

3)控制平面功能

 

运行时间控制功能可通常分为三类:对每个用户执行(U-RRM)、系统层面的频谱控制(S-RRM)、基础设施或其他通用资源的管理。

 

U-RRM功能包括测量上报、调制与编码制式选择、每用户终端承载处理、切换执行。快速U-RRM功能在HARQ环中执行,并向调度器提供已经得到处理的实时用户终端信息。另一方面,U-RRM功能用于用于用户终端处理时要历时10毫秒或更多,包括承载处理、每用户终端策略处理、切换控制等。

 

S-RRM功能包括无线调度、跨活跃终端的功率预算分配、系统初始化的负载共享切换。HARQ环内的快速S-RRM运行对无线调度及与MACRLC有紧密协调的相关功能负责。系统区域处理器(比如负载共享、系统信息控制、双连接控制)可在10毫秒以内对频谱进行控制。

 

可对基础设施或其他通用资源(频谱除外)进行管理的功能包括对于传送、连接、硬件及能量的处理。若容许频谱、传送、基础设施、连接的控制功能可相互交互,就将可创建出一个面向RAN资源的整体控制系统。

 

4、接口特性

 

RAN HARQ环的时间预算分为处理时间、信号与数据穿透不同内部功能接口的时间,接口信令所花时间越少,可用于处理的时间就将越多,从而可降低硬件成本及能耗。为了最小化信令延迟、最大化硬件效率,MACRLC及快速U/S-RRM功能应运行于相同的硬件实例。随着网络数据流至图2中的右侧,对于接口延迟/时延的需求就会逐渐降低。

 

2  RAN架构中的逻辑接口及其特性需求

 

CPRI(通用公共无线接口)将随着有效载波带宽及天线单元数量的增多而扩展。LTE网络中,在CO(中心局)进行多个站点CPRI接口的联合合并,可提高上行频谱效率。但是,由于下一代无线接入网络的载波带宽更大、天线单元数量更多,站间CPRI的实现就将会在延迟、可用带宽方面面临挑战。

 

RLC与多径处理器之间的接口随着用户数据的增长而扩展,而且对于延迟/时延的容许在数毫秒级别的水平。该接口受限于双连接的性能:若接口时延增大,双连接的性能就会迅速降低。从而,该接口无论内置于节点,还是作为节点之间的网络接口,还是作为站点间的接口,延迟都须控制在3~5毫秒。

 

2中的其他接口用于承载慢速控制数据(蓝线部分)、RANRPC之间的用户数据(S1-U接口)。这个接口的延迟要求都较为宽松,均在10毫秒以上。

 

5、硬件需求

 

业界趋向于把与无线接口异步的控制功能进行虚拟化,并以VNF(虚拟网络功能)的形式进行部署。这是由于,这些控制功能是基于事务的,而且不需要进行重度的分组数据处理。

 

另一方面,诸如多径处理、PDCPS1-U接口终结等功能则由于具备分组数据处理功能(包括封装、数据包头部读取/创建、加密/解密、路由),则难于对其作虚拟化处理。然而,如果底层硬件的组成中含有加密分流(硬件加密模块)及数据分组处理器,就可以在不降低性能的情况下于NFV(网络功能虚拟化)环境中虚拟化上述控制功能。

 

大多数RAN处理周期发生于HARQ同步功能。上行无线解码与调度等是计算密集型的任务。因此:若上行解码可以执行更多的计算功能,上行信号灵敏度就更佳;若把更多的计算任务分配给调度器,上行与下行的频谱效率就将会更高。

 

如果要维持或提高频谱效率,则不宜降低HARQ同步功能中的计算量。专用的多核硬件最适合被用于进行此类型的计算(这是由于在目前,多核硬件的性价比是单核硬件的5倍)。因此,最好继续让HARQ同步功能运行于SSP硬件处理器(至少在一代或两代的RAN硬件内)。

 

为了避免MACRLC之间出现流控问题,并考虑到调度器与PLC之间的交互,就应该把MACRLC与快速U/S-RRM运行于相同的硬件实例,由此所带来的硬件环境如图3所示。其中,蓝色区域的功能运行于通用处理器(含有面向多径处理剂PDCP的硬件加密模块、硬件加速器),绿色区域的功能运行于专用处理器并以多核硬件来支撑HARQ环中的各项功能,黄色区域为射频硬件部分。

 

各种RAN功能的最佳执行环境

 

64G/5GRAN分割架构

 

基于上述的功能及接口特性、最佳执行环境、频谱效率、目标功能组成(如图4所示),4G/5G RAN分割架构的逻辑节点包括:

 

1PPF(分组处理功能)

 

适宜作虚拟化处理的PPF包括与HARQ环异步的用户平面功能、PDCP层(如加密)、用于双连接锚点及数据调度的多径处理功能。

 

2BPF(基带处理功能)

 

考虑到频谱效率的严格需求,宜把BPF部署于专用处理器之上。BPF包括与HARQ环同步的用户平面功能,既RLCMACL1/PHY,而且是载波聚合(MAC层)及软合并(L1/PHY)的锚点。BPF包含快速无线调度,并负责CoMPMIMO制式选择、波束与天线单元选择。

 

3RF(无线功能)

 

RF需要通过专用射频硬件来实现,包含调制、数/模转换、滤波、信号功率放大等功能。

 

4RCF(无线控制功能)

 

RCF可用于处理不同系统区域及不同无线技术之间的负载共享/均衡,并以相关策略来控制PPFsBPFs中的调度器。在用户与承载层面,RCF与其他域内的QoS(服务质量)及其他策略进行协调,并助力增强无线接入网的SLA(服务水平协议)。RCF可用于控制与业务需求、分析数据创建与管理相关的总体RAN性能,并负责执行RAN SON(自组网)功能。与PPF一样,PCF也适宜作虚拟化处理。

 

4  4G/5G RAN分割架构的分层、实例化及节点间的接口

 

4中,C1BB-UIBB-IIBB-CICC-I均为逻辑接口。

 

在实际的网络部署中,上述四种功能均将被实例化。无线功能的实例化将于站点的天线数量有关,而且,多个RF实例的集合连接至一个BPF实例。每个天线单元(RF)与一个BPF相关。因此,一个BPF实例处理与天线单元相关的小区。一个BPF实例所控制的一组小区的集合被称为一个系统区域。由此可见,一个BPF实例于其所在的系统区域对数据的无线传输与接收进行处理。此外,在系统区域内,BPF实例也控制着波束、功率、频谱、调度、负载均衡、快速U/S RRM

 

系统区域中的“移动性”对于PPFEPC(增强型分组核心网)是不可见的。多个BPF实例连接至PPF的一个实例。从而,一个PPF实例就与大量的BPFs、多个系统区域的数据相关联。由于S1-U接口终结于PPF,用户无需进行S1X2切换就可在这组系统区域或小区中移动。RCF的每个实例可处理少量或大量PPFs(及所有相关BPFs)的集合,这样,RCF就可以把整个区域视为单个小区(其实,该系统区域可能有着几千个小区)。该架构之中,RRM协调与系统区域的频谱效率可以达到最大化,为未来创新及RRM技术的应用奠定了基础。

 

7、结论

 

4G/5G RAN分割架构的设计,聚焦于提高频谱效率、完全部署灵活性、弹性,并在有可用资源的相关需求的地方部署计算能力。RAN分割架构由PPFBPF这两大用户平面的网络功能组成,并具有近天线的无线功能(RF)、控制平面无线控制功能(RCF)。

 

PPFsRCFs均可被部署于传统的预集成节点或完全虚拟化的VNFs,或者这两种方式的结合。PPFsRCFs均适宜以现有相关技术作虚拟化处理,PPF的虚拟化需要底层硬件具备数据分组加速器与硬件加密模块。

 

原则上,也可以把BPF虚拟化。但是,对于BPF平台的处理类型,专用处理器目前在效率方面仍然是通用处理器的5~7倍,从而,至少在未来1~2代的硬件中,BPF功能最适宜被部署于专用处理器。

 

RCF功能对无线资源管理、无线接入网分析与自组网负总责,其维持着策略与承载信息,并与诸如EPC核心网和资源编排层等非RAN域相互协调。在一个封闭的现场制造网络中,RCF可以集中式部署,也可以分布式部署,例如,可以多种方式来部署用户平面BPF(处理与TTI的同步)及PPF(异步数据分组处理),前提是BPF距离天线站点1~2TTIs。另一方面,可以集中部署PPF,且集中部署点的位置距离RF可达5~7 ms。从而,就可根据频谱、传送网及站点的可用性等,来部署用户平面功能,并匹配业务需求、最大化频谱效率。

 

分割RAN架构将可以以必要的伸缩维度,以较高的成本效率来支撑将来的5G应用场景及数据流量结构。其灵活性、软件/硬件解耦合,将可使得5G网络运营商构建出软件定义的弹性无线接入网,并确保无线接入网架构随时保持先进性。随着4G无线接入网的演进及相关商业需求的增长,可逐渐于现网中引入分割RAN架构。

 

 

参考文献

 

[1] Erik Westerberg. 4G/5G RAN ARCHITECTURE: HOW A SPLIT CAN MAKE THE

DIFFERENCE [EB/OL].

https://www.ericsson.com/res/thecompany/docs/publications/ericsson_review/2016/etr-ran-architecture.pdf, 2016-07-22.

 


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