新一代接入網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)和vAccess

無線產(chǎn)業(yè)的目標(biāo)是在2020年啟動(dòng)新一代“5G”網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署。該網(wǎng)絡(luò)的宏偉目標(biāo)是滿足高于LTE/LTE-A標(biāo)準(zhǔn)的日益增加的性能要求(延遲、吞吐量)，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)成本(資本支出/運(yùn)營(yíng)支出)，并提高網(wǎng)絡(luò)敏捷性，以快速交付新服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)靈活性對(duì)于支持網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商開發(fā)現(xiàn)有語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)之外的新商業(yè)模式至關(guān)重要。新一代無線網(wǎng)絡(luò)(例如LTE-A和5G)的一個(gè)特點(diǎn)將是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署模式，傳統(tǒng)的宏蜂窩基站模式上將添加小型蜂窩(家庭基站、微微基站、微基站)部署，另一個(gè)特點(diǎn)是可同時(shí)支持成百上千個(gè)扇區(qū)的大型集中系統(tǒng)。與此同時(shí)，我們預(yù)計(jì)多種接入技術(shù)(即WiFi和LTE)將共存，并以協(xié)調(diào)一致的方式工作。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是支持這些廣泛的系統(tǒng)，并盡量減少軟件和硬件架構(gòu)變更。

SDN和NFV概念提供了定義嚴(yán)格的可擴(kuò)展的軟件平臺(tái)，能夠幫助應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。該平臺(tái)可用作接入網(wǎng)開發(fā)的基準(zhǔn)。SDN和NFV有望優(yōu)化容量，充分利用了這兩個(gè)概念的云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。然而，為了實(shí)現(xiàn)所需的系統(tǒng)延遲和吞吐量性能，仍然有許多挑戰(zhàn)需要解決。

vBTS，接入平臺(tái)愿景

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)概念是指提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化軟件開發(fā)平臺(tái)，可在該平臺(tái)上執(zhí)行和管理不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能。這樣能夠?qū)④浖?chuàng)新周期與運(yùn)行軟件的計(jì)算平臺(tái)分離開。將該平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化為通用處理器(GPP)和標(biāo)準(zhǔn)接口，這樣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備變成了軟件應(yīng)用，任何人都能夠進(jìn)行開發(fā)，不再限定到特定的硬件平臺(tái)。虛擬化是支持此概念的關(guān)鍵模塊之一，它支持保護(hù)、資源分區(qū)和故障隔離，特別是允許在多廠商環(huán)境下獨(dú)立開發(fā)和執(zhí)行不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無需彼此感知。

把NFV概念應(yīng)用到無線接入網(wǎng)(RAN)與將其應(yīng)用到無數(shù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所帶來的好處類似：

• 前所未有的敏捷性可降低服務(wù)成本，并提高服務(wù)速度。ETSI NFV MANO和Openstack計(jì)劃可在標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)、自動(dòng)指配和VNF/VM/vBTS生命周期管理方面發(fā)揮重要作用。

• 通過虛擬化將硬件和軟件進(jìn)行抽象和分離，可提高服務(wù)創(chuàng)新水平。ETSI INF和SWA計(jì)劃(包括與ONF和ODL/ONOS SDN計(jì)劃結(jié)合實(shí)施)旨在通過服務(wù)嵌入和鏈接實(shí)現(xiàn)服務(wù)的快速提升。

• 借助虛擬化容器(即VNF/vBTS)提高服務(wù)品質(zhì)和可靠性。ETSI NFV REL、SEC和OPNFV 計(jì)劃關(guān)注虛擬化可以帶來哪些好處，為應(yīng)用開發(fā)人員提供定義嚴(yán)格的沙盒，防止破壞和/或?qū)ζ渌浖?shí)例構(gòu)成威脅，從而限制了應(yīng)用崩潰/重啟/不法行為對(duì)執(zhí)行應(yīng)用的虛擬機(jī)范圍的影響。這種限制與虛擬租戶的增長(zhǎng)日益關(guān)聯(lián)，SoC的內(nèi)核、節(jié)點(diǎn)中的虛擬機(jī)、更大的管道等都會(huì)促使虛擬租戶的增長(zhǎng)。

• 可擴(kuò)展性和敏捷性。將硬件與軟件分離，實(shí)現(xiàn)硬件獨(dú)立性，不僅可以支持?jǐn)U展，還能夠快速適應(yīng)新平臺(tái)。

舉例來說，開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì) (ONF)所定義的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)是將控制平面(CP)和數(shù)據(jù)平面(DP)的運(yùn)行分離開。從軟件/API的角度將這些組件分離，這樣它們可以運(yùn)行在不同的硬件中，無論在物理上共址還是分離，也無論是非虛擬化還是虛擬化，如果是虛擬化的情況，則還可以運(yùn)用NFV概念。它支持網(wǎng)絡(luò)的全系統(tǒng)視圖/控制，還為多廠商環(huán)境提供標(biāo)準(zhǔn)化的控制機(jī)制，允許運(yùn)營(yíng)商控制網(wǎng)絡(luò)行為和功能集。

早在21世紀(jì)初，隨著網(wǎng)絡(luò)處理器的出現(xiàn)便產(chǎn)生了CP/DP分離的概念，CP/DP API標(biāo)準(zhǔn)化的概念通過網(wǎng)絡(luò)處理器論壇(NPF) 等計(jì)劃得到了廣泛傳播。在這一點(diǎn)上有一個(gè)值得探究的問題：“人們?yōu)槭裁匆鞔_采用SDN?”。部分原因是SDN允許將標(biāo)準(zhǔn)的、與應(yīng)用無關(guān)且通常是分布式的控制替換為集中的且在各種標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用都可通用的控制。這意味著SDN對(duì)于能夠從集中控制中受益并有志于開發(fā)應(yīng)用專用控制軟件的實(shí)體來說非常重要。

動(dòng)機(jī)通常是為了簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理，但現(xiàn)在連管理也變得依網(wǎng)絡(luò)而變了，SDN于是在控制平面和數(shù)據(jù)平面之間提供了一個(gè)接口，將網(wǎng)絡(luò)展露給網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)人員。

OpenFlowTM是開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)(ONF)推動(dòng)的SDN標(biāo)準(zhǔn)化工具，此概念與SDN密切關(guān)聯(lián)。OpenFlow定義(目前)在DP中執(zhí)行切換功能的L2與更高層的CP功能之間的API級(jí)接口，支持DP控制和監(jiān)控的分離。OpenFlow概念定義了專用DP組件，支持“某些功能最好在網(wǎng)絡(luò)處理器等優(yōu)化的硬件平臺(tái)上執(zhí)行”這一觀點(diǎn)。OpenFlow概念根據(jù)SDN原理引入了CP集中化，允許CP遷移到遠(yuǎn)程(集中式/云)環(huán)境。

LTE基站中通過SDN實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的主要候選組件是S1/X2接口(基站回程)。目前與該接口有關(guān)的L2/L3功能(以太網(wǎng)、QoS、IP /IPSec等)的實(shí)現(xiàn)都向系統(tǒng)供應(yīng)商提供專用的API。管理多個(gè)系統(tǒng)供應(yīng)商提供的不斷發(fā)展的API效率很不高，使網(wǎng)絡(luò)管理變得更加復(fù)雜。通過SDN支持的標(biāo)準(zhǔn)化控制可實(shí)現(xiàn)回程聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化。

SDN是一款有用的工具，特別是在演進(jìn)HetNet型部署場(chǎng)景中，在不同代的產(chǎn)品和多個(gè)系統(tǒng)供應(yīng)商間演進(jìn)非統(tǒng)一的回程。

挑戰(zhàn)

現(xiàn)有的基站實(shí)施方案主要依靠供應(yīng)商的專有軟件，這些軟件在通用處理器(Power Architecture®、ARM®、MIPS執(zhí)行L2/L3堆棧)和專用硬件加速/信號(hào)處理器(執(zhí)行L1堆棧以及L2/L3分流)均執(zhí)行。L2/L3 進(jìn)程在專有RTO或Linux®上執(zhí)行，并具有適當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)擴(kuò)展(如 PREEMPT_RT)。之所以采用區(qū)隔硬件和軟件的方法，是因?yàn)?GPP/LTE面臨許多挑戰(zhàn)，要在NFV環(huán)境下解決。具體而言：

• 延遲(實(shí)時(shí)行為)和性能(保持吞吐量)對(duì)于LTE至關(guān)重要

• 需要將硬件加速(用于性能/效率)整合到NFV環(huán)境中

虛擬化基站

考慮到上述挑戰(zhàn)，下面介紹了一個(gè)實(shí)用的SDN/NFV開發(fā)平臺(tái)方法，以虛擬基站(vBTS)作為虛擬接入平臺(tái)(vAccess)的一個(gè)應(yīng)用為例子進(jìn)行說明。

飛思卡爾創(chuàng)建vBTS開發(fā)平臺(tái)所用的關(guān)鍵平臺(tái)硬件組件包括：

• GPP服務(wù)器平臺(tái)托管處理?xiàng)５膶?shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)組件。

• 智能網(wǎng)絡(luò)接口卡(iNIC)。iNIC框架可滿足存儲(chǔ)、安全性、深層數(shù)據(jù)包檢測(cè)(DPI)、防火墻、廣域網(wǎng)(WAN)優(yōu)化和應(yīng)用交付計(jì)算 (ADC)等融合數(shù)據(jù)中心應(yīng)用對(duì)智能網(wǎng)絡(luò)加速和應(yīng)用分流的需求。[!--empirenews.page--]

• L1加速器。我們使用獨(dú)立的L1加速器，它通過以太網(wǎng)連接至L2/L3棧。L1加速器包含“translator”代理，該代理通過物理連接轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的消息接口(FAPI)。飛思卡爾提供一系列L1加速設(shè)備，從低端到高端一應(yīng)俱全。

vBTS開發(fā)平臺(tái)

飛思卡爾正在開發(fā)原型虛擬化平臺(tái)，將其作為基于NFV的應(yīng)用的開發(fā)平臺(tái)。目的是提供所有必要的硬件和軟件組件來創(chuàng)建可開發(fā)任何應(yīng)用的基礎(chǔ)設(shè)施。虛擬化無線基站應(yīng)用作為原型，展示無需執(zhí)行特定的系統(tǒng)分區(qū)便能應(yīng)對(duì)定時(shí)和性能挑戰(zhàn)。該平臺(tái)雖然以基站應(yīng)用為示例，但也面向其他應(yīng)用(例如通用接入平臺(tái)等)。

關(guān)鍵軟件組件包括：

• KVM-QEMU管理程序。飛思卡爾SDK支持通過Linux容器(即專有的1型管理程序(Topaz)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化用的KVM管理程序)來實(shí)現(xiàn)虛擬化。飛思卡爾SDK用于電路板啟動(dòng)和OpenStack組件的安裝，如Nova-API、Neutron Agent、OpenVSwitch等，將飛思卡爾GPP平臺(tái)用作OpenStack 安裝的計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

• PREEMPT_RT。延遲要求針對(duì)一些非常具體的軟件分區(qū)目標(biāo)。“L2” 應(yīng)用需要排列優(yōu)先次序，以便在不到1ms的TTI邊界內(nèi)啟動(dòng)。這樣就會(huì)限制多個(gè)需要在同一個(gè)TTI邊界上啟動(dòng)的基站應(yīng)用對(duì)CPU資源的共享。另外，這還需要應(yīng)用啟動(dòng)時(shí)間有界/有保證的最大值。Linux的PREEMPT_RT補(bǔ)丁的目的是為L(zhǎng)inux應(yīng)用的實(shí)時(shí)運(yùn)行提供支持，假設(shè)該應(yīng)用使用Linux服務(wù)的子集。一些應(yīng)用，如基站堆棧的虛擬化L2，多年來已證明能夠在非虛擬化環(huán)境下利用PREEMPT_RT實(shí)時(shí)執(zhí)行。

• NFVI Acceleration (NFVIxl)。如前所述，NFVIxl iNIC應(yīng)用將VMM網(wǎng)絡(luò)從托管VNF(如vBTS)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通用處理器內(nèi)核進(jìn)行分流，從而減少了NFV中引入的VMM虛擬化層的性能影響。

• OpenStack云協(xié)調(diào)。OpenStack是一個(gè)開源云計(jì)算平臺(tái)，適用于公共云和私有云，它便于部署，可進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)展，并具有豐富的功能。該技術(shù)包含一系列相互關(guān)聯(lián)的項(xiàng)目，為云基礎(chǔ)設(shè)施解決方案提供各種組件，如下所示。如需了解更多有關(guān)OpenStack的信息，請(qǐng)參閱飛思卡爾應(yīng)用說明 AN4646。

無線接入平臺(tái)配置工具套件

OpenStack控制器和計(jì)算節(jié)點(diǎn)的相關(guān)代理能夠提高或降低vBTS VM。OpenStack可擴(kuò)展，能夠添加其他組件，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用配置和管理。無線接入平臺(tái)配置工具套件是一款參考工具套件，基于OpenStack控制器開發(fā)創(chuàng)建，可配置/指配L1和vBTS VM應(yīng)用。此外，它還包含一些運(yùn)行在vBTS和L1設(shè)備上的其他軟件組件(代理)。該工具套件提供兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：一是自動(dòng)化L1設(shè)備與vBTS VM的映射，二是配置L1設(shè)備和vBTS VM的應(yīng)用。

結(jié)語

SDN和NFV概念已確定了一系列優(yōu)勢(shì)，但由于存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)(主要與延遲和性能有關(guān))，因此目前在網(wǎng)絡(luò)接入平臺(tái)上的部署卻比較有限。作為RAN各方面(從傳輸/控制、L2/L1直到射頻)的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，飛思卡爾擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠幫助系統(tǒng)供應(yīng)商分析和實(shí)施vBTS系統(tǒng)。新一代接入網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)旨在證明應(yīng)對(duì)技術(shù)挑戰(zhàn)的解決方案，并快速啟動(dòng)客戶的系統(tǒng)開發(fā)。