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开放5G网络架构与开源平台

2018/5/13    来源:互联网    作者:赵明  王京  田志刚      
关键字:5G  网络架构  开放架构  
本文提出一种开放网络研究框架,及其开放网络架构解决方案。认为5G的3种业务场景向3类关键技术指标的灵活映射需求,决定了基于公共资源池的网络切片化是必然之选,网络架构的开放性是保障敏捷切片所必须的,网络和技术指标的演进也决定了传统垂直封闭网络架构不可持续。

2 一种开放5G网络架构

    针对传统蜂窝模型以及管道模型,以放倒的方式对U、C、M与D加以解耦或虚拟化集中,这种解决方案称为非栈式网络架构NoStack。这种架构是整个5G开放网络架构的核心部分,但还需要一个全面框架。

    2.1 开放5G网络研究框架

    我们首先给出包含多层多域的5G开放网络框架,如图4所示。纵向分为4个域:终端域、空口域、覆盖域和处理域;横向分为3层:基础设施虚拟化层、网络层、运营/业务层,每个层与域的交叉点,都存在一个研究模块。

开放5G网络研究框架

图4 开放5G网络研究框架

    将覆盖域从接入域分出来是因为未来5G的天线与基带处理单元(BBU)不再一一对应,即前传网不再是简单的一对一连接,而是存在复杂的组网映射关系。设立基础设施虚拟化层,是因为未来的5G网络基础设施需要尽可能利用商用现成设备(COTS),比如通用服务器和交换机等,所以也需要虚拟化层屏蔽基础设施的具体细节。

    开放网络架构中的网络协议层主要有3个模块:NoStack、覆盖子系统和超蜂窝网络(HCA)。其中HCA是对此前所说蜂窝模型的突破,而NoStack与覆盖子系统则是对传统管道模型的颠覆。HCA与NoStack/覆盖子系统是镜像关系,HCA所描述的新无线组网蜂窝模型有赖于NoStack+覆盖子系统在接入网去实现。在上述框架中,还包括基础设施虚拟化模块YaRAN、终端域的虚拟化架构YaRAN4UE以及网络协议架构NoStack4UE。YaRAN是一种适用于5G的网络功能虚拟化(NFV)解决方案,其使命是为5G开放网络协议架构营造合适的运行时环境,包括高效的用户面处理环境,灵活可重构的控制面状态机环境,以及向业务开放和可敏捷定制的管理和业务面环境。按照NFV的理念,开放网络协议架构例化的虚拟网络功能(VNF)模块,需要被YaRAN所调度并投射在适当的基础设施资源上。终端侧的YaRAN4UE和NoStack4UE是接入网侧YaRAN以及NoStack+覆盖子系统的对偶模块。网络即服务(NaaS)模块主要是针对业务与行业的定制化服务,并且依赖于开放网络协议架构的支持。

    2.2 一种开放5G网络架构解决方案

    基于开放网络研究框架,我们给出一种5G开放网络协议架构的较详细设计,如图5所示。开放网络协议架构层,包括前述的放倒接入网架构NoStack、覆盖子系统和HCA。HCA的特点如下:

    (1)打破独立封闭小区的垂直封闭协议栈,构建多天线协作控制架构,以此来实现跨小区的空口资源管理;形成横跨多个小区的鲁棒控制覆盖,对所覆盖区域内的空口资源进行统一管理。

    (2)区别与以往的小区内靠双工和多址、小区间靠频率复用、功控和切换的模式,小区业务覆盖淡化传统以时间和频率为主的正交多址模式,主要是采用空间复用类非正交多址模式。

    (3)蜂窝模型的工作流程发生较大变化,不再是终端主动与某个基站进行同步,接收广播信息,然后进行随机接入,而是由网络采用新型检测算法,从空口多天线信号中感知终端的存在及其定时,如图5中的用户感知覆盖。这样做的好处是:对mMTC类业务的海量连接和高连接密度,可以提高管理效率。

以NoStack为核心的5G开放网络协议架构

图5 以NoStack为核心的5G开放网络协议架构

    (4)3种覆盖相解耦,通过不同的组合,可以为不同业务场景需求有针对性的定制其空口制式。

    覆盖子系统的作用是两重的:

    (1)一端以天线为提供覆盖服务的主体,并不从属于某个小区,将小区级业务/控制流和用户级业务流向空口资源映射,包括时间和频率的划分,空间的预编码和功率的分配。覆盖子系统主要关注用户面,其控制放在NoStack的控制器中进行,上述划分、分配和配置都由控制器主导,天线只需要被动接受。

    (2)另一端以小区控制流或用户业务流为输入,满足其对空口资源的请求,业务流之间也不需要协调,业务流在天线上只是线性叠加;当天线覆盖能力不足时,比如功率受限,由控制器确定分配方式。

    通过上述设计,天线与小区控制流和用户业务流是解耦的,没有任何两个流的覆盖必须采用相同的天线集,满足HCA的灵活天线协作、面向用户的覆盖形成和空口无线组网体制可定制等需求,满足NoStack的以业务流为单位的处理体系,提高对海量连接的承载管理效率等。

    对于NoStack来说,主要需要突破传统的管道模型的垂直封闭网络协议架构:

    (1)淡化用户面协议层之间的耦合关系,制造“平坦化”的灵活处理的模式。

    (2)将C面处理从U面解耦出来,提高U面的处理效率。

    (3)解耦出来的C面,以逻辑集中的方式设计为控制器,减少传统架构中独立网元间复杂的信令流程,提高管理效率。

    (4)将U面的缓存、C面的会话、向M面的报告,以及相应的半静态上下文,解耦出来存放在全局网络视图中,并且降低C面的状态相关处理,提高其可重构能力,以及向业务的开放程度。

    (5)控制器通过北向接口向M面提供高级控制服务,既提供面向业务的定制能力,又可以屏蔽底层处理的细节。

    在开放网络研究框架中,开放网络架构的核心问题就是开放网络协议模型,我们分别对3个模块进行了阐述,探讨了这种设计在性能、效率和定制化方面的优势。

3 开放网络运营与开源协作研发

    电信行业采用开放网络架构有其行业生态与运营经济发展的必然性,主要是移动互联网行业的OTT服务提供商的异军突起,以及由此带给电信行业的收入增速日益平坦与业务成本快速增加之间的剪刀差效应:行业源头的运营商遭遇了互联网行业的价值碾压,其提供的服务无法获得满意的利润分配,随之转移给行业下游的收入就更少。虽然收入增长不快,迫于Wi-Fi等替代连接方案的竞争,行业却必须承担OTT类业务大幅增长带来的成本压力,行业长时间积累的供给能力也在经历痛苦的消化。在这种状况下,有必要尝试开放与开源的组织模式,打破传统的价值分配模型,向其他行业渗透开放以挖掘价值,行业内部通过开源协作减少竞争成本。

    移动通信行业正在经历广泛的分化整合,与上下游行业的关系也发生了深刻变化。行业生态中属于基础设施的部分,日益整合集中;与上下游重合的部分,正日益脱离并渗入各行各业。近年来影响巨大的NFV也属于这种趋势,基础设施必须进一步标准化和公共化,从而有利于上层业务的开发,这就必须“开放”和“开源”。开放是基础设施的必备属性,否则无以快速构建上层生态;开源是行业博弈导致的一种减少无效竞争的快速整合手段,通过开源协作形成周边生态是这种先进竞争手段的特征。在变革期,原先的科研、标准化和产品研发次序已经不明显,可以先从科研开始,为标准化和商用产品研发探索一条开放和开源的新道路。

4 结束语

    文章中,我们尝试从技术层面推导开放网络架构的必要性,给出一种研究框架及开放网络架构解决方案,并初步探讨了开源协作研发模式对于电信行业所能提供的益处;但对于开放网络架构的探讨还需要细致的学理性分析,对于开源协作研发模式也需要在实践中进一步摸索。

责任编辑:程玥
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