5G基站平臺(tái)軟件的挑戰(zhàn)與解決方案

1. 行業(yè)背景

在通信行業(yè)，隨著移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入，對(duì)于5G通信帶寬的需求呈現(xiàn)出爆炸式的增長(zhǎng)。如圖1所示，與4G技術(shù)相比，5G數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎途W(wǎng)絡(luò)時(shí)延提高了10倍，而傳輸時(shí)間間隔(TTI)卻從1ms降到了0.2ms，網(wǎng)絡(luò)的容量和基站的密度也都大幅增加。這就要求5G的基站數(shù)據(jù)處理能力要大幅提高，對(duì)5G基站軟件處理的實(shí)時(shí)性提出了更為嚴(yán)苛的要求;同時(shí)伴隨著網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)NFV的出現(xiàn)，5G基站的軟硬件結(jié)構(gòu)和4G對(duì)比也需要重新構(gòu)架。

圖1. 4G與5G關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

2. 5G基站的技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)

基于上面的新特性，5G基站出現(xiàn)了新的技術(shù)演進(jìn)趨勢(shì)。首先，與傳統(tǒng)4G基站中L1、L2和L3層都放在靠近天線單元的RAN中處理的分布式方式相比，5G C-RAN對(duì)L1、L2和L3層的處理更加靠近Cloud端，更加集中。而且針對(duì)不同的應(yīng)用需求，Cloud端與RAN端支持功能模塊結(jié)構(gòu)的不同劃分的集中處理方式。如圖2所示，在5G C-RAN中，既要支持傳統(tǒng)4G基站的分布式處理方式，也要支持將所有功能模塊放在Cloud端的全集中式處理，還支持僅將PHY分布在RAN端而將其它模塊集中在Cloud，以及僅將PDCP集中在Cloud端處理而其它模塊分布在RAN端的半集中處理方式。

圖2. 5G C-RAN不同集中式處理方式的功能結(jié)構(gòu)劃分

正是因?yàn)?G中這種靈活多樣的集中式處理方式，就要求4G向5G技術(shù)演變的過程中基站的硬件和軟件結(jié)構(gòu)更加靈活多變以滿足不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景的需求，如圖3所示。

圖3. 4G向5G基站技術(shù)演變結(jié)構(gòu)圖

其次，隨著網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)NFV的出現(xiàn)，5G基站也在朝著虛擬化的方向演進(jìn), 如圖4所示。虛擬化的優(yōu)勢(shì)在于，分布在天線端的BBU可以被虛擬化為資源池,由Cloud端統(tǒng)一進(jìn)行管理和調(diào)度，從而優(yōu)化資源的配置和使用。

圖4. 5G基站技術(shù)向虛擬化演變結(jié)構(gòu)圖

3. 面臨的挑戰(zhàn)

作為新技術(shù)，5G也面臨著諸多挑戰(zhàn)。首當(dāng)其沖的就是在數(shù)據(jù)速率提高10倍的前提下，傳輸時(shí)間間隔(TTI)需要從1ms下降到0.2ms，這就要求基站的處理速度要大幅提升，對(duì)軟件實(shí)時(shí)性的要求有了極大的增強(qiáng);同時(shí)為了滿足C-RAN虛擬化技術(shù)集中化處理的要求，L2層功能結(jié)構(gòu)的不同劃分對(duì)應(yīng)的負(fù)載動(dòng)態(tài)變化范圍非常大，對(duì)L2層控制面的調(diào)度和處理能力有了更嚴(yán)苛的要求。上面所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)就要求在5G基站中對(duì)操作系統(tǒng)有非常強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理能力以及極高的軟件處理性能。

同時(shí)，對(duì)于虛擬化處理技術(shù)NFV，5G也要求需要有強(qiáng)有力的NFV平臺(tái)軟件的支撐，來實(shí)現(xiàn)各種虛擬化業(yè)務(wù)，并與L2層的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完美的融合。

4. ENEA面向5G基站的操作系統(tǒng)軟件解決方案

在實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了滿足5G高帶寬、高數(shù)據(jù)速率的技術(shù)要求，基帶L1層對(duì)運(yùn)算性能要求極高的功能模塊需要放在運(yùn)算速度高的FPGA、ASIC以及硬件加速器(HW ACC)等專用硬件器件中來處理。而L1層其它功能模塊以及L2和L3層則可以放在SoC多核處理器上處理，在上面運(yùn)行多核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)多核資源進(jìn)行調(diào)度和管理;同時(shí)運(yùn)行NFV平臺(tái)軟件，并根據(jù)5G C-RAN不同集中處理方式，對(duì)不同的功能模塊進(jìn)行虛擬化，實(shí)現(xiàn)Cloud端對(duì)RAN端資源的統(tǒng)一管理。

ENEA作為全球領(lǐng)先的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及NFV平臺(tái)軟件提供商，為5G基站的實(shí)現(xiàn)提供了完備的軟件產(chǎn)品，并基于這些軟件產(chǎn)品提供了多套完整的操作系統(tǒng)軟件解決方案，以滿足5G C-RAN基站技術(shù)實(shí)現(xiàn)靈活多樣的要求。

4.1 方案1：Enea OSE RTOS + Enea Linux

在該方案中，基帶L1層剩余的對(duì)運(yùn)算要求相對(duì)不高的部分以及L2層的全部功能，由于對(duì)軟件的實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)苛，其對(duì)應(yīng)多核處理器上運(yùn)行實(shí)時(shí)性性能卓越的多核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Enea OSE RTOS;而L3和O&M運(yùn)維層等對(duì)于實(shí)時(shí)性要求相對(duì)寬松，對(duì)應(yīng)的多核處理器上運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)Enea Linux。這種方案與傳統(tǒng)基站中基帶和控制層分別跑RTOS和Linux的方案類似，如圖5所示。它對(duì)應(yīng)為圖2中Distributed分離式C-RAN基站部署方式。

圖5. Enea OSE RTOS + Enea Linux

4.2 方案2：Enea OSE RTOS + Enea NFV

5G C-RAN中網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)NFV的出現(xiàn)，就要求通過NFV在同一套硬件處理器上實(shí)現(xiàn)多個(gè)虛擬機(jī)，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能與硬件解耦，以承載更多軟件處理的功能，從而達(dá)到資源靈活分配、降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本的目的。ENEA NFV虛擬化平臺(tái)技術(shù)和虛擬化解決方案可以完美地滿足這一技術(shù)需求。在該方案中，基帶L1層剩余的對(duì)運(yùn)算要求相對(duì)不高的部分和L2層部分功能，其對(duì)應(yīng)的多核處理器上仍運(yùn)行多核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Enea OSE RTOS;而L3和O&M運(yùn)維層等以及L2層的剩余功能，則通過ENEA NFV虛擬化平臺(tái)技術(shù)在x86或者ARM服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)多個(gè)VM虛擬機(jī)，在上面實(shí)現(xiàn)虛擬化業(yè)務(wù)，如圖6所示。它對(duì)應(yīng)圖2中PHY Split和PDCP Split集中式C-RAN基站部署方式。

圖6. Enea OSE RTOS + Enea NFV

4.3 方案3：Enea OSE RTOS as Guest OS + Enea NFV

對(duì)于5G C-RAN的NFV虛擬化技術(shù)來說，其終極目的是要將運(yùn)行在多核處理器上L1、L2和L3層的所有功能都進(jìn)行虛擬化，使每一層的資源都能在Cloud端進(jìn)行配置和管理，從而最大限度的發(fā)揮資源調(diào)度的靈活性。針對(duì)這一終極目的，ENEA也提供了一套軟件解決方案。在該方案中，通過Enea NFV不但實(shí)現(xiàn)了L3和O&M運(yùn)維層的虛擬化，還實(shí)現(xiàn)了L1和L2層的虛擬化。在x86或者ARM服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)多個(gè)VM虛擬機(jī)，各個(gè)虛擬機(jī)之間通過虛擬交換機(jī)技術(shù)OVS來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。而在L1和L2層的虛擬機(jī)中，仍然運(yùn)行Enea OSE RTOS多核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為Guest OS，以滿足L1和L2層實(shí)時(shí)性要求，如圖7所示。它對(duì)應(yīng)圖2中Centralized 的C-RAN基站部署方式。

圖7. Enea OSE RTOS as Guest OS + Enea NFV

5. 結(jié)束語(yǔ)

5G技術(shù)作為4G的延伸和演進(jìn)，它的推進(jìn)和實(shí)現(xiàn)離不開通信設(shè)備廠商和操作系統(tǒng)軟件廠商在技術(shù)上的積累與沉淀，以及彼此在軟硬件上的高度契合。作為專注于移動(dòng)通信領(lǐng)域?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)和NFV平臺(tái)技術(shù)的軟件廠商，ENEA(瑞典宜能)成立于1968年，并于1989 年在瑞典上市，是OpenNFV開源組織的主要貢獻(xiàn)者之一。

針對(duì)5G領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)，ENEA提供了三種全新的、面向5G基站的操作系統(tǒng)軟件解決方案，分別對(duì)應(yīng)5G C-RAN在不同業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景下的不同部署方式。包括：

· 分布式結(jié)構(gòu)解決方案，與傳統(tǒng)4G基站對(duì)應(yīng)，其具有結(jié)構(gòu)扁平化、容易部署的特點(diǎn)，業(yè)務(wù)場(chǎng)景適合鄉(xiāng)村等網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、人口密度小的地方。

· 全集中式結(jié)構(gòu)解決方案，采用了虛擬化NFV技術(shù)，硬件資源的配置和利用到達(dá)了最優(yōu)，適合于城市中辦公室、商場(chǎng)、體育場(chǎng)、廣場(chǎng)等人流密集的熱點(diǎn)區(qū)域，這些地方對(duì)網(wǎng)絡(luò)的速率和性能要求非常高。

· 而半集中式結(jié)構(gòu)解決方案，則居于前兩者之間，適合于覆蓋相對(duì)較廣、人流相對(duì)不密集的場(chǎng)所。